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Elektroautos werden Verbrenner künftig von der Straße verdrängen. Bei ihrer Entwicklung müssen Ingenieure aber auf einige Gefahren bezüglich des Wärmemanagements achten.

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Thermische Simulation in der Elektromobilität (Promotion) Gefährliche Temperaturen in E-Autos vermeiden

01.04.2020

Beim Übergang zur Produktion von E-Fahrzeugen sieht sich die Automobilindustrie mit einer Reihe von Herausforderungen konfrontiert. Dabei wird deutlich, dass die thermische Simulation für den Zieltermin der breiten Markteinführung absolut entscheidend sein wird.

Die Tage der diesel- und benzinbetriebenen Fahrzeuge sind ohne die flächendeckende Einführung von synthetischen Antriebsmitteln gezählt. E-Mobility ist in aller Munde. Wie jede bedeutende Entwicklung bringt dieser Technologieumbruch eine Menge Aufregung, aber auch eine große Anzahl von Herausforderungen mit sich, welche in Kürze der Zeit gelöst werden müssen.

Thermischer Teufelskreis bei Elektrofahrzeugen

Lithium-Ionen-Batterien müssen innerhalb eines strengen, engen Fensters der Betriebstemperatur gehalten werden. Umgebungen unter 0 °C verlangsamen die chemischen Reaktionen innerhalb der Batterie, was sich auf die Leistung und Reichweite des Fahrzeugs auswirkt. Sind die Umgebungsbedingungen über 30 °C, beginnt sich die Batterieleistung exponentiell zu verschlechtern – bei Temperaturen über 40 °C können sogar irreversible Schäden auftreten. Der optimale Temperaturbereich für Lithium-Ionen-Batterien liegt in der Regel zwischen 20°C und 30°C.

Doch leider sind das nicht die einzigen Herausforderungen für die Ingenieure, wenn es um das Wärmemanagement von Elektroautos geht. In dieser Technik arbeitet man mit hohen Strömen, welche die metallischen Leiter aufgrund des elektrischen Widerstands und den durchströmten Leiterquerschnitt stark erwärmen.

Zusätzlich erwärmen sich elektrische Komponenten, wie die Sicherungen, der Shunt oder die Schützen, die für das Routing von Lade- und Entladeschaltung zuständig sind. Ganz zu schweigen von den Steuereinheiten, welche extremen Umweltbedingungen standhalten müssen, ohne dass deren Verlustleistungen zu einem thermischen Ausfall führen.

Einfach ausgedrückt ist dies eine Situation, in der eine erhöhte Umgebungstemperatur den Betrieb der leistungselektronischen Vorrichtung verändert, was zu einem Teufelskreis weiterer Temperaturanstiege führt. Wenn die Sperrschichttemperatur steigt, erhöht sich der Durchlasswiderstand der Transistoren, was wiederum zu einer stärkeren Erwärmung der Sperrschicht führt. Das Endergebnis ist ein Durchbrennen der Elektronik und der Ausfall von Komponenten, was in Automobilanwendungen unglaublich gefährlich sein könnte.

6SigmaET kann dies alles abbilden

Aufgrund der Einsatzbereiche einer CFD-Software in der Elektronikgeräte-Entwicklung ist es eigentlich ein Leichtes, die Wissenschaft mit dem Ingenieurswesen zu verbinden und durch smarte Automatismen in der Software viele komplexe Einstellungen vorwegzunehmen. Hier bedarf es eines „branchenspezifischen“ CFD-Tools wie 6SigmaET (Electronic Thermal).

Folgende Funktionen erleichtern dem Ingenieur den Modellaufbau und ermöglichen eine CFD-Berechnung des Gesamtsystems, ohne Einzelberechnungen über abgeschätzte Wärmeübergänge künstlich mit Rundungsfehlern und Ungenauigkeiten zusammenzubauen:

  • Import Ihrer CAD-Daten ohne investierte Zeit für die Vereinfachung

  • Import Ihrer Platinendetails

  • Multifluid-Möglichkeiten, das heißt Einsatz eines Pumpen-Fluidkreislaufes und der Umgebungsluft in „einem“ Modell

  • temperaturabhängige Verlustleistungen

  • temperaturabhängiger elektrischer Widerstand für die Joulesche Berechnung

  • Mikrostrukturen (Silberstruktur in Sicherungen) in 2,5-m-Bodengruppen sind vernetzbar

  • transiente Schaltvorgänge sind regel- und simulierbar

Die Software gibt es als kostenlose Testversion; die Dienstleistung kostet keine Unsummen und ist relativ schnell umgesetzt. Doch die Entscheidung bleibt bei Ihnen. Wir, Alpha-Numerics, beraten Sie gerne.

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  • Mit einer geeigneten Software lassen sich alle wärmerelevanten Komponenten eines E-Autos thermisch simulieren.

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