Das Wärmemanagement muss insbesondere bei kompakter Bauweise, Leichtbau und hohen Leistungen erfolgreich gelöst werden. Analysen zeigen als häufigste Ausfallursache der Elektronik die Wärme und die dadurch bedingten thermischen Beanspruchungen und beschleunigte Alterung.
Ursachen für die Erwärmung sind werkstoffbedingte Widerstände und dadurch verursachte Verlusleistungen z.B. von elektrischen Leitern, Halbleitern oder Leistungsbauteilen oder Übergängen z.B. zwischen Schichten, bei Schaltelementen. So erstreckt sich das Wärmemanagement über den kompletten power train von Energiespeichern (Batteriesystemen, Li-Ionen-Zellen), Schalteinheiten, overcurrent-protection, power controller (relay, switch, fuse, SSR, SSCP), Leistungsbauteile (Widerstände, MosFETS), über wiring, connectors, elektrischen Kontakten, bis zu den elektrischen Aktoren (Motoren, Stellantriebe).
Die Entwärmungsmöglichkeiten
Physikalisch gibt es für die Entwärmungsmöglichkeiten drei Wärmetransportmöglichkeiten
- Wärmeleitung und Strömung in Bauteilen und Medien
- Wärmeübergang von einem auf ein anderes Medium
- Wärmestrahlung, die Strahlung ist die schnellste und bei hohen Temperaturen effektivste Transportmöglichkeit
Aus diesen Wärmetransportmöglichkeiten erstellen wir Ersatzmodelle/Reihenschaltungen der thermischen Widerstände für die schnelle erste Auslegung. Das ermöglicht die Bewertung verschiedener Lösungen und Optimierungen in frühen Entwicklungsphasen.
Abhängig von den Randbedingungen optimieren wir passive Wärmekapazitäten und ergänzen bei Bedarf durch aktive Kühlmaßnahmen, wie
- Nutzung von vorhandener Wärmekapazitäten von elektrischen Leitern, Strukturbauteilen u.ä. als Wärmekapazitäten aber auch für die Wärmespreizung/Vergrößerung der Transportfläche
- Verbesserung von Wärmeübergängen durch erzwungene Strömung, Vergrößerung der Temperaturdifferenz
- Kühlmedien für höhere Transportraten, Stickstoff, Wasserkühlung, Wärmeübertrager
- Wärmesenken, Kühlkörper
- Heat-Pipes oder Verdunstungskühlung
- Phase-Change, Aggregatzustandswechslel
Verbindungstechnologien sind unser Kern-Know-How, von der Lösungsideen, über das Design bis zur Zuverlässigkeits- und Lebensdauerbewertung. Ob
- lösbar durch Clips oder Schrauben
- Verbesserung der Übergänge/Kontaktverbesserung durch Kontaktdesign ggf. Thermische Interfacematerialien (TIM), Wärmeleitpasten, Gap-Pads
- stoffschlüssig durch Löten, Schweißen oder Kleben
Systeme funktionieren durch geeignete Lösungsansätze. Jedoch werden Systeme komplexer und kompakter/Moorsches Gesetz. Zudem gibt es zahlreiche Einflüsse, die beispielsweise Werkstoffe und Verbindungen degradieren, auch Wechselwirkungen oder Umwelteinflüsse wie Luftfeuchtigkeit/Kondenswasserbildung, Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV/EMI), Elektrostatik (ESD).
Die Übersicht vergleicht unterschiedliche Möglichkeiten der Wärmeleitung. Eine Luftkühlung ist i.d.R. sehr einfach und günstig. Bei größeren abzuführenden Wärmemengen, wie beim Schnellladen einer Traktionsbatterie kommt die Luftkühlung jedoch an die Grenzen. Zudem gilt es die Umgebungsbedingungen und eine evtl. Verschmutzung zu berücksichtigen. Ergänzend gibt es geschlossene Systeme mit Kühlmedien wie Öl, Emulsionen, Wasser, Wassergemische oder auch heat pipes. Diese Lösungen ermöglichen die Abführung deutlich höherer Wärmemengen. Die Gestaltung über Lebensdauer zuverlässiger thermischer Kontakte und Übergänge ist unser Spezialgebiet.
Unsere Dienstleistungen im Bereich Wärmemanagement
- Designlösungen zur Entwärmung, zur Minimierung von Temperaturen, Minimierung temperaturbedingten Derating und zur Steigerung der Lebensdauer
- analytische Berechnung und Simulation von elektronischen Komponenten/Hardware-Bauteilen wie Relais, MOSFets, Widerständen, Wiring/Hochstrom-Kabel, Connectoren/elektrischen Kontakten oder Batteriezellen/Li-Ionen-Zellen
- die analytische Berechnung und Simulation zur Systembewertung
- die Optimierung von Wärmeübergängen, Wärmetransportvorgängen und Wärmeleitung zur Minimierung von Temperaturentwicklung
- die Ermittlung auftretender Temperaturen und Vergleich mit zulässigen Temperaturen/Temperaturgrenzen
- die Bewertung von elektronischen Komponenten und Übergangswiderständen inkl. der Veränderung und Alterung
- die Steigerung von Gesamtwirkungsgrad, der Energiebilanz, der Energieeffizienz.
Im Bereich Wärmemanagement ist ContactEngineering Ihr Entwicklungsdienstleister für
Design und Bewertung von elektrischen Systemen
- Auswahl und Charakterisierung von Leistungsbauteilen, von Leit-Werkstoffen (Wärme- und Temperaturleitfähigkeit, Wärmekapazität) inkl. Auswahl geeigneter Korrosionsschutzmaßnahmen, Beschichtungen
- Design und Berechnung der Verbindungen bzw. Verbindungselemente
- Optimierung von Toleranzen und Streuungen, Minimierung von fertigungs- und montagebedingten Streuungen
- Wärmemanagement von Energiespeichern, Batteriesystemen, Schalteinheiten, overcurrent-protection, power controller (fuse, SSR, SSPC), wiring connectors, elektrischen Kontakten, Schaltern bis zu elektrischen Aktoren z.B. Entwärmung von Energiespeichern (Batteriezellen/Li-Ionen-Zellen), Leistungsbauteilen (Widerstände, MosFETS) oder Antrieben (Motoren).
Wärmemanagement am Beispiel einer elektrischen Schalteinheit, battery-junction-box (BJB) für die E-Mobility
Die Battery-Junction-Box (BJB) bzw. Battery Disconnect Unit (BDU) oder Power Distribution Unit (PDU) sind Schalteinheiten, die die Batterie zum Converter verbinden bzw. trennen. Die Battery-Junction-Box beinhaltet elektro-mechanische Komponenten wie Relais/Schütze, Überstromschutz, Vorladewiderstand, Vorlade-Relay und deren elektrische Verbindungen (i.d.R. Stromschienen, Leitungen, Leiterplatten) ggf. auch Strommessung (Hall-Effekt Stromsensor, LEM, shunt), Spannungsmessungen und Diagnosemöglichkeiten.
Battery-Junction-Box, dargestellt ist ein typischer Hochvolt/Hochstrompfad bis zum Hochvolt Steckverbindersystem. Durch das Design kann die Abwärme/Verlustleistung minimiert werden. Jedoch die Lebensdauer der Schalter ob Connector/Relay oder MosFET kann durch das Wärmemanagement verlängert werden.
Ein heißer Leiter, eingebettet in Keramik in kühler Umgebung. Vergleich der analytischen Berechnung (unten) mit den Ergebnissen der Simulation (oben). In der Vorauslegung ermöglicht die analytische Berechnung schnelle Vergleiche verschiedener Konzeptvarianten und die Fokussierung auf die robusteste Lösung.
Berechnung und Simulation
Analytische Gesamt-Systembetrachtungen ergänzt durch numerische Berechnungen bis zu CFD-Simulationen von Temperaturentwicklungen, Wärmetransport- und Strömungsvorgängen.
Bereits durchgeführte Berechnungen und FEM-Simulationen
- Berechnung durch zeiteffiziente analytische Kontaktmodelle bis zu FEM-Simulationen/numerische Simulationen. Neben CFD- und FEM-Simulationen werden auch numerische Optimierungsalgorithmen angewendet, um effizient unterschiedlichste Design- und Anwendungsvarianten zu prüfen.
- Entwärmung durch Luftströmung/forced air cooling
- Entwärmung durch Kühlmedien und Kühlkörper, Werkstoffwahl, Oberfläche, Geometrie und Befestigung
- Optimierung von Topografien durch Mikrostrukurierung, der Kühlkörper durch die Freiheitsgrade und Möglichkeiten der additiven Fertigung
- Optimierung der Strömungsführung für einen minimalem Druckverlust und beste Entwärmungsergebnisse
- Wärmeübergang von der Kühlkörperoberfläche zum Kühlmedium/Fluid inkl. Messmethoden zur Verifizierung
- Berechnung und Messsystem zur Charakterisierung der Wärmeübergänge, des vollständigen Wärmepfads.
- Thermomanagement von Leistungselektronik und Contactors/Relais
- Wärmeübergänge und thermische Kontakte inkl. Hilfsmittel wie Gap Filler/Wärmeleitpasten
Messung, Visualisierung und Diagnose
- von Kontakt-Widerständen und Impedanzen
- Temperaturen, thermischen Kontaktkoeffizienten, Wärmeleitung und Wärmeübergänge und Messverfahren wie Thermografie, Wärmemessfolien, Temperatur-Messstreifen und Laser-Flash
- Bewegungen in Fluiden/Strömungen/flow visualization, 3D flow imaging, tomographic BOS-Background Oriented Schlieren
- Drücke und Strömungsgeschwindigkeiten
- Schwingungen und Frequenzen
Zuverlässigkeit und Diagnose elektrischer Kontakte
Bereits durchgeführte experimentelle Untersuchungen
- Charakterisierung von thermischen Stoffwerten, Lebensdaueranalysen von Thermal Interface Material (TIM) sowie von gesamtheitlichen, elektronischen Systemen.
- Präzise Messung von thermischen Widerständen, Druckverlust und Massestrom als Grundlage für die Auslegung der Kühlung
- Untersuchung der mechanischen Belastung, hervorgerufen durch hochfrequente Schwingungen und die daraus resultierende Änderung der Oberfläche und des thermischen Widerstandes
Kontaktverschraubung (schematisch) und dadurch erzeugte Flächenpressung im Kontakt, visualisiert durch Druckmessfolie und durch die Kontakt-Simulation. Das Kontaktgebiet teilt sich in ein Haft- und Gleitgebiet. Ein Haftgebiet ist entscheidend für den langfristigen Erhalt der Funktion der Verbindung (Übergangswiderstand und Wärmemanagement).
Weitere Information zum Thema Wärmemanagement erhalten Sie gerne im persönlichen Gespräch: