-
Hier wird ein Verfahren zur Bestimmung einer dynamischen Temperaturverteilung über den Querschnitt und die Länge eines Hochstromkabels beschrieben.
-
Zur Bestimmung von Temperaturverteilungen in Hochstromkabeln, zum Beispiel in Gleichstromladekabeln für Elektroautomobile, sind diskrete Sensoren und Sensorleitungen bekannt, die eine Temperatur an einem bestimmten Punkt im oder am Hochstromkabel erfassen. Zum Beispiel offenbart das Dokument
DE 10 2017 213 931 A1 eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung eines Temperaturverlaufs entlang einer Sensorleitung.
-
Mit diesem oder weiteren bekannten Verfahren kann eine Temperatur an einem bestimmten Ort im Querschnitt des Hochstromkabels ermittelt werden, nämlich an dem Ort im Querschnitt des Hochstromkabels, an dem eine Messleitung positioniert bzw. angeordnet ist. Es ist jedoch wünschenswert, die Temperaturverteilung über den gesamten Querschnitt und über die gesamte Länge eines Hochstromkabels zu bestimmen, da insbesondere komplexe Kabelanordnungen mit mehreren Hochstromleitern unterschiedlicher Ausformung, zusätzlichen Kühlmittelleitungen sowie wärmeisolierenden Füllmaterialien im Querschnitt und über eine Länge des Hochstromkabels heterogene Temperaturverteilungen aufweisen können.
-
Es kann jedoch bereits aus Gründen der Raumeffizienz nicht jeder relevante Ort eines Hochstromkabels mit einem Sensor oder einer Sensorleitung versehen werden. Ferner würde der Einsatz der hierzu benötigten Vielzahl von Sensoren oder Sensorleitungen einen hohen technischen Aufwand und hohe Implementierungskosten verursachen.
-
Weiter sind mehrere Verfahren zur Bestimmung einer Temperaturverteilung über einen Leiterquerschnitt mit Hilfe von Finite-Elemente-Methode, FEM,-Simulationen bekannt. Hierbei wird ein virtuelles geometrisches Modell eines zu simulierenden Leiters erstellt und in viele „Finite Elemente“ unterteilt. Für jedes dieser Elemente werden iterativ Differentialgleichungen zur Bestimmung einer Temperaturverteilung in Abhängigkeit von einer Stromstärke in dem zu simulierenden Leiter gelöst. Nachteilig an diesen Verfahren ist jedoch der, auch im Vergleich mit anderen numerischen Berechnungsverfahren, außergewöhnlich hohe Berechnungsaufwand. Hieraus folgt, selbst bei einem Einsatz leistungsfähiger Rechnerkapazitäten, eine vergleichsweise lange Berechnungsdauer zur Ermittlung des Temperaturverlaufs. Eine Bestimmung einer dynamischen Temperaturverteilung mittels FEM-Simulation ist daher zum Beispiel für eine (Quasi-) Echtzeitüberwachung eines Gleichstromladekabels für Elektroautomobile ungeeignet.
-
Ferner sind, zum Beispiel aus den Dokumenten
CN 104 636 555 B und
CN 104 732 080 B , Verfahren bekannt, bei denen ein stromführender Leiter als thermoelektrischer Ersatzschaltkreis modelliert wird. Diese Verfahren können jedoch nur auf ein- oder mehradrige stromführende Leiter angewandt werden und berücksichtigen ausschließlich einen Temperaturfluss von einem Inneren der stromführenden Leiter radial nach außen. Zum Beispiel weisen jedoch übliche Gleichstromladekabel für Elektrofahrzeuge einen komplexeren Aufbau als einfache ein- oder mehradrige stromführende Leiter auf und umfassen zum Beispiel mehrere Hochstromleiter, Kühlmittelleitungen, Datenleitungen, Füllmaterialien und einen die vorgenannten Kabelkomponenten umgebenden Mantel des Hochstromkabels. Es ist somit zur Bestimmung einer dynamischen Temperaturverteilung über den Querschnitt und die Länge eines Hochstromkabels nicht ausreichend, lediglich einen radialen Temperaturfluss zur Umgebung eines einzelnen stromführenden Leiters als thermoelektrischen Ersatzschaltkreis zu modellieren und die gegenseitigen thermoelektrischen Wechselwirkungen der Kabelkomponenten unberücksichtigt zu lassen.
-
Ein Verfahren zur Bestimmung einer Temperaturverteilung über den Querschnitt und die Länge eines Hochstromkabels mit mehreren Hochstromleitern wird durch das Dokument
CN 103 728 539 A offenbart. Das durch dieses Dokument vorgeschlagene Verfahren stützt sich auf ein thermodynamisches Modell eines Kabels, welches mit einer FEM-Simulation erstellt wird.
-
Es besteht somit ein Bedarf an einem verbesserten Verfahren zur Bestimmung einer dynamischen Temperaturverteilung über den Querschnitt und über die Länge eines Hochstromkabels, welches einerseits einen numerischen Berechnungsaufwand auf ein in (Quasi-) Echtzeit durchführbares Maß beschränkt und andererseits gegenseitige thermoelektrische Wechselwirkungen mehrerer Kabelkomponenten berücksichtigt. Eine Temperaturverteilung über den Querschnitt eines Hochstromkabels bezeichnet hierbei eine Temperaturverteilung über eine beliebige Querschnittsfläche des Hochstromkabels, wobei die Querschnittsfläche eine gedachte radiale Schnittfläche des Hochstromkabels ist. Mit anderen Worten kann beschrieben werden, dass eine Querschnittsfläche jene Fläche ist, die bei einer gedachten Durchtrennung des Hochstromkabels in radialer Richtung und orthogonal zur axialen Richtung des Kabels entstehen würde. Eine Temperaturverteilung über die Länge eines Hochstromkabels bezeichnet hierbei den Verlauf einer Temperatur entlang der Längs- oder Dochtachse des Kabels. Eine Temperaturverteilung über den Querschnitt und die Länge eines Hochstromkabels kann auch als eine dreidimensionale Temperaturverteilung innerhalb des Hochstromkabels beschrieben werden.
-
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach dem Anspruch 1 gelöst. Mögliche Ausgestaltungen dieses Verfahrens werden durch die weiteren Ansprüche definiert.
-
Ein Verfahren zur Bestimmung einer dynamischen Temperaturverteilung über den Querschnitt und die Länge eines Hochstromkabels mit mehreren, zumindest teilweise zueinander benachbart angeordneten, Hochstromleitern und, optional, zumindest einer Messleitung und/oder einem oder mehreren Temperatursensoren, die dazu geeignet ist, zumindest eine Temperatur an einer bestimmten Stelle der Messleitung zu erfassen, umfasst zumindest die folgenden Schritte a) bis e):
- a) Erstellen eines thermoelektrischen Ersatzschaltkreises für jeden der mehreren Hochstromleiter, wobei die stromführenden Leiter und die Isolationen der stromführenden Leiter jeweils als thermische und/oder elektrische Widerstände und/oder als thermische Massen, deren Parameter in einer ersten Näherung geschätzt werden, modelliert werden.
Die Erstellung eines thermoelektrischen Ersatzschaltkreises für Hochstromleiter, welche jeweils einen stromführenden Leiter und eine Isolation umfassen, ist zum Beispiel aus den eingangs zitierten Dokumenten bekannt.
- b) Kombinieren der thermoelektrischen Ersatzschaltkreise zu einem Gesamtersatzschaltkreis, wobei die thermischen Übergänge und/oder thermoelektrischen Wechselwirkungen zwischen zueinander benachbart angeordneten Hochstromleitern als thermische Widerstände und/oder als thermische Massen, deren Parameter in einer ersten Näherung geschätzt werden, modelliert werden.
-
Mit anderen Worten kann beschrieben werden, dass der zu erstellende thermoelektrische Gesamtersatzschaltkreis mehr modellierte Komponenten aufweist, als die Summe der modellierten thermoelektrischen Komponenten der mehreren Hochstromleiter, da neben den Komponenten der Hochstromleiter auch die thermoelektrischen Übergänge bzw. Wechselwirkungen zwischen zueinander benachbart angeordneten Hochstromleitern als thermische Widerstände und/oder thermische Massen modelliert werden.
-
Optional kann das Hochstromkabel weitere Hochstromkabelkomponenten umfassen: Zum Beispiel kann das Hochstromkabel weiter zumindest eine Kühlmittelleitung, die zur Durchleitung eines flüssigen oder gasförmigen Kühlmittels geeignet ist, umfassen. Weiter kann das Hochstromkabel auch ein zumindest teilweise zwischen den Hochstromleitern und/oder der Messleitung und/oder der Kühlmittelleitung angeordnetes Füllmaterial und/oder eine Hochstromkabelummantelung, insbesondere eine dielektrische Hochstromkabelummantelung, aufweisen.
-
Die thermischen Übergänge und/oder thermoelektrischen Wechselwirkungen zwischen zumindest einem Hochstromleiter und/oder zumindest einer weiteren zu dem Hochstromleiter benachbart angeordneten Hochstromkabelkomponente können ebenfalls als thermische Widerstände und/oder thermische Massen modelliert werden. Zusätzlich können auch thermische Übergänge und/oder thermoelektrische Wechselwirkungen zwischen Hochstromkabelkomponenten modelliert werden, die jeweils keine Hochstromleiter sind, zum Beispiel Datenleiter und/oder Füllmaterialen bzw. Füllkörper.
-
Sofern nicht jeweils ausdrücklich abweichend angegeben sind „die modellierten thermischen und/oder elektrischen Widerstände und/oder die modellierten thermischen Massen“ im Sinne dieses Patents alle thermischen und/oder elektrischen Widerstände und/oder Massen, die in dem erstellten bzw. zu erstellenden Gesamtersatzschaltkreis enthalten bzw. umfasst sind. Werden „die modellierten thermischen und/oder elektrischen Widerstände und/oder die modellierten thermischen Massen“ im Folgenden angesprochen oder bezeichnet, so sind folglich alle im Gesamtersatzschaltbild modellierten thermischen und/oder elektrischen Widerstände und/oder modellierten thermischen Massen angesprochen oder bezeichnet, unabhängig davon, ob diese auf eine Modellierung der Hochstromleiter, eine Modellierung der thermischen Übergänge und/oder thermoelektrischen Wechselwirkungen zwischen zueinander benachbart angeordneten Hochstromleitern und/oder auf die Berücksichtigung weiterer Hochstromkabelkomponenten zurückgeht.
-
Die Schätzung der ersten Näherung der Parameter für die modellierten thermischen und/oder elektrischen Widerstände bzw. Massen kann auf einer Optimierungsfunktion basieren, die zumindest
- - eine Querschnittsfläche der stromführenden Leiter und/oder der Isolationen der stromführenden Leiter und/oder der Kühlmittelleitung, und/oder
- - einen Durchmesser der stromführenden Leiter und/oder der Kühlmittelleitung und/oder eine Manteldicke der Isolationen der stromführenden Leiter und/oder eine Manteldicke der Hochstromkabelummantelung, und/oder
- - ein Material, insbesondere eine thermische Leitfähigkeit eines Materials und/oder eine thermische Kapazität bzw. Wärmekapazität eines Materials, der stromführenden Leiter und/oder der Isolationen der stromführenden Leiter und/oder des Füllmaterials und/oder der Hochstromkabelummantelung, und/oder
- - einen jeweiligen Abstand der Hochstromleiter zueinander, und/oder
- - eine Kühlleistung der Kühlmittelleitung,
berücksichtigt.
-
c) Ermitteln einer ersten Näherung der Temperaturverteilung über den Querschnitt und die Länge des Hochstromkabels, basierend auf einer jeweiligen Eingangsstromstärke der jeweiligen Hochstromleiter und dem Gesamtersatzschaltkreis mit den in erster Näherung geschätzten Parametern für die modellierten thermischen und/oder elektrischen Widerstände.
-
Hierbei können optional Stecker und andere an das eigentliche Kabel angeschlossene Komponenten vernachlässigt werden. Jedoch sind ausdrücklich auch Ausführungsformen möglich, bei denen Stecker und andere an das eigentliche Kabel angeschlossene Komponenten bei der Modellierung des Gesamtersatzschaltkreises des Kabels und bei der Ermittlung der ersten Näherung der Temperaturverteilung über den Querschnitt und die Länge des Hochstromkabels mitberücksichtigt werden.
-
Mit Hilfe des Gesamtersatzschaltkreises, dessen Komponentenparametrisierung zu diesem Zeitpunkt noch auf den in erster Näherung geschätzten Parametern für die thermischen Widerstände und/oder thermischen Massen basiert, und einer jeweils bekannten, gemessenen oder geschätzten Eingangsstromstärke der mehreren Hochstromleiter kann eine erste Näherung der Temperaturverteilung über den Querschnitt und die Länge des Hochstromkabels ermittelt werden. Somit können insbesondere Temperaturverläufe und/oder Temperaturgradienten in axialen und/oder radialen Ausbreitungsrichtungen innerhalb des Hochstromkabels ermittelt werden. Es kann somit eine Temperaturverteilung entlang einzelner Längenabschnitte und/oder für bestimmte oder bestimmbare Querschnitte des Hochstromkabels ermittelt werden. Optional kann auch eine dreidimensionale Temperaturverteilung des Hochstromkabels ermittelt werden.
-
Optional kann an dieser Stelle die ermittelte erste Näherung für die Temperaturverteilung entlang der Messleitung mit einer tatsächlich gemessenen Temperaturverteilung entlang der Messleitung verglichen werden. Tritt hierbei eine lokal begrenzte Abweichung zwischen der ermittelten ersten Näherung für die Temperaturverteilung an einer bestimmten Stelle der Messleitung und einer tatsächlich gemessenen Temperatur an derselben Stelle der Messleitung auf, welche insbesondere höher ist als eine durchschnittliche Abweichung zwischen der ermittelten ersten Näherung für die Temperaturverteilung entlang der Messleitung und der tatsächlich gemessenen Temperaturverteilung entlang der Messleitung, so kann dieses als Hinweis auf eine lokale Beschädigung des Hochstromkabels gewertet werden.
-
Mit anderen Worten kann mittels eines Vergleiches zwischen der ermittelten Temperaturverteilung entlang der Messleitung und der tatsächlich gemessenen Temperaturverteilung entlang der Messleitung eine lokale Beschädigung des Hochstromkabels festgestellt werden.
-
Die Erfassung einer Temperatur und/oder Temperaturverteilung an einer bestimmten Stelle einer Messleitung ist auf verschiedene Art und Weise möglich. Zum Beispiel kann eine Temperatur an einer bestimmten Stelle der Messleitung mit einem durch das Dokument
DE 10 2017 213 931 A1 offenbarten Verfahren ermittelt werden.
-
Insbesondere kann die Erfassung einer Temperatur und/oder Temperaturverteilung an einer bestimmten Stelle einer Messleitung ein (vektorielles) Frequenzbereichsreflektometrieverfahren oder ein Zeitbereichsreflektometrieverfahren umfassen.
-
In weiteren Varianten kann das Ermitteln der ersten Näherung der Temperaturverteilung über den Querschnitt und die Länge des Hochstromkabels zusätzlich auf einer gemessenen oder geschätzten Kühlmitteltemperatur und/oder auf einer gemessenen oder geschätzten Intensität einer Sonneneinstrahlung und/oder auf einer gemessenen oder geschätzten Umgebungslufttemperatur basieren.
-
d1) (Erste Option für Schritt d) Vergleich der ermittelten ersten Näherung der Temperaturverteilung über den Querschnitt und die Länge des Hochstromkabels mit der tatsächlichen Temperaturverteilung entlang der Messleitung und/oder zumindest einer erfassten Temperatur an einer bestimmten Stelle der Messleitung und/oder einer mittels einem Sensor erfassten Temperatur an einer bestimmten Stelle des Hochstromkabels und Ermittlung einer zweiten Näherung der Parameter für die modellierten thermischen und/oder elektrischen Widerstände und/oder thermischen Massen basierend auf diesem Vergleich.
-
In einer Variante kann hierbei die ermittelte Temperaturverteilung entlang der Messleitung mit der gemessenen Temperaturverteilung entlang der Messleitung verglichen werden und, basierend auf diesem Vergleich, mittels eines numerischen Optimierungsverfahrens die Modellierung der thermischen und/oder elektrischen Widerstände und/oder der thermischen Massen des Gesamtersatzschaltbildes angeglichen werden.
-
Hierdurch kann zum Beispiel auch ein Nichtberücksichtigen von bestimmten tatsächlich existierenden physikalischen Sachverhalten und/oder von bestimmten physikalischen Effekten bzw. Parametern, zum Beispiel von Fertigungstoleranzen oder von externen Wetterbedingungen, bei der Ermittlung der Näherung der Temperaturverteilung über den Querschnitt und die Länge des Hochstromkabels mit Hilfe des Gesamtersatzschaltbildes kompensiert werden.
-
Mit anderen Worten wird mittels eines Vergleichs der ermittelten Temperaturverteilung über den Querschnitt und die Länge des Hochstromkabels mit der tatsächlichen Temperaturverteilung entlang der Messleitung und/oder mit zumindest einer erfassten Temperatur an einer bestimmten Stelle der Messleitung eine zweite Näherung für die Parameter der modellierten thermischen und/oder elektrischen Widerstände und/oder der thermischen Massen ermittelt. Zur Ermittlung kann hierbei insbesondere ein numerisches Optimierungsverfahren genutzt werden.
-
Alternativ oder ergänzend zu einem Temperaturvergleich mit einer Temperaturverteilung entlang der Messleitung kann die gemäß Schritt c) ermittelte Temperaturverteilung über den Querschnitt und die Länge des Hochstromkabels auch mit einer tatsächlichen Temperaturverteilung über den Querschnitt und/oder die Länge des Hochstromkabels verglichen werden, welche mit Hilfe mehrerer diskreter Temperatursensoren an oder in dem Hochstromkabel bestimmt wird. In diesem Fall kann mittels eines Vergleichs der ermittelten Temperaturverteilung über den Querschnitt und die Länge des Hochstromkabels mit der tatsächlichen Temperaturverteilung über den Querschnitt und/oder die Länge des Hochstromkabels eine zweite Näherung für die Parameter der modellierten thermischen und/oder elektrischen Widerstände und/oder thermischen Massen ermittelt werden. Zur Ermittlung kann hierbei ebenfalls insbesondere ein numerisches Optimierungsverfahren genutzt werden.
-
Ferner kann beschrieben werden, dass eine an der bestimmten Stelle der Messleitung ermittelte Temperatur als Referenzwert für die ermittelte erste Näherung der Temperaturverteilung innerhalb des Hochstromkabels dient. Durch den Abgleich mit diesem zumindest einen Referenzwert kann eine Abweichung zwischen der ersten Näherung der Temperaturverteilung innerhalb des Hochstromkabels und einer tatsächlichen Temperaturverteilung innerhalb des Hochstromkabels geschätzt und/oder berechnet werden und, basierend auf dieser Schätzung und/oder Berechnung, die zweite Näherung für die Parameter der modellierten thermischen und/oder elektrischen Widerstände und/oder thermischen Massen ermittelt werden. Je nach Verfahrensvariante können hierzu eine beliebige Anzahl von Temperaturwerten an verschiedenen Stellen der Messleitung ermittelt und für die Ermittlung der zweiten Näherung für die Parameter der modellierten thermischen und/oder elektrischen Widerstände und/oder thermischen Massen berücksichtigt werden.
-
In einer Variante des hier beschriebenen Verfahrens kann die Messleitung dazu geeignet sein, eine (kontinuierliche) Temperaturverteilung über den Querschnitt und/oder über die Länge der Messleitung zu erfassen. Somit kann das Ermitteln der zweiten Näherung für die Parameter der modellierten thermischen und/oder elektrischen Widerstände und/oder thermischen Massen optional auch auf der ersten Näherung der Temperaturverteilung über den Querschnitt und die Länge des Hochstromkabels und einer Temperaturverteilung über den Querschnitt und/oder die Länge der Messleitung basieren. Ein Beispiel für die Ermittlung eines kontinuierlichen Temperaturverlaufs bzw. einer kontinuierlichen Temperaturverteilung entlang der Länge einer Messleitung kann der Offenbarung des Dokuments
DE 10 2017 213 931 A1 entnommen werden.
-
Die zumindest eine erfasste Temperatur an einer bestimmten Stelle der Messleitung und/oder die Temperaturverteilung über den Querschnitt und/oder die Länge der Messleitung können mit einem vorbestimmten oder vorbestimmbaren Faktor zur Ermittlung der zweiten Näherung für die Parameter der modellierten thermischen und/oder elektrischen Widerstände und/oder thermischen Massen versehen sein bzw. werden. Der Einfluss der mittels der Messleitung ermittelten Werte zum Abgleich mit der ersten Näherung der Temperaturverteilung innerhalb des Hochstromkabels kann hierdurch gewichtet werden. Der Faktor zur Gewichtung der zumindest einen erfassten Temperatur an einer bestimmten Stelle der Messleitung und/oder die Temperaturverteilung über den Querschnitt und/oder die Länge der Messleitung kann hierbei ausdrücklich auch „0“ sein, sodass die zweite Näherung für die Parameter der modellierten thermischen und/oder elektrischen Widerstände und/oder thermischen Massen identisch mit der ersten Näherung für die Parameter der modellierten thermischen und/oder elektrischen Widerstände und/oder thermischen Massen ist.
-
Die Ermittlung der zweiten Näherung der Parameter für die modellierten thermischen und/oder elektrischen Widerstände bzw. Massen kann hierbei eine Optimierungsfunktion umfassen, die neben der ersten Näherung der Temperaturverteilung über den Querschnitt und die Länge des Hochstromkabels und/oder der zumindest einen erfassten Temperatur an einer bestimmten Stelle der Messleitung weiter
- - eine Querschnittsfläche der stromführenden Leiter und/oder der Isolationen der stromführenden Leiter und/oder der Kühlmittelleitung, und/oder
- - einen Durchmesser der stromführenden Leiter und/oder der Kühlmittelleitung und/oder eine Manteldicke der Isolationen der stromführenden Leiter und/oder eine Manteldicke der Hochstromkabelummantelung, und/oder
- - ein Material, insbesondere eine thermische Leitfähigkeit eines Materials und/oder eine thermische Kapazität bzw. Wärmekapazität eines Materials, der stromführenden Leiter und/oder der Isolationen der stromführenden Leiter und/oder des Füllmaterials und/oder der Hochstromkabelummantelung, und/oder
- - einen jeweiligen Abstand der Hochstromleiter zueinander, und/oder
- - eine Kühlleistung der Kühlmittelleitung,
berücksichtigt.
-
d2) (Zweite Option für Schritt d) Erstellen einer detaillierten FEM Simulation des Hochstromkabels und Vergleich der ermittelten ersten Näherung der Temperaturverteilung über den Querschnitt und die Länge des Hochstromkabels mit einer Temperaturverteilung über den Querschnitt und die Länge des Hochstromkabels gemäß der FEM Simulation und Ermittlung einer zweiten Näherung der Parameter für die modellierten thermischen und/oder elektrischen Widerstände und/oder thermischen Massen.
-
Die Erstellung eines FEM-Modells eines Hochstromkabels und die Simulation einer Temperaturverteilung über den Querschnitt und die Länge eines Hochstromkabels mit Hilfe „Finiter Elemente“ ist als Stand der Technik bekannt.
-
Alternativ oder ergänzend zur ersten Option für Schritt d) bzw. zum Schritt d1) kann die tatsächliche Temperaturverteilung über den Querschnitt und/oder die Länge des Hochstromkabels auch mit Hilfe des FEM-Modells ermittelt und anschließend mit der gemäß Schritt c) ermittelten Temperaturverteilung über den Querschnitt und die Länge des Hochstromkabels verglichen werden.
-
Somit kann die zweite Näherung der Parameter für die modellierten thermischen und/oder elektrischen Widerstände und/oder thermischen Massen, alternativ oder ergänzend zu Schritt d1), auch basierend auf einem Vergleich der gemäß Schritt c) ermittelten ersten Näherung für die Temperaturverteilung über den Querschnitt und die Länge des Hochstromkabels mit der mit Hilfe des FEM-Modells bestimmten tatsächlichen Temperaturverteilung über den Querschnitt und/oder die Länge des Hochstromkabels ermittelt werden.
-
Zur Ermittlung der zweiten Näherung der Parameter für die modellierten thermischen und/oder elektrischen Widerstände und/oder thermischen Massen kann hierbei insbesondere ein numerisches Optimierungsverfahren genutzt werden.
-
Auch hierbei kann die Ermittlung der zweiten Näherung der Parameter für die modellierten thermischen und/oder elektrischen Widerstände bzw. Massen, analog zu Schritt d1), eine Optimierungsfunktion umfassen, die neben der ersten Näherung der Temperaturverteilung über den Querschnitt und die Länge des Hochstromkabels und/oder der zumindest einen erfassten Temperatur an einer bestimmten Stelle der Messleitung weiter
- - eine Querschnittsfläche der stromführenden Leiter und/oder der Isolationen der stromführenden Leiter und/oder der Kühlmittelleitung, und/oder
- - einen Durchmesser der stromführenden Leiter und/oder der Kühlmittelleitung und/oder eine Manteldicke der Isolationen der stromführenden Leiter und/oder eine Manteldicke der Hochstromkabelummantelung, und/oder
- - ein Material, insbesondere eine thermische Leitfähigkeit eines Materials und/oder eine thermische Kapazität bzw. Wärmekapazität eines Materials, der stromführenden Leiter und/oder der Isolationen der stromführenden Leiter und/oder des Füllmaterials und/oder der Hochstromkabelummantelung, und/oder
- - einen jeweiligen Abstand der Hochstromleiter zueinander, und/oder
- - eine Kühlleistung der Kühlmittelleitung,
berücksichtigt.
-
e) Ermitteln einer zweiten Näherung der Temperaturverteilung über den Querschnitt und die Länge des Hochstromkabels, basierend auf einer Eingangsstromstärke der jeweiligen Hochstromleiter und dem Gesamtersatzschaltkreis mit den in zweiter Näherung ermittelten Parametern für die modellierten thermischen und/oder elektrischen Widerstände.
-
Basierend auf der zweiten Näherung für die Parameter der thermischen und/oder elektrischen Widerstände bzw. Massen kann nun, analog zur Ermittlung der ersten Näherung der Temperaturverteilung über den Querschnitt und die Länge eines Hochstromkabels, eine zweite Näherung der Temperaturverteilung über den Querschnitt und die Länge des Hochstromkabels erstellt werden. Da diese zweite Näherung der Temperaturverteilung über den Querschnitt und die Länge des Hochstromkabels die zweite Näherung für die Parameter der thermischen und/oder elektrischen Widerstände bzw. Massen berücksichtigt, kann die zweite Näherung der Temperaturverteilung über den Querschnitt und die Länge des Hochstromkabels sich insbesondere auch an von der Messleitung beabstandeten Stellen des Hochstromkabels einer tatsächlichen Temperaturverteilung innerhalb des Hochstromkabels weiter annähern.
-
Optional kann das Ermitteln der zweiten Näherung der Temperaturverteilung über den Querschnitt und die Länge des Hochstromkabels zusätzlich auch auf einer gemessenen oder geschätzten Kühlmitteltemperatur und/oder auf einer gemessenen oder geschätzten Intensität einer Sonneneinstrahlung und/oder auf einer gemessenen oder geschätzten Umgebungslufttemperatur basieren.
-
In weiteren Varianten kann die Ermittlung der zweiten Näherung der Temperaturverteilung über den Querschnitt und die Länge des Hochstromkabels ein numerisches Optimierungsverfahren umfassen.
-
Die Verfahrensschritte d1) oder d2) und/oder e) können fortlaufend wiederholt werden, wobei bei einer Wiederholung dieser Verfahrensschritte die jeweils zuletzt ermittelten Parameter für die modellierten thermischen und/oder elektrischen Widerstände bzw. Massen die erste Näherung der Parameter für die modellierten thermischen und/oder elektrischen Widerstände bzw. thermischen Massen für die zu wiederholenden Verfahrensschritte darstellt. Hierdurch können die Ermittlung des zeitlichen Verlaufs der Temperaturverteilung über den Querschnitt und die Länge eines Hochstromkabels ebenso wie die Parameter für die modellierten thermischen und/oder elektrischen Widerstände bzw. thermischen Massen fortlaufend verbessert werden. Im Ergebnis kann eine dynamische Temperaturverteilung innerhalb des Hochstromkabels ermittelt und optional an eine externe Datenverarbeitungs- und Datenanzeigevorrichtung bereitgestellt werden.
-
Ferner können die Optimierungsfunktionen zur Schätzung der ersten Näherung und/oder zur Ermittlung der zweiten Näherung der Parameter für die modellierten thermischen und/oder elektrischen Widerstände bzw. Massen und/oder das numerische Optimierungsverfahren zur Ermittlung der zweiten Näherung der Temperaturverteilung über den Querschnitt und die Länge des Hochstromkabels, jeweils mehrere Iterationsschritte umfassen. Die Anzahl der Iterationsschritte kann hierbei abhängig von einer zur Verfügung stehenden Rechenleistung gewählt werden.
-
In einer Variante des Verfahrens können die Näherungen für die Parameter für die modellierten thermischen und/oder elektrischen Widerstände und/oder thermischen Massen - in einer Implementierungsphase - zunächst mittels eines, insbesondere iterativen, Vergleichs der jeweils ermittelten Temperaturwerte bzw. Temperaturverläufe über den Querschnitt und die Länge eines Hochstromkabels mit den mit Hilfe des FEM-Modells bestimmten tatsächlichen Temperaturverteilung über den Querschnitt und/oder die Länge des Hochstromkabels verbessert werden (siehe Schritt d2).
-
Anschließend können die modellierten thermischen und/oder elektrischen Widerstände und/oder thermischen Massen - in einer Betriebsphase - mittels eines, insbesondere iterativen, Vergleichs der jeweils ermittelten Temperaturwerte bzw. Temperaturverläufe über den Querschnitt und die Länge eines Hochstromkabels mit durch die Messleitung und/oder mit den Temperatursensoren ermittelten tatsächlichen Temperaturwerten und/oder Temperaturverläufen weiter verbessert werden (siehe Schritt d1).
-
Vorteilhaft ist, dass einerseits die Ermittlung von (dynamischen) Temperaturverteilungen auch innerhalb sehr komplexer Kabelgeometrien bzw. Kabelanordnungen ermöglicht wird, wobei andererseits die für eine FEM-Simulation erforderliche enorme Rechenleistung zur numerischen Lösung bzw. Bewältigung einer Vielzahl von Differenzialgleichungen zumindest in einer Betriebsphase des Verfahrens nicht benötigt wird. Das hier vorgeschlagene Verfahren eignet sich daher insbesondere für eine (Quasi-) Echtzeitüberwachung von Temperaturverläufen in Hochstromkabeln, insbesondere in Gleichstromladekabeln für Elektroautomobile.
-
Ferner ist es vorteilhaft, dass das hier beschriebene Verfahren bereits mit nur einem Sensor, nämlich der beschriebenen Messleitung, durchführbar ist und somit keine besonders aufwändige oder teure Anordnung einer Vielzahl von Sensoren innerhalb eines Hochstromkabels voraussetzt, um zeiteffizient eine Temperaturverteilung innerhalb des Hochstromkabels zu ermitteln. Das Verfahren stellt somit besonders niedrige Anforderungen an die im Hochstromkabel bereitzustellende Erfassungssensorik.
-
In einer Verfahrensweiterbildung kann das durch die vorangehend erläuterte Verfahrensschritte definierte Verfahren weiter einen zusätzlichen Verfahrensschritt f) umfassen:
-
f) Bestimmen einer Materialalterung der Isolationen der stromführenden Leiter und/oder des Füllmaterials und/oder der Kühlmittelleitungen und/oder der Hochstromkabelummantelung mittels eines Vergleichs der zweiten Näherung für die Parameter der modellierten thermischen und/oder elektrischen Widerstände mit jeweils vorbestimmten Referenzwerten für die Parameter der modellierten thermischen und/oder elektrischen Widerstände.
-
Ein Vorteil hierbei ist, dass neben einer, insbesondere dynamischen, Temperaturverteilung innerhalb des Hochstromkabels zusätzlich auch eine Materialalterung verschiedener Komponenten des Hochstromkabels ermittelt werden kann, wobei hierzu kaum ein zusätzlicher (numerischer) Berechnungsaufwand entsteht. Optional kann das Verfahren derart ausgestaltet sein, dass der Verfahrensschritt f) stets mit ausgeführt wird, jedoch lediglich bei einer Feststellung einer vorbestimmten oder vorbestimmbaren Materialalterung vorbestimmter Kabelkomponenten/Kabelbestandteile ein Signal, insbesondere ein Warnsignal, an eine externe Datenverarbeitungs- und/oder Datenanzeigevorrichtung ausgegeben wird.
-
Zum verbesserten Verständnis des vorangehend beschriebenen Verfahrens werden im Folgenden weitere Erläuterungen unter Bezugnahme auf die 1 bis 3 ausgeführt.
- 1 zeigt schematisch ein Beispiel für eine Querschnittsfläche eines Hochstromkabels mit mehreren Hochstromleitern.
- 2 zeigt schematisch ein Beispiel für thermoelektrische Wechselwirkungen zwischen den Komponenten des in 1 beispielhaft gezeigten Hochstromkabels.
- 3 zeigt schematisch ein Beispiel für den Ablauf eines Verfahrens zur Bestimmung einer Temperaturverteilung über den Querschnitt und die Länge eines Hochstromkabels.
-
Die 1 zeigt schematisch einen Querschnitt durch ein Hochstromkabel 100 mit mehreren Hochstromleitern 110. Ein Hochstromkabel kann mehrere, im gezeigten Beispiel sieben, in ihrer Geometrie jeweils unterschiedlich ausgeformte Hochstromleiter 110 aufweisen. Die einzelnen Hochstromleiter 110 weisen im gezeigten Beispiel jeweils einen stromführenden Leiter 112 und eine Isolierung 114 auf. Die stromführenden Leiter 112 können insbesondere aus einem Metall und die Isolierungen 114 können insbesondere aus einem Dielektrikum gefertigt sein.
-
Weiter weist das Hochstromkabel 100 eine Messleitung 120 sowie eine Datenleitung 140 auf, die im gezeigten Beispiel relativ zum Mittelpunkt des kreisrunden Kabelquerschnitts jeweils exzentrisch angeordnet sind. Die Anordnung der Messleitung 120 im Hochstromkabel 100 ist zwar insbesondere bei der Ermittlung einer zweiten Näherung der Temperaturverteilung innerhalb des Kabels zu berücksichtigen, jedoch kann die Positionierung der Messleitung in einem Hochstromkabel grundsätzlich beliebig gewählt werden, sofern ein Ort der Messleitung sowohl in axialer als auch in radialer Richtung stets bestimmt und/oder bestimmbar ist.
-
Zusätzlich weist das Hochstromkabel 100 im gezeigten Beispiel die Kühlmittelleitungen 130 auf, die jeweils zur Durchleitung einer Kühlflüssigkeit geeignet sind. Je nach Ausführungsform des Hochstromkabels kann die Anzahl der Kühlmittelleitungen variieren. Die Durchleitung von Kühlflüssigkeiten dient hierbei jeweils der Aufnahme und Abfuhr von Wärmeenergie, die durch einen elektrischen Leistungsabfall an den Leitungswiderständen der stromführenden Leiter 112 während eines Einsatzbetriebs des Hochstromkabels entsteht bzw. freigesetzt wird.
-
Ferner kann das gezeigte Hochstromkabel 100 auch aufbandierte Metallfolien aufweisen, die bei einer Ermittlung der Temperaturverteilung innerhalb des Kabels sowie bei der Modellierung eines Gesamtersatzschaltbildes mitberücksichtigt werden.
-
Die einzelnen Komponenten des schematisch im Querschnitt gezeigten Hochstromkabels 100 sind in radialer Richtung jeweils von einem Füllmaterial 106 umgeben, welches wiederum von einer dielektrischen Hochstromkabelummantelung 102 radial umschlossen ist. Sowohl das Füllmaterial 106 als auch die Hochstromkabelummantelung 102 weisen jeweils eine bestimmte Wärmekapazität und eine bestimmte Wärmeleitfähigkeit auf.
-
2 zeigt ebenfalls einen Querschnitt durch das Hochstromkabel 100. Die in der 2 mittels Doppelpfeilen schematisch dargestellten thermoelektrischen Wechselwirkungen bzw. Übergänge, die während eines Betriebs des Hochstromkabels eine Temperaturverteilung in dem Hochstromkabel beeinflussen können, können zumindest teilweise bei der Erstellung eines thermoelektrischen Gesamtersatzschaltkreises durch die Modellierung von thermischen und/oder elektrischen Widerständen berücksichtigt werden.
-
3 zeigt schematisch ein Beispiel für den Ablauf eines Verfahrens zur Bestimmung einer Temperaturverteilung über den Querschnitt und die Länge eines Hochstromkabels mit den Schritten S100 bis S160.
-
Schritt S100 umfasst zumindest das Erstellen eines thermoelektrischen Ersatzschaltkreises für jeden der mehreren Hochstromleiter, wobei die stromführenden Leiter und die Isolierungen der stromführenden Leiter jeweils als thermische und/oder elektrische Widerstände, deren Parameter in einer ersten Näherung geschätzt werden, modelliert werden.
-
Schritt S110 umfasst zumindest das Kombinieren der thermoelektrischen Ersatzschaltkreise zu einem Gesamtersatzschaltkreis, wobei thermische und/oder elektrische Wechselwirkungen zwischen zueinander benachbart angeordneten Hochstromleitern als thermische und/oder elektrische Widerstände, deren Parameter in einer ersten Näherung geschätzt werden, modelliert werden.
-
Schritt S120 umfasst zumindest das Ermitteln einer ersten Näherung der Temperaturverteilung über den Querschnitt und die Länge des Hochstromkabels, basierend auf einer Eingangsstromstärke der Hochstromleiter und dem Gesamtersatzschaltkreis mit den in erster Näherung geschätzten Parametern für die modellierten thermischen und/oder elektrischen Widerstände.
-
Schritt S130 umfasst zumindest das Erfassen zumindest einer tatsächlichen Temperatur an einer bestimmten Stelle des Hochstromkabels mittels einer FEM-Simulation des Hochstromkabels und/oder mittels einer der Messleitung oder einer Messsensorik.
-
Schritt S140 umfasst zumindest das Ermitteln einer jeweils zweiten Näherung für die Parameter der modellierten thermischen und/oder elektrischen Widerstände, basierend auf der ersten Näherung der Temperaturverteilung über den Querschnitt und die Länge des Hochstromkabels und der zumindest einen erfassten Temperatur an einer bestimmten Stelle des Hochstromkabels.
-
Schritt S150 umfasst zumindest das Ermitteln einer zweiten Näherung der Temperaturverteilung über den Querschnitt und die Länge des Hochstromkabels, basierend auf einer Eingangsstromstärke der jeweiligen Hochstromleiter und dem Gesamtersatzschaltkreis mit den in zweiter Näherung ermittelten Parametern für die modellierten thermischen und/oder elektrischen Widerstände.
-
Es versteht sich, dass die zuvor erläuterten beispielhaften Ausführungsformen nicht abschließend sind und den hier offenbarten Gegenstand nicht beschränken. Insbesondere ist für den Fachmann ersichtlich, dass er die beschriebenen Merkmale beliebig miteinander kombinieren kann und/oder verschiedene Merkmale weglassen kann, ohne dabei von dem hier offenbarten Gegenstand abzuweichen.
