Dynamsche Smuaton der Spannungsstabtät und des thermschen Verhatens von Fahrzeugbordnetzen Maja Debg, TU Dortmund, Arbetsgebet Bordsysteme maja.debg@tu-dortmund.de Stephan Fre, TU Dortmund, Arbetsgebet Bordsysteme stephan.fre@tu-dortmund.de Zusammenfassung Aufgrund neuer Entwckungen n den Berechen Funktonatät, Scherhet und Infotanment m Kraftfahrzeug st de Anzah der eektronschen Baugruppen n den etzten Jahren stark angestegen. Um de hohe Kompextät und verschedenen Anforderungen berets m frühen Entwckungsstadum kontroeren und erfüen zu können, gewnnt de Smuaton des Bordnetzes mmer mehr an Bedeutung. Um ene optmae Ausegung gewähresten zu können, muss de Strombeastbarket, der Spannungsabfa und de Temperatur für jede Letung bestmmt werden. En eektrsch-thermsches Letungsmode wrd her vorgestet. Zudem wrd ene Methode gezegt, de es ermögcht, aus den CAD-Daten en Smuatonsmode automatsert zu genereren und verschedene Szenaren zu berechnen. 1 Enetung Das Bordnetz hat für ae eektrschen Funktonen aber auch de Hersteungskosten von Fahrzeugen ene große Bedeutung. Durch de stegende Anzah an eektrschen Komponenten nmmt de zu übertragende Gesamtestung kontnuerch zu und de Verbrauchsprofe werden deutch kompexer. Um de roduktonskosten und das Gewcht be optmaer Funktonatät mögchst gerng zu haten, muss der Kabebaum optma ausgeegt werden. Damt dese Forderungen auch be stegender Kompextät erfüt werden können, snd neue rozesse und Methoden erforderch. Aufgrund der Topooge und der Vezah der Mögchketen st de Smuaton as Hfsmtte notwendg. Für de Smuaton des Bordnetzes müssen Modee der verschedenen Komponenten, we Battere, Generator, eektrsche Verbraucher, Kontakte, Scherungen und Letungen erstet werden. Um de Strombeastbarket, den Spannungsabfa und de Temperatur an ener Letung berechnen zu können, st en thermscheektrsches Letungsmode notwendg. Mögche Modeerungsansätze snd de Lö-
sung durch Wärmeetungsgechung [1], durch de Netzwerktheore [] und über de Lestungsbanzen [3]. In deser Veröffentchung wrd en Mode auf Grundage der Lestungsbanzen vorgestet, das sowoh für thermsche as auch eektrsche Smuatonen geegnet st. Für de Gesamt- oder Tebordnetzsmuaton st ene automatserte Modeersteung notwendg. As Datengrundage kann de Kabebaumste (KBL-Date [4] denen. Das Format st unter dem Namen STE A 1 standardsert und egt m XML- Format vor. De geometrschen Egenschaften der Letungen we auch Topoogenformatonen snd enthaten. Mt deser Datengrundage kann en Kabebaummode mt Letungen, Steckern und Scherungen automatsert gebdet werden. Erste Untersuchungen zur automatserten Modeerung wurden berets n [5] durchgeführt. Modegenererung As Modeerungssprache wrd MATLAB Smscape genutzt. Der Vorte st her de enfache Co-Smuaton mt Smunk Fahrwerksmodeen und de Mögchket der physkaschen Beschrebung..1 Letungsmode De Letungsveregung erfogt m Kabebaum n Bünden. Für de thermsche Betrachtung snd aerdngs enzene Letungen n Luft der krtschste Fa. Im Bünde können de umegenden Kabe de Wärme abeten und so das betroffene Kabe kühen, während Luft en deutch schechterer Wärmeeter st. Thermsch besonders krtsche Steen befnden sch mest drekt am Stecker. As Grenze für de Strombeastbarket wrd de thermsche Festgket des Isoatonsmateras verwendet. Für de Modeerung kann der eektrsche Leter as perfekter Wärmeeter angesehen werden. Ausgehend von der Länge des Kabes m Vergech zum Radus st es ausrechend, nur den Wärmefuss n radaer Rchtung zu betrachten. Das rnzp des Modes beruht auf der Wechsebezehung zwschen dem thermschen und eektrschen Te. Der Spannungsabfa U über ener Letung mt enem Wderstand R und ener Strombeastung I ergbt sch für statonäre und angsame Vorgänge zu: ( ( T T U = I R 1 (1 T Dabe st T der neare Temperaturkoeffzent und T de Nomnatemperatur. De Temperatur T an der Oberfäche des eektrschen Leters kann über de Lestungsbanz berechnet werde. De Wärmeestung m Leter wrd durch den eektrschen Stromfuss erzeugt. De Verustestung e st abhängg von der Stromstärke und dem Wderstand des Leters, wecher sch mt der Temperatur verändert. e = I R ( 1 ( T T T En Te der Wärme wrd durch Konvekton k und Strahung s an de Umgebung abgegeben. De Lestung, de ncht abgeführt werden kann, wrd über de Wärmeka- (
paztät des Leters as Wärme Q m Leter aufgemen und erhöht de Letertemperatur. De Gechung für de Energeerhatung ergbt sch nach [1] zu dq = k s. (3 dt e Dabe kann de abgeführte Wärme durch Konvekton für enen zyndrschen Leter der Länge mt dem Radus des Leters r und dem Radus der Isoerung r fogendermaßen berechnet werden: k = πr ( T T k u, (4 dabe st k der Wärmeübergangskoeffzent für Konvekton und berechnet sch aus der Nußet-Zah Nu, der Anströmänge a und der Wärmeetfähgket der Umgebung λ uft Nu λ uft k = [6]. (5 a Damt de Strahungsestung mt der Lestung durch Konvekton vergechbar st, wrd se n ene äquvaente Form zur Gechung (4 gebracht s ( T T s r U. (6 = π Der Wärmeübergangskoeffzent s für Strahung berechnet sch nach [6] mt dem Emssonsverhätns ε und der Strahungskonstante σ zu 4 4 εσ s[ T TU ] s =. (7 T T U Mt den spezfschen Wärmekapaztäten für den Leter β und de Isoerung β fogt für de verbebende Wärmemenge n der Letung ( π r β π r ( T T Q = β. (8 u T t Damt ergbt sch für de Temperaturänderung der Letung über der Zet I = R ( 1 ( T T T 4 4 [ T T ] Nu λ εσ s U uft λπr T T a U 4 4 Nu λ εσ s [ T TU ] uft λ r n a T T U ( β π r β π r ( T Tu ( r r, (9 dabe st λ de thermsche Letfähgket der Isoerung. Mt dem ersteten Mode kann de Erwärmung der Letung bestmmt werden. In [7] st der Erwärmungsvorgang für en 1,5 mm Kabe mt ener Strombeastung von 35 A gemessen worden. En Vergech mt der nach (9 berechneten Temperatur st n Abbdung 1 dargestet.
10 110 100 90 80 T [ C] 70 60 50 40 30 Messung Smuaton 0 0 50 100 150 00 50 300 350 400 t [s] Abbdung 1: Erwärmungsvorgang für en 1,5 mm² Kabe be 35 A Um das Smuatonsmode mt weteren Messungen verfzeren zu können, wrd en 0,5 mm Kabe mt VC Isoerung mt verschedene Ströme beastet. Dafür wrd das Kabe n ener Kmakammer patzert (sehe Abbdung, um so de Umgebungstemperatur konstant auf ener Temperatur zu haten. Der Strom wrd mt ener Konstantstromquee engeprägt und de Spannung wrd gemessen. De Temperaturmessung wrd ndrekt durchgeführt, um so de Feheranfägket zu mnmeren. De Bestmmung der Letertemperatur erfogt scheßch über Gechung (1. Kmakammer Kabe V I Abbdung : Vergech Messung und Smuaton Mt dem ersteten Mode ergeben sch für das untersuchte Kabe, abhängg von der Stromstärke, de n Abbdung 3 dargestete Temperatur und der Spannungsabfa.
10 3.5 110 3 100.5 T [ C] 90 80 U [V] 1.5 70 1 60 Messung Smuaton 50 0 4 6 8 10 1 14 I [A] 0.5 Messung Smuaton 0 0 4 6 8 10 1 14 I [A] Abbdung 3: Vergech Messung und Smuaton 3 Automatserte Modeersteung Für de automatserte Modeersteung wrd as Datengrundage de KBL-Date genutzt. De KBL-Informatonen egen n ener XML (Extensbe Markup Language Struktur vor, weche de Daten anhand kurzer Marken strukturert. Durch de Anordnung der Daten können de Informatonen n Gruppen dargestet werden. De n der KBL-Date vorhandenen Gruppen müssen für de Smuaton angepasst werden. As Datenbass werden für de enzenen Objekte we Letungen, Stecker, Komponenten und Scherungen egene Gruppen erstet und de notwendgen Egenschaften zugeordnet. Damt das Bordnetz rchtg abgebdet werden kann, müssen ebenfas de Schraubpunkte und Kontakte betrachtet werden. Dabe muss besonders darauf geachtet werden, dass de Verbndungsnformatonen rchtg zugeordnet werden. De fehenden Informatonen müssen über zusätzche Queen hnzugefügt werden. Das Automatserungsprogramm erstet mt enem MATLAB räprozessor en Datenmode, aus dem anscheßend en Smuatonsmode generert wrd, we n Abbdung 4 dargestet. manueer Engrff KBL-Date Eektrsche Komponenten räprozessor I Datenmode räprozessor II Smuatonsmode Ergebnsse Abbdung 4: Abaufdagramm der Automatserung Auf das Datenmode kann manue zugegrffen werden, um gegebenenfas Änderungen enzufügen oder de Daten vorab zu überprüfen. Für de Ersteung des Gesamtmodes snd verschedene rogrammmodue notwendg. Im ersten Te werden ae für das Smuatonsmode nötgen Informatonen aus der KBL-Date engeesen und n strukturerten Datenbanken für jede Objektkasse hnteregt. An deser Stee
st ene manuee Überprüfung und Änderung der Daten mögch. Das Datenmode enthät ae notwendgen Informatonen über de Letungen, Scherungen, Kontakte und Komponenten. Zusätzch wrd en Verwes des jewegen Objekts auf en Smuatonsmode erzeugt, so dass ene drekte Zuordnung der Komponente zu enem Mode mögch st. De Modedateen müssen vorab n ener Bbothek n Smscape oder Smunk abgeegt werden. Für de Letungen und Kontakte wrd jewes nur en agemenes Mode abgeegt, weches durch de n der KBL-Date enthatenen Geometre- und Materanformatonen parametrert wrd. Für de Komponenten und Scherungsboxen kann nur de nanzah aus der KBL-Date entmen werden. Wetere arameter und Funktonswesen müssen vorab n der Modebbothek hnteregt werden. Um de verschedenen Temperaturberech m Fahrzeug berückschtgen zu können, kann de Letung durch de Topoogenformatonen n enzene Segmente aufgetet werden. Veräuft ene Letung n unterschedchen Temperaturberechen, bespeswese von der Battere m Kofferraum zum Motorsteuergerät m Motorraum, wrd das Kabe n de Anzah der durchaufenen Temperaturbereche aufgetet. Ene reastsche Abbdung wrd dadurch ermögcht, dass de Kabesegmente enes Kabes enzen auf hre Lage geprüft werden. De Segmentkoordnaten werden für de Ermttung der Umgebungstemperatur verwendet, auf dese Wese kann das Kabe m Fahrzeug okasert werden. Über de x-koordnate des Startpunktes werden de Umgebungstemperaturen den Segmenten zugeordnet. 4 Zusammenfassung En eektrsch-thermsches Kabemode auf Grundage der Lestungsbanzen wurde vorgestet und durch Messungen verfzert. Das entwckete Mode kann zur Dmensonerung und Optmerung des Kabebaums verwendet werden. Weterhn wurde ene Methode zur automatserten Modegenererung und Smuaton des Bordnetzes baserend auf CAD-Daten vorgestet. Auf Grundage der KBL- Daten kann en parametrerbares Smuatonsmode erzeugt werden. Der gezegte Ansatz ermögcht es, Automobhersteern schon n der Entwckungsphase erste Anaysen durchzuführen. Auf dese Wese können eventuee Schwachsteen gefunden und optmae Letungsquerschntte ausgewäht werden. Lteratur [1] Anders, G.J.: Ratng of eectrca power cabes. Ampacty computatons for transmsson, dstrbuton and ndustra appcatons, IEEE ress, New York, 1997, McGraw H, New York, 1998 [] Neher, J.H., McGrath, M.H.: The cacuaton of the temperature rse and oad capabty of cabe systems, AIEE Transactons, Vo. 76, 1957
[3] Igevcus, A.: Anaytca and numerca anayss and smuaton of heat transfer n eectrca conductors and fuses, Dssertaton, Unverstät der Bundeswehr München, 004 [4] VDA Empfehung 4964: Kabebaumste, 005 [5] Gehrng, R., Wanke, C., Herzog, H.-G.: Automatserte Modeerung des eektrschen Energebordnetzes m Kraftfahrzeug mt Hfe von Kabebaumkonstruktonsdaten; ASIM Treffen STS/GMMS 009 Dresden, Fraunhofer IRB Verag Stuttgart; 009 [6] VDI-Wärme Atas, 5. Aufage, Sprnger-Verag, Bern, New York, 1988 [7] Grandvuemn, J., Champagne, D., Gses, R., Traby, C., Bute Degrange, F.: Therma modeng of encosed cabes n automotve appcatons, IEEE VC, 007