Overgang van reactief naar proactief thermisch beheer

Helix siliciumcarbide-omvormer. (Afbeelding:Helix)

In een elektrisch circuit botsen stromende elektronen tegen de atomen in het geleidende materiaal en zorgen ervoor dat die atomen gaan trillen. Thermische energie is de totale kinetische en potentiële energie van deeltjes binnen een gebied in de ruimte, dus deze overdracht van energie van elektronen naar deeltje als kinetische energie manifesteert zich als warmte.

Hoe groter de weerstand, hoe vaker de stoten voorkomen en dit betekent een grotere warmteontwikkeling. Niet alleen genereert een grotere weerstand meer warmte, maar bij metalen genereert deze toename van de warmte ook meer weerstand.

Het is de taak van het thermisch beheer om manieren te vinden om deze warmte weg te leiden en te voorkomen dat deze feedbacklus de elektrische efficiëntie en prestaties van een systeem aanzienlijk vermindert. Het is ook de sleutel tot een lange levensduur van permanente magneten, omdat de deeltjes waaruit magnetisch materiaal bestaat hun magnetische uitlijning zullen verliezen als ze te veel kinetische energie oppikken – dat wil zeggen:ze zullen demagnetiseren.

Dit alles maakt het thermisch beheer van cruciaal belang voor de motor van een EV. Maar naast het fundamentele probleem van weerstand en verwarming hebben EV-motoren ook te maken met andere warmtebronnen, zoals de wervelstromen in het statorijzer van de motor, stroperige verliezen in lagers en hoogfrequente verliezen als gevolg van snel schakelende omvormers.

Realtime informatie

Samen met de feedbacklus van temperatuur en weerstand (de weerstand van koper neemt met elke 100 graden temperatuur toe met 40 procent) is er ook het feit dat de elektrische isolatie rond statorwikkelingen snel verslechtert als het te heet wordt. Eén vuistregel is dat voor elke 10 graden temperatuurstijging de isolatieweerstand halveert en dat bij een bepaalde temperatuur de isolatie volledig kapot gaat.

Dit maakt het motorthermisch beheer in elektrische voertuigen tot een zeer complexe taak, die vroegtijdig moet worden aangepakt. Eén enkele hotspot die onopgemerkt blijft, kan ervoor zorgen dat de motor van een EV ongelooflijk snel verslechtert, met blijvende gevolgen.

Dit betekent dat het thermisch beheer van EV's een interventie is die real-time intelligentie over de motoromstandigheden vereist, zelfs wanneer actieve vloeistofkoeling wordt ingezet, zoals gebruikelijk is. Naast het verbeteren van de daadwerkelijke motorprestaties, en nog belangrijker, van de batterijprestaties, kan dit soort real-time intelligentie innovaties mogelijk maken op het gebied van thermisch beheer, verwarming en koeling van alle voertuigen – wat tot uiting komt in technologieën als de Tesla Octovalve, die meerdere koel- en verwarmingssystemen integreert om het warmtebeheer van een volledig voertuig te centraliseren en te rationaliseren.

Contourgrafiek van de vloeistofdruk van het koelkanaal. (Afbeelding:Helix)

Maar waar komt deze real-time intelligentie precies vandaan? Het verzamelen van nauwkeurige warmtemetingen van een hele EV-motor is geen gemakkelijke taak, vooral niet vanwege de resolutie die nodig is om hotspots zo snel en nauwkeurig te identificeren als nodig is om ze bruikbaar te maken. Er zijn talloze live temperatuurmetingen in de motor en van de koelvloeistof van de motor nodig, waarbij de rotor- en statorwikkelingen worden bestreken.

Directe en indirecte methoden

Er zijn twee manieren om deze temperatuurinformatie te verkrijgen. De eerste is de directe methode, door sensoren direct in situ te plaatsen om een ​​realtime temperatuurmeting te leveren, dat wil zeggen door gebruik te maken van een thermistor- of thermokoppelsensor in direct contact, of rotormetingen via infraroodsensoren. Dit is de meest intuïtieve manier om deze taak uit te voeren, maar brengt enkele grote complicaties met zich mee:een toename van de complexiteit, faalpunten en de kwaliteitskosten voor de sensoren zelf.

Helix schaalbare kerntechnologiemotoren. (Afbeelding:Helix)

Het installeren en bedraden van talloze sensoren in een motor brengt een bedradings-, verpakkings- en onderhoudsuitdaging met zich mee die aanzienlijke extra engineering vereist om aan te pakken en waarvoor mogelijk compromissen op het gebied van efficiëntie en prestaties nodig zijn. En het falen van slechts één enkele sensor kan resulteren in valse metingen die de thermische beheerstrategieën in de war brengen, wat resulteert in prestatieverlies, efficiëntie en ontevredenheid van de klant.

Dit brengt de indirecte methode naar voren:het gebruik van gekoppelde elektromagnetische en thermische modellering. Door een geavanceerd model te ontwikkelen van hoe een motor zich gedraagt ​​onder verschillende elektrische en thermische omstandigheden, kunnen we dit koppelen aan sensoren die al in en rond een motor zijn ingezet. We kunnen bijvoorbeeld informatie van stroom- en positiesensoren gebruiken die anders nodig zijn en ook moeten voldoen aan strenge functionele veiligheidsnormen, gekoppeld aan een enkele koelvloeistoftemperatuurmeting. Hieruit kunnen we vervolgens uit real-time modellen afleiden hoe de warmteverdeling er op elk moment in het systeem uitziet.

Elektrothermische modellering

De uitdaging bij het vertrouwen op elektrothermische modellering in plaats van sensoren is dat het een indirecte methode is. Dit betekent dat u nu afhankelijk bent van de toepasbaarheid en nauwkeurigheid van uw model, wat op zijn beurt voldoende tests vereist om het te ontwikkelen en te verfijnen, samen met voldoende rekenkracht om het model uit te voeren en de nodige temperatuurafleidingen te maken.

Statortemperatuurcontourgrafiek. (Afbeelding:Helix)

Als gevolg hiervan is het een aanpak die bijzonder sterk leunt op de verfijning van de technische teams achter een motor en een voertuig. Bovendien vereist het, net als bij elk meetmiddel, inzicht in de nauwkeurigheid ervan en het op de juiste manier instellen van limieten.

Maar de voordelen van deze aanpak zijn, als ze goed worden uitgevoerd, aanzienlijk. Er zijn geen compromissen nodig om sensoren en hun bedrading in en rond een motor te huisvesten, wat betekent dat gegevens over thermisch beheer de efficiëntie of prestaties niet in gevaar hoeven te brengen.

Deze aanpak vermindert ook de faalpunten bij een motor en een EV. Cruciaal is dat als een model geavanceerd genoeg is, het ook een aanzienlijk voorspellend vermogen kan hebben en goed geplaatst kan zijn om het thermische beheersysteem te instrueren om de vorming van hotpots volledig te voorkomen en een motor in een continue stabiele staat van optimale prestaties te houden.

Deze verschuiving van reactief naar preventief thermisch beheer is vooral belangrijk voor het verbeteren van de prestaties, efficiëntie en levensduur. Door een uniforme, stabiele temperatuur te handhaven en zelfs kleine tijdelijke verstoringen van een dergelijke stabiele toestand te minimaliseren, zullen thermische beheersystemen, ondersteund door gekoppelde elektrothermische modellering, van cruciaal belang zijn om de grenzen van de kwaliteit van EV-motoren te verleggen. In plaats van een indirecte vervanging voor een temperatuursensor te zijn, is het misschien beter om temperatuursensoren te beschouwen als een suboptimale vervanging voor goede elektrothermische modellering.

Dit artikel is geschreven door Andrew Cross, Chief Innovation Officer, Helix (Milton Keynes, VK). Voor meer informatie kunt u hier terecht.