28.04.2022 - 17:35

Forschner entwickelt intelligente Lösungen zur Wärmeabfuhr an elektrischen Komponenten

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Mit der zunehmenden Leistungsfähigkeit elektrisch betriebener Fahrzeuge ist unmittelbar eine Erhöhung der Ladeleistung verbunden. Dies stellt die Entwickler, insbesondere im Thermomanagement, vor neue Herausforderungen und bedarf intelligenter Lösungsansätze. Im Fokus sollte daher nicht nur die Batteriekühlung und die damit verbundene Regelung stehen, sondern vielmehr der ganzheitliche Blick auf die Erhöhung des Gesamtwirkungsgrads elektrischer Systeme.

Zunehmende Ladeleistungen, welche zur Reduzierung von Ladezeiten benötigt werden, stellen bereits heute eine Herausforderung für die elektrischen Leitungen (Busbars) und andere Komponenten, wie Sicherungen und Schütze, dar. Die kurzzeitig auftretenden Peakströme von 600 A – 800 A sind hierbei nur ein Teil der Problemstellung im Thermo-Management. Kritischer sind die kontinuierlich hohen Ladeleistungen über lange Ladezeiten von 20-30 Minuten. Bei Ladeleistungen von 300 KW bei PKWs und angedachten Ladeleistungen von 800-1000 kW bei LKWs sowie der damit verbundenen Verlustleistung, gelangen passive Kühllösungen für elektrische Leitungen bereits heute an ihre Grenzen. Aus diesem Grund werden aktive Kühlsysteme für die Wärmeabfuhr benötigt. Diese zusätzlichen Komponenten und die damit verbundene Komplexität erzeugen jedoch Mehrkosten.

Bild 1: Schematische Darstellung verschiedener Ausführungen des Wärmeleitsockels mit unterschiedlichen Gewindeeinsätzen, Bauhöhen und Halter. Auf der rechten Seite sind verschiedene Durchmesser der Gewindeeinsätze für Schrauben dargestellt. Von oben nach unten: M10, M8 und M5. In Cyan ist eine Version eines Halters zu Befestigung des Wärmeleitsockels dargestellt.

Eine Methode, welche aktuell in der Systemintegration von Busbars noch wenig Beachtung findet, ist die Abführung der entstehenden Verlustwärme über Befestigungselemente, die u.a. zur Befestigung von Busbars und Sicherungen genutzt werden können. Genau in diesem Bereich hat die Eugen Forschner GmbH eine Lösung zum Patent angemeldet, welche erheblich zur Reduktion der Leitungstemperatur beiträgt. Unter die Auflagepunkte der Sicherungen werden sogenannte Wärmeleitsockel (siehe Bild 1) angebracht, welche dazu genutzt werden die entstehende Wärme gezielt in das darunter befindliche Gehäuse zu leiten und somit die verfügbare thermische Kapazität des Gesamtsystems zu nutzen. Diese Lösung ermöglicht eine effektive Ableitung der Verlustwärme an das Gehäuse, welches bei Bedarf zusätzlich aktiv gekühlt werden kann. Die Temperaturen der Sicherungen lassen sich ohne aktive Kühlung um 25-30% reduzieren (siehe Bild 3). Die damit verbundene Erhöhung der Dauerleistung und gleichzeitig einhergehende Kosteneinsparung, aufgrund der nicht notwendigen Querschnittserhöhung, bestätigt diesen Ansatz.

Bild 2: Messaufbau zur Vermessung verschiedener Wärmeleitsockel. Für den Aufbau wird eine 250 A Sicherung genutzt und mit 200 A bestromt. Die Sicherung wird dazu auf ein Sockelpaar montiert. Zusätzlich werden Temperatursensoren direkt an der Sicherung als auch unterhalb der Sicherung (rote Kreise) auf dem Gehäuse platziert. Diese dienen zur Ermittlung des thermischen Gradienten.

Die speziell entwickelte und smarte Einbettung eines Gewindeeinsatzes in einen Träger aus Kunststoff gewährleistet dabei eine Durchschlagsfestigkeit von 6 kV (AC). Darüber hinaus werden thermische Interfacewiderstände reduziert und die Anlageflächen maximiert. Das Design ist generell anpassbar auf Kundenwünsche (siehe Bild 1).

Ein Beispiel der Wirkungsweise wird anhand eines Testaufbaus demonstriert. Der Prüfaufbau umfasst 250 A Sicherungen (siehe Bild 2), die mit einem Strom von 200 A betrieben werden. Dabei werden zwei Temperatursensoren auf Höhe der Sicherung und auf dem Gehäuseboden befestigt. Die Sicherung erzeugt eine Verlustleistung von 22,8 W bei 200 A. In der Messung werden am Markt zugängliche Lösungen mit dem Produkt der Eugen Forschner GmbH gegenübergestellt. Das Aluminiumgehäuse unterliegt einer passiven Kühlung (Konvektion) und hat eine thermische Kapazität von 13,1 kJ/K. An der Aufheizkurve (Bild 3) ist deutlich zu erkennen, dass die absolute Temperatur mittels Wärmeleitsockel von 112°C (rote Kurve) auf 79°C (grüne Kurve) reduziert werden kann.

Bild 3: Thermische Vermessung zweier Sicherungshalter. Der grüne Graph stellt den absoluten Temperaturverlauf des Wärmeleitsockels unter Last dar. Im Vergleich zu einem Referenzprodukt, welches im roten Graph dargestellt ist, kann die Temperatur der Sicherung von 112°C um 33 K auf 79°C gesenkt werden.

Mit der Entwicklung des Wärmeleitsockels konnte für laufende Serienprojekte der Eugen Forschner GmbH eine aktive Kühlung der Elektrokomponenten umgangen werden. Diese Lösung trägt somit dazu bei, thermische Herausforderungen effektiv zu lösen und Produktkosten zu senken.


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28.04.2022 17:18