Begründung der Wärmesimulation

Bedingt durch die Physik der Stromübertragung entstehen entlang eines kabelgebundenen Stromflusses Verlustleistungen in Form von Wärme. Ursache dafür ist der elektrische Widerstand aller metallischen Leiterelemente. Dieser Widerstand ist für den Ausgangszustand jedes Elements im HV-Pfad bekannt; er ändert sich jedoch mit der Erwärmung im Betrieb. Es ist berechenbar, welche Verlustleistung bei einem bestimmten Strom, einer bestimmten Spannung und einer bestimmten Temperatur an einer Komponente auftritt. Damit ist auch die entstehende Wärme berechenbar – bisher allerdings nur im stationären Zustand, wenn alle Wärmetransporte im ausgeglichenen Zustand sind. Es gab bisher wenig praktikable Verfahren, mit denen sich das Verhalten des gesamten Systems „HV-Pfad“ dynamisch vorausberechnen ließ. Wollte man dazu die bekannte Methode der Finiten Elemente (FEM) anwenden, so müsste man in schneller Folge für jeden Betriebspunkt separat rechnen. Eine betriebsbegleitende thermische Berechnung in Echtzeit (im Fahrzeug) erfordert ein anderes Verfahren, das mit viel weniger Rechenkapazität auskommt.

Ein Teil der Herausforderung liegt darin, dass die Wärmeflüsse in einem HV-Pfad ein verhältnismäßig träges System bilden. Je nachdem welche Masse eine Komponente hat und worin die nächsten erreichbaren Wärmesenken bestehen reagieren einzelne Komponenten unterschiedlich auf schwankende Lastprofile. Komponenten mit geringer Masse und nur begrenzter Möglichkeit zur Wärmeabfuhr können daher zu einem Engpass für das Wärmemanagement werden. Wenn für die erzeugte Wärme keine genügende Ableitung mehr besteht, so verhält sich die Komponente vorübergehend als adiabatisches Element (= ein Zustand ohne Wärmeaustausch mit der Umgebung), dessen Erwärmung von außen nicht mehr beeinflussbar ist. Solche Wärmeengstellen müssen in ihrem Verhalten genau verstanden werden, um ein System nicht unnötigerweise zu begrenzen oder zu stressen.

Hinzu kommt, dass die Wärmeableitung auf unterschiedlichen Wegen erfolgt: Neben dem Wärmetransport im Material (Wärmeleitung) gibt es noch die Anteile für Wärmeabstrahlung und die Wärmeabfuhr durch kühlende Luft- beziehungsweise Kühlmittelströme (Konvektion). Für jede Komponente entlang des HV-Pfades setzen sich diese drei Faktoren unterschiedlich zusammen. So sind die Bedingungen für die Wärmeabfuhr am Inlet vergleichsweise günstig, weil die Verlustwärme hier beim HPC DC über die aktive Kühlung des CCS-Steckers mit abgeführt werden kann. Der Batteriestecker hingegen hat diese aktive Wärmesenke in vielen Fällen nicht. Damit gilt für die Leitung zwischen Inlet und Batterie: Die Bedingungen für die Wärmeabfuhr sind an einem Ende anders als am anderen Ende.

Mit der Erhitzung elektrischer Komponenten geht ein Alterungsprozess einher, der die elektrischen (und/oder mechanischen) Eigenschaften der Komponente über die Zeit verändert. Je stärker die Erwärmung, desto schneller der Alterungsprozess und desto geringer die Restleistungsfähigkeit der Komponente. Auf die typische Lebensdauerannahme eines Fahrzeugs (300.000 km / 15 Jahre / 8000 Betriebsstunden) gesehen beeinflussen die tatsächlichen Lastprofile die Alterung jeder Komponente. Addiert man 30.000 Stunden Ladezeit (kombiniert AC- und DC-Laden) über die Fahrzeuglebensdauer hinzu, so bietet die systemische Simulation eine Lösung für die umfangreichen Testprofile.

Erkannte Aufgabenstellung:

Bild 4: Entsprechung zwischen elektrischen und thermischen Größen als Grundlage für Ersatzschaltbilder.

Bild 4: Entsprechung zwischen elektrischen und thermischen Größen als Grundlage für Ersatzschaltbilder. TE Connectivity

Hier ist somit dringend eine andere Vorgehensweise gefordert, um frühzeitig zu einer sicheren, wirtschaftlich darstellbaren Konstruktion des Strompfades für das HPC DC zu kommen und dafür auch den Sicherheitsnachweis antreten zu können. Mit dem Mittel einer bewährten systemischen Wärmesimulation ist es kein Problem, automatisiert eine nahezu beliebige Zahl an denkbaren Lastprofilen vorab abzuprüfen. Mögliche Engpässe im thermischen System werden dabei sichtbar und lassen sich konstruktiv beheben. So entfällt der Aufwand für die Fehlersuche ex-post. Dieser investigative Aufwand ist aktuell beträchtlich – gerade weil das thermische System so komplex ist und die eigentliche Fehlerursache möglicherweise gar nicht direkt in der diagnostizierten Komponente liegt sondern im Verhalten einer benachbarten Komponente im Wärmepfad.

Systemisches Simulationsverhalten

Das hier vorgestellte neue systemische Simulationsverfahren für die Verlustleistungen entlang des HV-Pfades unter dynamisch wechselnden Lastbedingungen basiert im Kern auf den Kirchhoff‘schen Gleichungen. Seine aus der Elektrotechnik bekannte Maschenregel und Knotenregel beispielsweise besagt, dass die Summe aller Ströme in einem Knoten und die Summe aller Spannung entlang einer Masche gleich Null sein muss. Dabei gilt auch, dass die Energie stets erhalten bleibt. Der Anteil, der durch den elektrischen Widerstand in Wärme umgesetzt wird (= die Verlustwärme) geht also nicht verloren, sondern dieser Wärmeanteil entspricht exakt der Differenz zwischen eingeleiteter elektrischer Energie und am Zielsystem verfügbarer elektrischer Energie.

Die Ersatzschaltbilder nutzen den direkten und linearen Zusammenhang zwischen elektrischem und thermischem Verhalten (Bild 4). Elektrische Ersatzschaltbilder (Bild 5) dienen dazu, das gekoppelte elektrische und thermische Verhalten zu simulieren. So wie eine Spannung einen Strom durch einen Widerstand treibt, erzeugt eine Temperaturdifferenz einen Wärmetransport. Die physikalisch unterschiedlichen Transportformen (Wärmeleitung, Konvektion, Strahlung) fungieren dabei jeweils als thermische Widerstände. Hinterlegte mathematische Formeln im Komponentenmodell berechnen laufend die entstehende Wärme je nach anliegendem Strom und anliegender Spannung bei der jeweiligen Umgebungstemperatur. Auf dieser Basis (= Wärmeentstehung) fungieren die verschiedenen Möglichkeiten der Wärmeableitung im Ersatzschaltbild als Widerstände (thermische Barrieren) und thermische Massen/Kapazitäten, welche die zeitlich aufgelöste Wärmeleitung im Leiterwerkstoff durch Abstrahlung und Konvektion repräsentieren. Mit diesem vergleichsweise einfachen Verfahren lassen sich sowohl einzelne Kontakte (etwa eine Kontaktfeder) als auch ganze Komponenten (etwa ein Steckverbinder, wie in Bild 6) und auch ein HV-Pfad simulieren, weil Wärmeentstehung und Wärmeableitung durch die Maschenbildung berechenbar sind.

Wo es von Kabelherstellern inzwischen entsprechende Modelle gibt, lassen sich auch die Zwischenstrecken berechnen. Die Einbindung von Komponenten unterschiedlicher Hersteller  das ist im Bordnetz der Regelfall – stellt kein Problem dar, weil nur die jeweils herstellerspezifischen elektrischen Parameter bereitgestellt und eingegeben werden müssen. Anschließend erfolgt im Modell die Übergabe an die Mathematik, die für die Berechnung nach den Kirchhoff‘schen Gleichungen sorgt.

Bild 5: Ersatzschaltbild für die thermische Simulation: Widerstände repräsentieren die drei Wärmetransportformen.

Bild 5: Ersatzschaltbild für die thermische Simulation: Widerstände repräsentieren die drei Wärmetransportformen. TE Connectivity

Das Modell beschreibt also die Wärmeentstehung und den Wärmeaustausch mit der Umgebung. Die Modellierung beantwortet unter anderem folgende Fragen: Wo sind Wärmequellen und -senken? Ab wann werden die Temperaturen für die Komponente gefährlich, und ab wann verkürzen sie deren Lebensdauer? Wie sieht das Ganze im Cluster aus? Wo entstehen adiabatische Zustände und wie wirken sie sich aus?

Im Zuge der Modellentwicklung wurde in Iterationszyklen zwischen Simulation und Test (Rohdaten aus dem Laborversuch) der mathematische Anteil des Modells optimiert, bis die Vorhersagegenauigkeit der Simulation den Testergebnissen entsprach. Mit diesem Verfahren lassen sich bei minimaler Rechenleistung dynamische Lastprofile für jede einzelne Komponente sowie für den HV-Pfad abprüfen.

Sicherheitszuwachs

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