Die erforderliche Rechenleistung für die Thermosimulation auf Basis von elektrischen Ersatzschaltbildern ist gering, so dass es ohne weiteres möglich ist, diese Berechnung als Routine in einem fahrzeugtypischen elektronischen Steuergerät mitlaufen zu lassen. Somit besteht die Möglichkeit, die real herrschenden Lastprofile in Echtzeit zu berechnen; diese Simulation verbessert dann die Datenbasis für die Funktionssicherheit. Simulation und Sensordaten können sich hier gegenseitig als inhomogene Diagnostikroutinen ergänzen. In automatisierten Fahrzeugen, bei denen aus Sicherheitsgründen eine mehrfache Redundanz gefordert ist, kann das ein Beitrag zum Sicherheitskonzept sein.

HV-Komponenten für das Fahrzeug auslegen

Mit der systemischen Wärmesimulation wird die belastungsgerechte Auslegung von HV-Komponenten für das Fahrzeug wesentlich realitätsnäher. Klassische Industrieprodukte für hohe Ströme bieten hier ja ohnehin nicht die richtige Lösung, weil sie für nichtzutreffende Bedingungen entwickelt wurden. So sind Industriesteckverbinder für 200 bis 400 A beispielsweise viel zu schwer und zu sperrig für das Fahrzeug. Gleichzeitig ist der Kostendruck in der Automobilanwendung enorm, während gleichzeitig die Kontaktoberflächen mit minimalem Materialeinsatz hohe Ströme tragen müssen.

Unter diesen Randbedingungen ist es von hohem Wert, wenn man das Verhalten des Produktes schon in der Entwicklung vorhersagen kann, weil die systemische und dynamische Wärmesimulation die Auswirkungen von realem Verschleiß im späteren Betrieb sauber aufzeigen kann. So lässt sich ein komplexes System wie der HV-Pfad simulieren und sein Verhalten vorhersagen. Die Simulation kann dabei eine Breite abdecken, die im Test niemals realisierbar wäre.

Fazit

Bild 6: In Maschen aufgelöster Steckverbinder: Äquivalenz zwischen den elektrischen Kontaktstellen eines Steckverbinders und der thermischen Simulation.

Bild 6: In Maschen aufgelöster Steckverbinder: Äquivalenz zwischen den elektrischen Kontaktstellen eines Steckverbinders und der thermischen Simulation. TE Connectivity

Ein HPC DC stellt im EV ein ganz außerordentliches Nutzungsprofil dar, das es sonst in keinem anderen Betriebszustand des Fahrzeugs gibt. In dem komplexen und trägen Wärmesystem des HV-Pfades können beim Laden ganz unterschiedliche Temperaturprofile an einzelnen Komponenten auftreten. Um 350 kW Ladeleistung sicher nutzen zu können, muss man den gesamten HV-Pfad mit dynamischen Lastprofilen systemisch simulieren, um mögliche Wärmeengstellen unter realen Betriebsbedingungen erkennen und in ihrer Wirkung beurteilen zu können. Eine Simulation muss außerdem übergreifend funktionieren sowie die gesamte Wertschöpfungskette zwischen Tier-2, Tier-1 und OEM abdecken.

Die systemische Wärmesimulation von HV-Komponenten auf der Grundlage von Ersatzschaltbildern liefert Daten für ein optimiertes Design, bei dem mittels realer dynamischer Simulation sichtbar wird, wie oft Komponenten an der Temperaturgrenze betrieben werden dürfen, um die geforderte Langzeitstabilität und Zuverlässigkeit des Gesamtsystems zu erreichen. Diese Datengrundlage erlaubt bei optimierter Auslegung des HV-Pfades einen größeren Sicherheitszuwachs, weil die simulierte thermische Belastung die Realität und mögliche Alterungsprozesse berücksichtigen kann.

Es wird das thermische Verhalten der Komponenten im Bordnetz simuliert, wobei akkumulierte Testprofile auf Basis dynamischer Lasten als Basis für den Komponententest dienen. Ziel ist es, die Komponenten des HV-Pfades so auszulegen, dass sie die kurzzeitige dynamische Last beim HPC DC (10 Minuten) mit hoher Leistung einerseits über den gesamten Lebenszyklus hinweg sicher tragen, während gleichzeitig eine statische Überdimensionierung vermieden wird. Die Simulation macht Hot Spots (vor allem passive Komponenten mit geringer thermischer Masse) sichtbar, die sich dann frühzeitig durch konstruktive Maßnahmen optimieren lassen. Damit leistet die systemische Thermosimulation von HV-Komponenten in der Entwicklung auch einen großen Beitrag zur Verbesserung der Validierungsgenauigkeit.

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