Van reactief naar proactief thermisch beheer: Electrothermische modellering als sleutel

Helix Silicon Carbide Inverter. (Afbeelding: Helix)

De fysica van warmteopwekking

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

Hoe groter de weerstand, hoe frequenter de botsingen en dit betekent grotere warmteopwekking. Niet alleen genereert grotere weerstand meer warmte, maar voor metalen genereert deze toename in warmte meer weerstand.

Het is de taak van thermisch beheer om manieren te vinden om deze warmte af te voeren en te voorkomen dat deze terugkoppeling lus de elektrische efficiëntie en prestaties van een systeem aanzienlijk vermindert. Het is ook cruciaal voor de levensduur van permanente magneten, aangezien de deeltjes die het magnetische materiaal vormen hun magnetische uitlijning verliezen als ze te veel kinetische energie opnemen - dat wil zeggen, ze demagnetiseren.

Dit alles maakt thermisch beheer kritiek voor een EV-motor. Maar naast het basisprobleem van weerstand en verwarmen, moeten EV-motoren ook rekening houden met andere warmtebronnen zoals de wervelstromen in de motor's stator ijzer, visceuze verliezen in lagers, en hoge frequentie verliezen als gevolg van snel-schakelende inverters.

Real-time intelligentie

Naast de terugkoppeling lus van temperatuur en weerstand (koper's weerstand neemt met 40 procent toe per 100 graden temperatuurstijging) is er ook het feit dat de elektrische isolatie rond de statorwikkelingen snel degradeert als het te heet wordt. Een vuistregel is dat voor elke 10 graden temperatuurstijging, de isolatieweerstand halvereert, en op een bepaalde temperatuur de isolatie volledig afbreekt.

Dit maakt motor thermisch beheer in EV's een zeer complexe taak, en een die vroeg moet worden tegengegaan. Een enkele hotspot die ongedetecteerd blijft kan ervoor zorgen dat een EV-motor ongelooflijk snel verslechtert, met permanente gevolgen.

Dit betekent dat EV thermisch beheer een interventie is die real-time intelligentie over motorcondities vereist, zelfs waar actieve vloeistofkoeling wordt toegepast, wat gangbaar is. Naast het verbeteren van de daadwerkelijke motorprestaties, en nog signifikanter batterijprestaties, kan dit soort real-time intelligentie innovaties in complete voertuig thermisch beheer, verwarming en koeling mogelijk maken - geëxemplariseerd in technologieën als de Tesla Octovalve, die meerdere koel- en verwarmingssystemen integreert om het gehele voertuig's warmtebeheer te centraliseren en te rationaliseren.

Koelkanaal vloeistofdruk contour plot. (Afbeelding: Helix)

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 real-time temperatuurmeting te leveren, d.w.z. thermistor of thermocouple sensor in direct contact, of rotor metingen via infrarood sensoren. Dit is de meest intuïtieve manier om de taak aan te pakken, maar het komt met enkele grote complicaties: een toename in complexiteit, foutpunten, en de kosten van kwaliteit voor de sensoren zelf.

Helix Scalable Core Technology Motors. (Afbeelding: Helix)

Het installeren en bedraden van talrijke sensoren binnen een motor presenteert een bedradings-, verpakkings- en onderhoudsuitdaging die aanzienlijke extra engineering vereist om aan te pakken en kan afwegingen in efficiëntie en prestaties vereisen om te accommoderen. En de faling van slechts een enkele sensor kan resulteren in valse metingen die thermische beheerstrategieën in de war schoppen, wat resulteert in verlies van prestaties, efficiëntie, en klanttevredenheid.

Dit brengt de indirecte methode naar voren: het gebruik van gekoppelde elektromagnetische en thermische modellering. Door een gesofisticeerd model te ontwikkelen van hoe een motor zich gedraagt in een verscheidenheid aan elektrische en thermische condities, kunnen we dit koppelen aan sensoren die al in en rond een motor zijn geïmplementeerd. Bijvoorbeeld, we kunnen informatie gebruiken van stroom- en positiet sensoren die anders vereist zijn en ook moet voldoen aan strenge functionele veiligheidsstandaarden, gekoppeld met een enkele koelvloeistof temperatuurmeting. Van deze kunnen we dan afleiden uit real-time modellen hoe de warmteverdeling eruitziet over het systeem op elk moment.

Electrothermische modellering

De uitdaging met het vertrouwen op electrothermische modellering in plaats van sensoren is dat het een indirecte methode is. Dit betekent dat je nu afhankelijk bent van de toepasbaarheid en nauwkeurigheid van je model, wat op zijn beurt voldoende testen vereist om het te ontwikkelen en te verfijnen, samen met voldoende rekenkracht om het model te draaien en de benodigde temperatuurinferenties te maken.

Stator temperatuur contour plot. (Afbeelding: Helix)

Als resultaat is het een benadering die zwaar leunt op de sophistication van de engineering teams achter een motor en een voertuig. Plus, als met elk meetmiddel, vereist het een begrip van de nauwkeurigheid, en het op de juiste manier instellen van limieten.

Maar de voordelen van deze aanpak, als het goed gedaan wordt, zijn aanzienlijk. Er zijn geen afwegingen vereist om sensoren en hun bedrading binnen en rond een motor te accommoderen, wat betekent dat thermische beheergegevens niet hoeven in te boeten op efficiëntie of prestaties.

Deze aanpak vermindert ook foutpunten in een motor en een EV. Cruciaal, als een model gesofisticeerd genoeg is, kan het ook significatieve voorspellende capaciteit genieten en goed gepositioneerd zijn om het thermische beheersysteem te instrueren om de vorming van hotspots volledig te preëmpten en een motor in een continue stabiele toestand van optimale prestaties te houden.

Deze verschuiving van reactief naar preëmptief thermisch beheer is bijzonder belangrijk voor het verbeteren van prestaties, efficiëntie en levensduur. Door een uniforme, stabiele temperatuur te handhaven en zelfs kleine momentane verstoringen van zo'n stabiele toestand te minimaliseren, zullen thermische beheersystemen ondersteund door gekoppelde electrothermische modellering de sleutel zijn om de envelop voor EV-motorkwaliteit op te schuiven. Feitelijk, in plaats van een indirecte vervanging voor een temperatuursensor, zou het beter zijn om temperatuursensoren te zien als een suboptimale vervanging voor goede electrothermische modellering.

Dit artikel is geschreven door Andrew Cross, Chief Innovation Officer, Helix (Milton Keynes, U.K.). Voor meer informatie, bezoek hier.