Aufgabe
Ladeleistungen über 150 kW führen zu hohen Ladeströmen. Diese erwärmen Batteriesysteme und Ladeinfrastruktur. Es entstehen Verluste: durch Joule'sche Wärme in den Kupferleitungen und durch zusätzlichen Rückkühlbedarf.
Die naheliegenden Gegenmaßnahmen haben Nachteile. Größere Kabelquerschnitte erhöhen Gewicht und Ressourcenbedarf. Geringere Ladeströme verlängern die Ladezeit. Aktive Kühlung im Fahrzeug oder in der Ladesäule kostet zusätzliche Energie.
Untersucht wurde deshalb ein passiver Ansatz: Phasenwechselmaterialien (PCM) speichern die Wärme beim Schnellladen zwischen und geben sie später ab, etwa während der Fahrt. Die Aufgabe: Geometrie und Material so auslegen, dass eine Zieltemperatur eingehalten wird.
Vorgehen
Betrachtet wurden zwei Grundsysteme. Im ersten liegt die Wärmequelle innen und ist von PCM ummantelt. Im zweiten liegt das PCM im Kern und ist von der Wärmequelle umschlossen. Die Wärmequelle kann zum Beispiel eine stromdurchflossene Kupferleitung sein.
FEM-Modelle bildeten die zeitabhängige Temperaturentwicklung ab. Variiert wurden Innendurchmesser (2–15 mm), Außendicke (0,5–5 mm), Ladestrom (100–1.000 A), Schmelztemperatur und Schmelzenthalpie des PCM (100–300 J/g). Der Strombereich deckt Ladeleistungen von 100 bis 600 kW bei Batteriespannungen von 400 bis 800 V ab.
Ein Funktionsprototyp des zweiten Grundsystems erfasste die Temperaturen an mehreren Stellen per Sensor. Die Messungen verifizierten die Simulation und erweiterten die Datenbasis.
Ein ML-Modell lernte den Zusammenhang zwischen Geometrie, Material, Ladestrom und den Temperaturen an drei Messpunkten zu je drei Zeitpunkten. Für die Auslegung wurde die Ein- und Ausgangsstruktur umgestellt und das Modell neu trainiert. Vorgegeben werden Randbedingungen und Zieltemperaturen, das Modell liefert den Innendurchmesser. Ein klassisches Optimierungsproblem entfällt.
Ergebnis
Das Modell ermittelte den Innendurchmesser für eine gewünschte Maximaltemperatur. Eine FEM-Simulation mit diesem Durchmesser bestätigte die vorhergesagten Temperaturverläufe. Laut maschinenbau 1/2024 lag die Vorhersagegenauigkeit bei über 95 %.
Mit reduziertem Leitungsquerschnitt und abgestimmtem PCM war in dieser Aufgabenstellung gegenüber einem reinen Kupferleiter eine Gewichtseinsparung von bis zu 30 % möglich. Das Volumen sank um bis zu 10 %, bei ähnlicher maximaler Temperaturentwicklung (ebd.).
Weitere Varianten – andere Temperaturbereiche, Geometrien und Randbedingungen innerhalb des Designraums – lassen sich mit dem trainierten Modell in wenigen Sekunden bewerten, ohne neue Simulationen.
Quelle: maschinenbau 1/2024, S. 26–29