KEM Konstruktion Automobilkonstruktion 02.2019

ELEKTROMOBILITÄT
LADETECHNIK
TE Connectivity (TE) setzt neues Auslegungsverfahren für Hochvolt-Strompfade ein
Fahrzeugkonstruktion für
das Super-Schnellladen
Um ein Elektrofahrzeug so flexibel nutzen zu können wie einen Verbrenner, muss vor allem das Laden schnell
gehen. DC-Ladestationen mit hohen Ladeströmen machen es möglich, in rund zehn Minuten Strom für mehrere
hundert Kilometer „nachzutanken“. Allerdings muss der Strompfad für diesen Energiezufluss anders ausgelegt
werden als bisher. Dazu dient ein dynamisches thermisches Simulationsverfahren.
Uwe Hauck, Director Global Technology Electric Vehicle and Mobility Solutions, TE Connectivity
Bild: TE Connectivity
Fahrprofil mit Lastprofil beim HPC zum Vergleich
Für den Erfolg der Elektromobilität spielt das Laden eine Schlüsselrolle:
Eine Fahrzeugbatterie kann aus Gewichts- und Kostengründen
nicht beliebig groß bemessen werden und muss schnell geladen
werden können. Nur so lassen sich ohne Kompromisse auch
Langstrecken zurücklegen. Die Voraussetzung dafür schafft das künftige
Super-Schnellladen mit Gleichstrom (DC High Power Charging,
HPC) und beispielsweise 350 kW Ladeleistung. Mit HPC soll es
möglich sein, in maximal zehn Minuten rund 300 km Reichweite
nachzutanken. Außerdem werden HPC Ladestationen durch die hohe
Ladeleistung schnell wieder frei und können so dem nächsten
Fahrzeug zur Verfügung stehen. Das heißt im Klartext jedoch, dass
während einer 10-minütigen Ladephase so viel Strom ins Fahrzeug
fließt, wie im Verlaufe mehrerer Stunden Fahrbetrieb aus der Batterie
entnommen wird. Die starke Erwärmung der stromführenden
Komponenten beim HPC ist zudem im Stillstand kritischer als beim
Fahren, weil im Stand keine Konvektion für die Kühlung verfügbar
ist. Es liegt nahe, dass man den Strompfad im Fahrzeug dafür entsprechend
auslegen muss, damit er trotz der physikalisch unvermeidlichen
Verlustwärme bei bis zu 500 A nicht zu heiß wird. Andererseits
darf man ihn aber auch nicht überdimensionieren, so dass
vermeidbares zusätzliches Gewicht die Reichweite verringert. Für
den Konstrukteur bedeutet das, eine sichere Balance zwischen „zu
viel Wärme“ und „zu wenig Kühlung“ zu finden – und dafür auch den
Nachweis antreten zu können.
Auslegung rein nach Querschnitt hat Grenzen
Mit heutigen Auslegungsverfahren lässt sich die Dimensionierung
aller Komponenten des Strompfades für das HPC nicht realistisch
vornehmen. Das liegt daran, dass bisherige Auslegungsverfahren
zwar dem dynamischen Fahrbetrieb mit seinen hohen Lastwechseln
durch quantisierte Testprofile näherungsweise folgen, sich unregelmäßig
wiederholende und verdichtete hohe Lastspitzen oder die hohe
Dauerlast des HPC aber nicht ausreichend berücksichtigen. Die
Herausforderung liegt darin, dass jede Komponente entlang des
Strompfades von der Ladeschnittstelle bis zur Batterie anderen
Randbedingungen zur Wärmeabfuhr unterliegt und eine sehr unterschiedliche
thermische Masse aufweisen kann. Damit besteht das
Risiko, dass vor allem kleine Komponenten mit geringer Masse
beim Laden schnell einen adiabatischen Zustand einnehmen, der für
die Dauerhaltbarkeit der Komponenten potenziell kritisch sein kann.
Will man eine Auslegung rein nach Querschnitt vermeiden, so muss
man den gesamten Strompfad mit allen seinen Komponenten in seinem
thermischen Verhalten realitätsnah simulieren können. Genau
das leistet ein systemisches Verfahren für die thermische Simulation
des Strompfades im Elektroauto, welches bei TE zum Einsatz
kommt und maßgeblich vom Unternehmen entwickelt und validiert
wurde. Dieses Verfahren (Model-based Thermal Management)
macht sich zunutze, dass das thermische und elektrische Verhalten
direkt und linear aneinander gekoppelt sind. Für die thermische Simulationen
dienen Ersatzschaltbilder dazu, dieses Verhalten abzubilden:
So wie eine Spannung einen Strom durch einen Widerstand
treibt, erzeugt eine Temperaturdifferenz einen Wärmetransport. Die
physikalisch unterschiedlichen Transportformen (Wärmeleitung, Konvektion,
Strahlung) werden im Ersatzschaltbild jeweils als Widerstand
abgebildet. Hinterlegte mathematische Formeln im Kompo-
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