Übergang vom reaktiven zum proaktiven Wärmemanagement

Helix-Siliziumkarbid-Inverter. (Bild:Helix)

In einem Stromkreis treffen fließende Elektronen auf die Atome im leitenden Material und versetzen diese Atome in Schwingungen. Wärmeenergie ist die gesamte kinetische und potentielle Energie von Teilchen in einem Raumbereich, daher manifestiert sich diese Energieübertragung von Elektronen auf Teilchen als kinetische Energie als Wärme.

Je größer der Widerstand, desto häufiger kommt es zu Stößen und desto größer ist die Wärmeentwicklung. Ein größerer Widerstand erzeugt nicht nur mehr Wärme, sondern bei Metallen erzeugt dieser Wärmeanstieg auch mehr Widerstand.

Aufgabe des Wärmemanagements ist es, Wege zu finden, diese Wärme abzuleiten und zu verhindern, dass diese Rückkopplungsschleife die elektrische Effizienz und Leistung eines Systems erheblich beeinträchtigt. Dies ist auch der Schlüssel zur Langlebigkeit von Permanentmagneten, da die Partikel, aus denen das magnetische Material besteht, ihre magnetische Ausrichtung verlieren, wenn sie zu viel kinetische Energie aufnehmen – das heißt, sie werden entmagnetisiert.

Dies alles macht das Wärmemanagement für den Motor eines Elektrofahrzeugs von entscheidender Bedeutung. Doch neben dem Grundproblem des Widerstands und der Erwärmung müssen sich EV-Motoren auch mit anderen Wärmequellen auseinandersetzen, wie z. B. Wirbelströmen im Statoreisen des Motors, viskosen Verlusten in Lagern und Hochfrequenzverlusten, die durch schnell schaltende Wechselrichter entstehen.

Echtzeit-Intelligenz

Neben der Rückkopplungsschleife von Temperatur und Widerstand (der Widerstand von Kupfer steigt bei jeder 100 Grad Temperatur um 40 Prozent) kommt hinzu, dass sich die elektrische Isolierung um die Statorwicklungen schnell verschlechtert, wenn es zu heiß wird. Eine Faustregel besagt, dass sich der Isolationswiderstand bei einem Temperaturanstieg von 10 Grad halbiert und bei einer bestimmten Temperatur die Isolierung vollständig zusammenbricht.

Dies macht das Motor-Wärmemanagement in Elektrofahrzeugen zu einer sehr komplexen Aufgabe, der frühzeitig entgegengewirkt werden muss. Ein einziger Hotspot, der unentdeckt bleibt, kann dazu führen, dass der Motor eines Elektrofahrzeugs unglaublich schnell und dauerhaft beschädigt wird.

Dies bedeutet, dass das Wärmemanagement von Elektrofahrzeugen ein Eingriff ist, der Echtzeitinformationen über den Motorzustand erfordert, selbst wenn wie üblich eine aktive Flüssigkeitskühlung eingesetzt wird. Neben der Verbesserung der tatsächlichen Motorleistung und vor allem der Batterieleistung kann diese Art von Echtzeitintelligenz Innovationen im Wärmemanagement, der Heizung und Kühlung des gesamten Fahrzeugs ermöglichen – verkörpert durch Technologien wie das Tesla Octovalve, das mehrere Kühlmittel- und Heizsysteme integriert, um das Wärmemanagement eines gesamten Fahrzeugs zu zentralisieren und zu rationalisieren.

Konturdiagramm des Flüssigkeitsdrucks des Kühlmittelkanals. (Bild:Helix)

Doch wo genau kommt diese Echtzeit-Intelligenz her? Das Erfassen präziser Wärmemesswerte eines gesamten Elektrofahrzeugmotors ist keine leichte Aufgabe, insbesondere bei der Auflösung, die erforderlich ist, um Hotspots so schnell und genau zu identifizieren, wie es erforderlich ist, um sie nutzbar zu machen. Es sind zahlreiche Live-Temperaturmessungen im Inneren des Motors und des Motorkühlmittels erforderlich, die die Rotor- und Statorwicklungen abdecken.

Direkte und indirekte Methoden

Es gibt zwei Möglichkeiten, diese Temperaturinformationen zu erhalten. Die erste ist die direkte Methode, bei der Sensoren direkt vor Ort platziert werden, um eine Echtzeit-Temperaturmessung zu ermöglichen, d. h. mithilfe von Thermistor- oder Thermoelementsensoren in direktem Kontakt oder Rotormessungen über Infrarotsensoren. Dies ist der intuitivste Weg, diese Aufgabe zu erledigen, bringt jedoch einige erhebliche Komplikationen mit sich:eine Zunahme der Komplexität, Fehlerquellen und höhere Qualitätskosten für die Sensoren selbst.

Motoren mit skalierbarer Helix-Kerntechnologie. (Bild:Helix)

Die Installation und Verkabelung zahlreicher Sensoren in einem Motor stellt eine Herausforderung in Bezug auf Verkabelung, Verpackung und Wartung dar, die einen erheblichen zusätzlichen technischen Aufwand erfordert und möglicherweise Kompromisse bei Effizienz und Leistung erfordert. Und der Ausfall nur eines einzigen Sensors kann zu falschen Messwerten führen, die die Wärmemanagementstrategien durcheinander bringen, was zu Leistungs- und Effizienzverlusten und zur Unzufriedenheit der Kunden führt.

Dies führt zur indirekten Methode:der Verwendung gekoppelter elektromagnetischer und thermischer Modellierung. Indem wir ein ausgeklügeltes Modell dafür entwickeln, wie sich ein Motor unter verschiedenen elektrischen und thermischen Bedingungen verhält, können wir dieses mit Sensoren kombinieren, die bereits in und um einen Motor herum eingesetzt werden. Beispielsweise können wir Informationen von Strom- und Positionssensoren nutzen, die ansonsten erforderlich sind und zudem hohe Anforderungen an die funktionale Sicherheit erfüllen müssen, gekoppelt mit einer einzigen Kühlmitteltemperaturmessung. Daraus können wir dann anhand von Echtzeitmodellen ableiten, wie die Wärmeverteilung im gesamten System zu jedem Zeitpunkt aussieht.

Elektrothermische Modellierung

Die Herausforderung bei der Verwendung elektrothermischer Modellierung anstelle von Sensoren besteht darin, dass es sich um eine indirekte Methode handelt. Das bedeutet, dass Sie nun auf die Anwendbarkeit und Genauigkeit Ihres Modells angewiesen sind, was wiederum ausreichende Tests erfordert, um es zu entwickeln und zu verfeinern, sowie genügend Rechenleistung, um das Modell auszuführen und die notwendigen Temperaturrückschlüsse zu ziehen.

Konturdiagramm der Statortemperatur. (Bild:Helix)

Daher ist dieser Ansatz besonders stark von der Kompetenz der Ingenieurteams abhängig, die hinter einem Motor und einem Fahrzeug stehen. Darüber hinaus erfordert es, wie bei jedem Messmittel, ein Verständnis seiner Genauigkeit und der angemessenen Einstellung der Grenzwerte.

Aber die Vorteile dieses Ansatzes sind beträchtlich, wenn er richtig durchgeführt wird. Es sind keine Kompromisse erforderlich, um Sensoren und ihre Verkabelung innerhalb und um einen Motor herum unterzubringen, was bedeutet, dass die Daten zum Wärmemanagement weder Effizienz noch Leistung beeinträchtigen müssen.

Dieser Ansatz reduziert auch Fehlerquellen in einem Motor und einem Elektrofahrzeug. Entscheidend ist, dass ein Modell, wenn es ausgereift genug ist, auch über erhebliche Vorhersagefähigkeiten verfügt und gut geeignet ist, das Wärmemanagementsystem anzuweisen, die Bildung von Hotpots vollständig zu verhindern und einen Motor kontinuierlich in einem stabilen Zustand mit optimaler Leistung zu halten.

Dieser Übergang vom reaktiven zum präventiven Wärmemanagement ist besonders wichtig für die Verbesserung von Leistung, Effizienz und Lebensdauer. Durch die Aufrechterhaltung einer gleichmäßigen, stabilen Temperatur und die Minimierung selbst kleiner vorübergehender Störungen dieses stabilen Zustands werden Wärmemanagementsysteme, die durch gekoppelte elektrothermische Modellierung unterstützt werden, der Schlüssel dazu sein, die Grenzen der Qualität von Elektrofahrzeugmotoren zu erweitern. Tatsächlich ist es möglicherweise besser, Temperatursensoren als einen suboptimalen Ersatz für eine gute elektrothermische Modellierung zu betrachten, anstatt sie als indirekten Ersatz für einen Temperatursensor zu betrachten.

Dieser Artikel wurde von Andrew Cross, Chief Innovation Officer, Helix (Milton Keynes, Großbritannien) verfasst. Weitere Informationen finden Sie hier.