Thermomanagement für Elektrofahrzeuge

Das Thermomanagement für Elektrofahrzeuge (Electric Vehicle, EV) umfasst die Regelung der Temperatur des Fahrzeuginnenraums und kritischer Komponenten wie Batterie, Leistungselektronik und Motor. Neben der Gewährleistung von Sicherheit und Komfort spielt ein gut entwickeltes Thermomanagementsystem für Elektrofahrzeuge eine wichtige Rolle für die Fahrzeugeffizienz, die Schnellladefähigkeit, die Lebensdauer der Komponenten und die Gesamtreichweite.

Die Bedeutung des Thermomanagement für Elektrofahrzeuge

Sicherheit

• Vermeidung des thermischen Durchgehens der Batterie: Durch die Regelung der Zell- und Packtemperaturen verringert ein Batteriethermomanagementsystem das Risiko einer Überhitzung und eines thermischen Durchgehens des Batteriepacks.
• Schutz von Motor und Leistungselektronik: Durch die kontinuierliche Überwachung der Kühlmitteltemperaturen und der Sperrschichttemperaturen der Leistungselektronik lassen sich Bedingungen vermeiden, die Komponenten beschädigen oder zu unsicheren Betriebszuständen führen könnten.

Leistung

• Schnellladefähigkeit: Die Batterietemperatur hat einen starken Einfluss auf die Grenzwerte für den Ladestrom. Indem die Batterietemperatur in einem optimalen Bereich gehalten wird, ist ein schnelleres und gleichmäßigeres DC-Schnellladen möglich.
• Hochleistungsbetrieb: Die Aufrechterhaltung eines sicheren Temperaturbereichs für Wechselrichter und Motoren ermöglicht eine dauerhaft hohe Beschleunigungs- und Steigleistung ohne Leistungsreduzierung.

Komfort

• Klimaregelung: Das System regelt die Temperatur im Fahrzeuginnenraum mithilfe von Wärmepumpen oder einem herkömmlichen Dampfkompressionskältesystem.
• Integrierte Erwärmung und Kühlung: Die Abwärme des Motors oder der Leistungselektronik kann zum Beheizen des Fahrzeuginnenraums genutzt werden. Zudem können Batteriekühlkreisläufe in den Kältemittelkreislauf integriert werden, um thermische Ressourcen effizient gemeinsam zu nutzen und so die Reichweite des Fahrzeugs zu erhöhen.

Langlebigkeit

• Verlängerung der Batterielebensdauer: Eine länger anhaltende Einwirkung extremer Temperaturen zu vermeiden, verlangsamt die chemische Degradation und den Kapazitätsverlust.
• Lebensdauer von Elektronik und Motor: Stabile thermische Bedingungen reduzieren die Belastung durch Temperaturwechsel in Leistungshalbleitern und Motorwicklungen.

Entwicklung und Simulation eines Thermomanagementsystems für Elektrofahrzeuge mit MATLAB und Simulink

MATLAB^® und Simulink^® bieten eine umfassende Umgebung für die Modellierung, Simulation und Optimierung von Thermomanagementsystemen für Elektrofahrzeuge. Folgende Optionen stehen Ihnen zur Verfügung:

• Thermisches Verhalten von Batterien, Motoren und Leistungselektronik modellieren
• Modelle vollständiger Kühlmittel-, Luft- und Kältemittelkreisläufe für Gesamtfahrzeuge entwickeln, die Echtzeitsimulationen unterstützen
• Regelungsalgorithmen für den Betrieb von Kompressoren, Ventilen und Pumpen in verschiedenen Betriebsmodi entwickeln
• Komponententemperaturen, Leistungsaufnahme und Wärmeströme überwachen, um auch unter extremen Bedingungen einen sicheren und leistungsfähigen Betrieb sicherzustellen
• Energieverbrauch, Reichweite, Leistungsreduzierung, Alterung und weitere thermische Effekte simulieren, um das System für reale Betriebsbedingungen zu optimieren

Thermisches Verhalten von Komponenten erfassen

Mit Simscape™, Simscape Electrical™ und Simscape Battery™ können Sie modellieren, wie Komponenten von Elektrofahrzeugen unter realen Betriebsbedingungen Wärme erzeugen und übertragen. Simscape Electrical bildet thermische Effekte direkt in Komponentenmodellen ab und berücksichtigt dabei bei Motoren Widerstandsverluste in den Wicklungen sowie Eisenverluste durch Wirbelströme und Hysterese. Darüber hinaus wird die durch Schaltvorgänge und Leitungsverluste in der Leistungselektronik erzeugte Wärme simuliert. Diese Effekte können Ihnen helfen, den Temperaturanstieg von Komponenten im stationären Betrieb und bei transienten Ereignissen wie Spitzen-Drehmomentanforderungen oder Bergauffahrten nachzuvollziehen.

Simscape Battery bildet das thermische Verhalten auf Zell-, Modul- und Packebene detailliert ab. Sie können die Wärmeübertragung zwischen den Zellen, von den Zellen zur Kühlplatte und von den Zellen an die Umgebung abbilden, indem Sie Wärmeleitungs- und Konvektionspfade definieren. Vorgefertigte Blöcke für Kühlplatten mit parallelen, U-förmigen und randseitigen Kühlkonfigurationen ermöglichen es Ihnen, zu untersuchen, wie sich unterschiedliche Plattenausführungen auf die Temperaturgleichmäßigkeit auswirken und Hotspots beim Schnellladen, bei Hochleistungsentladung und beim regenerativen Bremsen reduzieren. Mit diesen Modellen können Sie außerdem die thermische Leistungsanalyse von Batteriepacks mit unterschiedlichen Alterungsgraden durchführen, um die Garantiekriterien am Ende der Lebensdauer zu erfüllen.

Durch die Erfassung dieses thermischen Verhaltens auf Komponentenebene können Sie transiente Temperaturanstiege vorhersagen, Betriebsgrenzen bewerten und nachvollziehen, welchen Beitrag die einzelnen Komponenten zum gesamten thermischen Bedarf des Fahrzeugs leisten.

Kühl- und Heizarchitekturen modellieren

Mit Simscape und Simscape Fluids™ können Sie vollständige Thermomanagementsysteme für Elektrofahrzeuge modellieren, darunter Kühlmittelkreisläufe für Motoren, Batterien und Leistungselektronik, Kältemittelkreisläufe für die Klimatisierung des Fahrzeuginnenraums und die Batteriekühlung sowie Wärmepumpensysteme für eine effiziente Beheizung bei kalten klimatischen Bedingungen. Komponenten in den Domänen für feuchte Luft, Flüssigkeiten, thermische Systeme und Kältemittel – darunter Pumpen, Kompressoren, Ventile, Kühlplatten, Kondensatoren, Verdampfer und Rohrleitungsnetze – können mithilfe von Ausrüsterdaten oder Testmessungen parametrisiert werden. Mit diesem Ansatz können Sie realistisches Strömungsverhalten, die Wärmeübertragungsleistung und Betriebsgrenzen abbilden und dabei Druckverluste, Leistungsaufnahme und andere Randbedingungen bei der Entwicklung berücksichtigen.

Nachdem Sie die Systemarchitektur modelliert haben, können Sie Fahrzyklus- und transiente Simulationen durchführen, um das Zusammenspiel der Kühlmittel- und Kältemittelkreisläufe beim Schnellladen, beim Start nach längerer Kälteeinwirkung und bei Fahrten an starken Steigungen zu untersuchen. Sie können außerdem aktive, passive und hybride Kühlstrategien vergleichen, Pumpen, Kühlplatten und Wärmetauscher für Worst-Case-Szenarien dimensionieren und die Kompromisse zwischen flüssigkeits-, kältemittel- und luftunterstützten Kühlstrategien untersuchen. Mithilfe dieser Simulationen können Sie quantifizieren, wie sich die Heiz- und Kühllasten des Fahrzeuginnenraums auf die Fahrzeugreichweite auswirken, und die Performance-Vorteile des Wärmepumpenbetriebs gegenüber einer Widerstandsheizung bewerten. Indem Sie diese Kompromisse in einer einzigen Modellierungsumgebung untersuchen, können Sie alternative thermische Architekturen bewerten und Systeme entwickeln, die die Anforderungen an Performance und Effizienz erfüllen.

Regelungen für das Thermomanagement für Elektrofahrzeuge entwickeln

Beim Thermomanagement für Elektrofahrzeuge werden die Temperaturen von Batterie, Motor, Leistungselektronik und Fahrzeuginnenraum an sich ändernde Umgebungsbedingungen, Leistungsanforderungen und Komfortanforderungen angepasst. Simulink^® bietet eine strukturierte Umgebung für die Entwicklung von Regelungsstrategien mithilfe von Model-Based Design. So können Ingenieure geschlossene Regelkreise entwickeln, die Vorsteuerungs- und PID-Verfahren für die Ventilansteuerung, die Regelung des Massenstroms (Pumpe) und die Auswahl von Wärmeübertragungspfaden kombinieren. Dieselbe Umgebung unterstützt auch fortschrittlichere Ansätze wie die dynamische Programmierung für ein prädiktives Thermomanagement. Mit Stateflow^® können Sie eine übergeordnete Steuerungslogik definieren, die abhängig von der Batterietemperatur, den Umgebungsbedingungen und den Randbedingungen zwischen verschiedenen Betriebsmodi wechselt.

Durch die Integration physikalischer Modelle und der Regelungslogik in einer einzigen Simulationsumgebung können Sie übergeordnete Thermomanagementstrategien bereits in einer frühen Phase des Entwicklungszyklus entwickeln und testen und so kostspielige Änderungen an der Hardware reduzieren. Sie können untersuchen, wie und wann das Drehmoment oder die Ladeleistung beim Annähern an thermische Grenzwerte reduziert werden sollte, quantifizieren, wie sich unterschiedliche Betriebsmodi auf den Energieverbrauch und die Fahrzeugreichweite auswirken, und schnell Was-wäre-wenn-Analysen für verschiedene Fahrzyklen und Umgebungsbedingungen durchführen. Darüber hinaus können Sie Regelungsstrategien optimieren, um die Anforderungen an Performance, Sicherheit und Effizienz bereits vor Tests am Fahrzeug oder Hardware-in-the-Loop-(HIL)-Tests zuverlässiger zu erfüllen.

ROMs erstellen, Code generieren und HIL-Tests durchführen

Mit Simulink, Embedded Coder^® und HDL Coder™ können Sie effizienten C/C++ oder HDL-Code aus Ihren Regelalgorithmen sowie Code aus Ihrem Simscape-Anlagenmodell für Rapid Prototyping und die Echtzeitausführung auf dSPACE^®, Speedgoat^® und anderen HIL-Plattformen generieren. Indem Sie Ihre Thermomanagementstrategie vor physischen Tests in einer Echtzeitumgebung testen, können Sie ein sicheres Betriebsverhalten bestätigen, Leistungsreduzierungen und Übergänge zwischen Betriebsmodi bewerten und die Abhängigkeit von kostspieligen und risikobehafteten Hardwaretests verringern.

Komplexe Modelle von Thermomanagementsystemen können aufgrund der stark nichtlinearen zugrunde liegenden Gleichungen von Thermofluidsystemen möglicherweise nicht in Echtzeit ausgeführt werden. Um HIL-Tests mit einem solchen Modell durchzuführen, können Sie aus den numerisch anspruchsvollsten Teilen des physikalischen Modells datenbasierte Modelle reduzierter Ordnung (ROMs) erstellen. Durch die Vereinfachung komplexer Dynamiken auf eine besser handhabbare Form ermöglichen ROMs den Ingenieuren die Durchführung von Simulationen bei gleichzeitiger Beibehaltung der für eine effektive Reglervalidierung erforderlichen Genauigkeit.

Ingenieure können mit MATLAB, Simulink, Simscape und Simscape Fluids fehlerresistente und effiziente Thermomanagementsysteme für Elektrofahrzeuge entwickeln. Durch den Einsatz von Simulation und virtuellen Tests können Teams Entwicklungszyklen beschleunigen, die Zuverlässigkeit erhöhen und die Kosten für physische Prototypen senken. Angesichts steigender Sicherheitsanforderungen und zunehmender Erwartungen an die Performance und Lebensdauer von Komponenten ermöglichen MathWorks Lösungen Ingenieuren, Thermomanagementtechnologien weiterzuentwickeln und Elektrofahrzeuge zu entwickeln, die sicherer, effizienter und langlebiger sind.