WO2020126797A1 - Simulation des thermischen verhaltens einer wärmeabgebenden vorrichtung - Google Patents

Simulation des thermischen verhaltens einer wärmeabgebenden vorrichtung Download PDF

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    • G06—COMPUTING OR CALCULATING; COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
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    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING OR CALCULATING; COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
    • G06F2119/08—Thermal analysis or thermal optimisation

Definitions

  • the present invention relates to a computer-implemented method for determining thermal resistances of a heat-emitting device as a function of the heat transfer coefficient, an associated simulation system, a computer program product, a computer-readable medium and an aircraft with a simulation system.
  • Parameters such as power dissipation, heat sink geometry or the placement of electrical components influence the temperatures, heat flows and flow conditions in electrical systems. These in turn influence the expected life of the individual components. In order to determine these parameters or to simulate heat flows, complex tools for the calculation of temperature and currents have to be programmed.
  • the Foster network If the thermal resistances and capacitance are connected in parallel in the model, this is called the Foster network. This is easy to describe mathematically. The heating and cooling of a heat source can usually be satisfactorily described in the case of a one-dimensional heat path. However, the individual R and C values of the Foster network do not correspond to the actual values of the individual layers of the heat-emitting device. This results from the fact that the individual capacities of the Foster network are not switched to ground, i.e. the environment.
  • the Foster network In order not only to model the thermal resistance of the entire heat path, but also to work with the R and C values actually present in the electrical system, the Foster network must be transformed into a Cauer network. The Details of the transformation and its description are known for example from relevant standards.
  • the time behavior of a one-dimensional heat path can be described in the Foster model with a sum of exponential functions.
  • the system responds to a simple load profile P L with an exponential rise in temperature.
  • a temporally different excitation than a load profile for example a sequence of rectangular pulses, can easily be represented by superimposing temporally offset load profiles with an adapted load P Li .
  • P Li can also assume negative values.
  • the challenge is to correctly map the real heat paths in the electrical system and their interaction in the model. Validation of the model by comparison with measurement results is mandatory. Numerical calculation methods are more precise than calculations with RC networks, but they are also slower. The numerical calculation of the cooling and cooling of complex electrical systems can still take several days. This precludes monitoring of electrical systems during operation in real time.
  • the object of the invention is to improve the state of the art technology in such a way that monitoring and forecasting the thermal behavior of electrical systems is possible in real time and the information obtained can be used, for example, to adapt the operation.
  • the invention is intended to be used in particular in electrical systems in aviation.
  • One aspect of the invention is to extend the prior art by transforming the R and C values of the Cauer network back into another Foster network.
  • the invention claims a computer-implemented method for determining thermal resistances of a heat-emitting device as a function of the heat transfer coefficient.
  • the process includes the steps:
  • the first Foster network can be determined on the basis of a thermal simulation but also on the basis of experimental measurements.
  • the three different heat transfer coefficients can represent three different heat dissipation conditions of the heat-emitting device in the environment.
  • a first Foster network and then a Cauer network are created for each individual heat transfer coefficient.
  • the thermal resistances of the first Foster networks have no relation to the actual thermal resistances of the heat-emitting device.
  • the first Foster network is therefore physically incorrect. That is why the first Foster networks are being converted into Cauer networks.
  • the Cauer networks are physically correct and represent the actual thermal resistances of the heat-emitting device.
  • the Cauer networks have the disadvantage of a complex calculation that takes long computing times. Therefore, the thermal resistances obtained from the Cauer networks are used to determine the heat transfer coefficient-dependent curves by curve fitting. These curve profiles can be used to determine target values of the thermal resistances by interpolation for a predefinable target heat transfer coefficient.
  • the computer-implemented method for determining the thermal behavior of the heat-emitting device can be designed and include further steps: a) a refitting of the thermal resistance stands (R c , i) and associated thermal capacities (C c , i) of the Cauer networks in second Foster networks, the thermal resistances and thermal capacities of the second Foster networks (C F2 , ii / R F2 , ii ) are equal to the thermal resistances and thermal capacities of the Cauer networks (C c , ii, Rc, ii), except for the thermal capacity and the thermal resistance of the member responsible for cooling, the member responsible for cooling being determined by the heat transfer coefficient ( h) is determined, b) a determination of the complex thermal resistances in the second Foster networks and c) determining the zeitab dependent temperature curve on the skilletübergangskoeffi ⁇ coefficient determining boundary surface of the heat-emitting Vorrich processing by including the determined complex thermal resistances.
  • the heat-emitting device is a power electronic system.
  • the operation of the heat-emitting device is adapted from the determined temperature profile. This has the advantage that the operation reacts to the existing temperature profile of the heat-emitting device and failures or malfunctions can thus be avoided.
  • the invention also claims a simulation system designed to determine the thermal behavior of the heat-emitting device by carrying out the method according to the invention.
  • the invention also claims a computer program product comprising a computer program, the computer program being loadable into a memory device of a simulation system, the steps of an inventive method being carried out with the computer program when the computer program is executed on the simulation system.
  • the invention also claims a computer-readable medium on which a computer program is stored, the computer program being loadable into a storage device of a simulation system, with the computer program carrying out the steps of a method according to the invention when the computer program is executed on the simulation system .
  • the invention also claims an aircraft with a simulation system according to the invention and a heat-emitting device.
  • Aircraft is understood to mean any type of flying means of transportation or transportation, be it manned or unmanned.
  • the aircraft according to the invention has an electric or hybrid-electric flight drive.
  • the air vehicle according to the invention is an aircraft.
  • the invention has the further advantage that the method and the simulation system can be transferred to a large number of further technical systems.
  • Fig. 5 is a view of an aircraft.
  • a heat transfer coefficient h in the unit [W / m 2 K] can be determined using a load profile P L.
  • Fig. 2 shows a first Foster network with i thermal resistances of the first Foster network R Fi , i, i thermal capacities of the first Foster network C F i, i, a possible connection 6 to other components and a ground or an binding to the environment 7.
  • the thermal resistances of the first Foster networks R FI , I have no relation to the actual thermal resistances R of the heat-emitting device 1.
  • the first Foster network is therefore not physically correct. That is why the first Foster networks are being converted into Cauer networks.
  • Fig. 3 shows a Cauer network with i thermal resistances of the Cauer network R c , i, i thermal capacities of the Cauer network C c , i, a possible connection 6 to other components and a grounding or connection to the environment
  • the Cauer networks are physically correct and repre ⁇ animals, the actual thermal resistance R of the heat emitting device 1.
  • the Cauer networks have but takes the disadvantage of a complex calculation, the long computing times in claim.
  • the obtained from the Cauer networks ther mix resistors R c, i to R c, ii is equal to
  • the thermal resistances and thermal capacities of the Cauer networks (C c , ii, Rc, i-i) (except the thermal capacitance and the thermal resistance of the member responsible for cooling are used) to the heat transfer coefficient shown in Fig. 4 ⁇ to determine the curve curves 8 as a function of the curve by adapting the curve.
  • These curves 8 can be used to determine target values of the thermal resistances R z by interpolation for a predefinable target heat transfer coefficient h z .
  • the temperature T (t) at an interface as a function of time t is as follows:
  • FIG. 5 shows a view of an electric or hybrid electric aircraft, as an example of an aircraft 10, with a power electronic system 9 and an electric machine or a motor 12.
  • the motor 12 rotates a propeller 11.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Computerimplementiertes Verfahren zur Bestimmung von thermischen Widerständen (R) einer wärmeabgebenden Vorrichtung (1) in Abhängigkeit des Wärmeübergangskoeffizienten (h), ein zugehöriges Simulationssystem, ein Computerprogrammprodukt, ein Computerlesbares Medium und ein Luftfahrzeug (10).

Description

Beschreibung
Simulation des thermischen Verhaltens einer wärmeabgebenden Vorrichtung
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein computerimplementier tes Verfahren zur Bestimmung von thermischen Widerständen ei ner wärmeabgebenden Vorrichtung in Abhängigkeit des Wärme übergangskoeffizienten, ein zugehöriges Simulationssystem, ein Computerprogrammprodukt, ein computerlesbares Medium und ein Luftfahrzeug mit einem Simulationssystem.
Beschreibung des Stands der Technik
Die Zuverlässigkeit und Lebensdauer wärmeabgebender Vorrich tung, insbesondere elektrischer Systeme, hängt entscheidend von ihrer thermischen Belastung ab. Design, Größe und Gewicht werden vom Kühlkonzept mitbestimmt. Daraus ergibt sich für die Elektronikentwicklung das Ziel, die thermischen Verhält nisse in den Systemen bereits in einer frühen Entwicklungs phase zu verstehen. Zusätzlich ist die thermische Überwachung elektrischer Systeme während des Betriebs in Echtzeit in ei ner vermehrten Anzahl von Anwendungen essentiell.
Die thermische Optimierung erfordert eine präzise Analyse der Wärmepfade. Grobe Abschätzungen und Erfahrung reichen auf grund der gestiegenen Systemkomplexität und Anforderungen in der Regel nicht mehr aus.
Parameter wie z.B. Verlustleistungen, Kühlkörpergeometrie o- der die Platzierung von elektrischen Bauelementen beeinflus sen die Temperaturen, Wärmeströme und Strömungsverhältnisse in elektrischen Systemen. Diese wiederum beeinflussen die zu erwartende Lebensdauer der einzelnen Komponenten. Um diese Paramente zu bestimmen bzw. Wärmeflüsse zu simulie ren, müssen aktuell komplexe Tools zur Berechnung von Tempe ratur- und Strömungen programmiert werden.
Bei der Wärmeübertragung zwischen einem Festkörper und einem angrenzenden Fluid (= Kühlmedium oder Kühlmittel) beschreiben Nusselt-Korrelationen den Wärmeübergang. Im Falle der Wärme strahlung kann das Stefan-Boltzmann-Gesetz angewandt werden. Da beim übertragenen Wärmestrom die Wechselwirkungen aller Flächen, die mit der Wärmequelle in sichtbaren Kontakt sind, zu berücksichtigen sind, entstehen hier schnell komplexe Rechnungen .
Eine bekannte Möglichkeit für die schnelle Berechnung von Temperaturen in einem elektrischen System besteht darin, die wärmeabgebende Vorrichtung durch ein RC-Netzwerk zu „erset zen" (= simulieren) . Dabei wird jede thermisch relevante Schicht im Wärmepfad durch einen thermischen Widerstand R und eine thermischen Kapazität C dargestellt.
Sind die thermischen Widerstände und Kapazität im Modell paarweise parallelgeschaltet, spricht man vom Foster- Netzwerk. Dieses ist mathematisch einfach zu beschreiben. Das Aufheizen und Abkühlen einer Wärmequelle kann damit im Falle eines eindimensionalen Wärmepfads meist zufriedenstellend be schrieben werden. Allerdings entsprechen die einzelnen R- und C-Werte des Foster-Netzwerks nicht den tatsächlichen Werten der einzelnen Schichten der wärmeabgebenden Vorrichtung. Das ergibt sich schon daraus, dass die einzelnen Kapazitäten des Foster-Netzwerks nicht gegen Masse, also die Umgebung, ge schaltet sind.
Um nicht nur den thermischen Widerstand des gesamten Wärme pfads zu modellieren, sondern mit den tatsächlich im elektri schen System vorliegenden R- und C-Werten zu arbeiten, muss das Foster- in ein Cauer-Netzwerk transformiert werden. Die Details der Transformation und ihre Beschreibung sind bei spielsweise aus einschlägigen Normen bekannt.
Das zeitliche Verhalten eines eindimensionalen Wärmepfads lässt sich im Foster-Modell mit einer Summe von Exponential funktionen beschreiben. Auf ein einfaches Lastprofil PL rea giert das System mit einem exponentiellen Temperaturanstieg. Eine zeitlich andere Anregung als Lastprofil, beispielsweise eine Folge von Rechteckimpulsen, lässt sich leicht durch die Überlagerung zeitlich versetzter Lastprofile mit angepasster Last PLi abbilden. Dabei kann PLi auch negative Werte anneh men .
Im Fall des eindimensionalen Wärmepfads kann dies mit über schaubarem Aufwand z.B. in Tabellenkalkulationsprogrammen be rechnet werden. Für die Berechnung komplizierterer, mehrdi mensionaler RC-Netzwerke empfehlen sich grafikorientierte Programme. Der Anwender baut sich sein RC-Netzwerk am Bild schirm auf und definiert die Rand- und Anfangsbedingungen.
Die Herausforderung ist dabei, die realen Wärmepfade im elektrischen System und deren Wechselwirkung im Modell rich tig abzubilden. Die Validierung des Modells durch den Ver gleich mit Messergebnissen ist Pflicht. Numerische Berech nungsmethoden sind gegenüber der Berechnung mit RC-Netzwerken genauer, allerdings auch langsamer. Die numerische Berechnung des Auf- und Abkühlens komplexer elektrischer Systemen kann auch heute noch mehrere Tage dauern. Dies schließt eine Über wachung elektrischer Systeme während des Betriebs in Echtzeit aus .
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, den Stand der Tech nik dahingehend zu verbessern, dass eine Überwachung und Prognose des thermischen Verhaltens elektrischer Systeme in Echtzeit möglich ist und die gewonnen Information beispiels weise zur Anpassung des Betriebs verwendet werden können. Die Erfindung soll insbesondere bei elektrischen Systemen in der Luftfahrt zum Einsatz kommen.
Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung.
Ein Aspekt der Erfindung besteht darin, den Stand der Technik um eine Rücktransformation der R- und C-Werte des Cauer- Netzwerks in ein weiteres Foster-Netzwerk zu erweitern.
Die Erfindung beansprucht einen computerimplementiertes Ver fahren zur Bestimmung von thermischen Widerständen einer wär- meabgebenden Vorrichtung in Abhängigkeit des Wärmeübergangs koeffizienten. Das Verfahren beinhaltet die Schritte:
a) Ermittlung von das thermische Verhalten simulierenden ers te Foster-Netzwerken für mindestens drei unterschiedliche Wärmeübergangskoeffizienten, b) Transformation der ermittel ten ersten Foster-Netzwerke in Cauer-Netzwerke, c) Ermittlung der Wärmeübergangskoeffizient-abhängigen Kurvenverläufe der thermischen Widerstände des Cauer-Netzwerks durch Kurvenan passung (auch als Fitting bezeichenbar) anhand der transfor mierten Cauer-Netzwerke und d) Ermittlung von Zielwerten der thermischen Widerstände aus den Kurvenverläufen durch Inter polationen für einen vorgebbaren Ziel- Wärmeübergangskoeffizienten .
Dies hat den Vorteil, dass die Bestimmung von thermischen Wi derständen einer wärmeabgebenden Vorrichtung in Abhängigkeit des Wärmeübergangskoeffizienten mit sehr geringem Rechenauf wand und innerhalb kürzester Zeit ermöglicht wird. Dies macht eine Anwendung des Verfahrens in Echtzeit möglich.
Ein wesentlicher Aspekt besteht darin, dass nur noch einfache Interpolationen benötigt sind, um das thermische verhalten für jede Art von Randbedingungen zu berechnen. Dies führt zu extrem kurzen Rechenzeiten im Bereich eine tausendstel Sekun de. Dies wiederum ermöglicht EchtZeitberechnung, um die Tem peratur an kritischen Stellen des Systems während dem Betrieb zuverlässig vorherzusagen.
Die Ermittlung des ersten Foster-Netzwerks kann auf Basis ei ner thermischen Simulation aber auch auf Basis experimentel ler Messungen erfolgen.
Die drei unterschiedlichen Wärmeübergangskoeffizienten können drei unterschiedliche Entwärmungsbedingungen der wärmeabge- benden Vorrichtung in der Umgebung darstellen. Für jeden ein zelnen Wärmeübergangskoeffizienten wird dabei ein erstes Fos- ter-Netzwerk und anschließend ein Cauer-Netzwerk erstellt.
Die thermischen Widerstände der ersten Foster-Netzwerke haben dabei keine Beziehung zu den tatsächlich vorliegenden thermi schen Widerständen der wärmeabgebenden Vorrichtung. Das erste Foster-Netzwerk ist somit physikalisch nicht korrekt. Deshalb werden die ersten Foster-Netzwerke in Cauer-Netzwerke über führt .
Die Cauer-Netzwerke sind physikalisch korrekt und repräsen tieren die tatsächlichen thermischen Widerstände der wärmeab gebenden Vorrichtung. Die Cauer-Netzwerke haben aber den Nachteil einer komplexen Kalkulation, die lange Rechenzeiten in Anspruch nimmt. Deshalb werden die aus den Cauer- Netzwerken erhaltenen thermischen Widerstände verwendet um Wärmeübergangskoeffizient-abhängigen Kurvenverläufe durch Kurvenanpassung zu ermitteln. Diese Kurvenverläufe können zur Ermittlung von Zielwerten der thermischen Widerstände durch Interpolationen für einen vorgebbaren Ziel- Wärmeübergangskoeffizienten verwendet werden.
In einer weiteren Ausgestaltung kann das computerimplemen tiertes Verfahren zur Bestimmung des thermischen Verhaltens der wärmeabgebenden Vorrichtung ausgebildet sein und weitere Schritte beinhalten: a) ein Rückfitten der thermischen Wider- stände (Rc,i) und zugehörigen thermischen Kapazitäten (Cc,i) der Cauer-Netzwerke in zweite Foster-Netzwerke, wobei die thermischen Widerstände und thermischen Kapazitäten der zwei ten Foster-Netzwerke (CF2,i-i/ RF2,i-i) gleich den thermischen Widerständen und thermischen Kapazitäten der Cauer-Netzwerke (Cc,i-i, Rc,i-i) , ausgenommen die thermische Kapazität und der thermische Widerstand des für die Kühlung verantwortlichen Glieds, sind, wobei das für Kühlung erantwortliche Glied durch den Wärmeübergangskoeffizienten (h) bestimmt ist, b) eine Ermittlung der komplexen thermischen Widerstände in den zweiten Foster-Netzwerken und c) eine Ermittlung des zeitab hängigen Temperaturverlaufs an der den Wärmeübergangskoeffi¬ zienten bestimmenden Grenzfläche der wärmeabgebenden Vorrich tung durch Einbeziehung der ermittelten komplexen thermischen Widerstände .
Dies hat den Vorteil, dass das Verfahren bestehende Annähe¬ rungsverfahren und mathematische Methoden ( Foster-Netzwerk und Cauer-Netzwerk) kombiniert und die Berechnung des thermi schen Verhaltens für jede Art von Kühlbedingungen und Last profilen mit sehr geringem Rechenaufwand und innerhalb kür¬ zester Zeit ermöglicht. Dies macht eine Anwendung des Verfah¬ rens in Echtzeit möglich.
In einer weiteren Ausführung ist die wärmeabgebende Vorrich tung ein leistungselektronisches System.
Dies hat den Vorteil, dass die Berechnung des transienten thermischen Verhaltens von leistungselektronischen Systemen für verschiedene Kühlbedingungen und Verlustleistungen mög lich ist, was nach dem Stand der Technik mit hohem Rechen und Zeitaufwand verbunden ist.
In einer weiteren Ausführung wird aus dem ermittelten Tempe raturverlauf der Betrieb der wärmeabgebenden Vorrichtung an gepasst . Dies hat den Vorteil, dass der Betrieb auf den vorhandenen Temperaturverlauf der wärmeabgebenden Vorrichtung reagiert und so Ausfälle oder Störungen vermieden werden können.
Die Erfindung beansprucht außerdem ein Simulationssystem zur Bestimmung des thermischen Verhaltens der wärmeabgebenden Vorrichtung ausgebildet das erfindungsgemäße Verfahren durch zuführen .
Die Erfindung beansprucht außerdem ein Computerprogrammpro dukt, umfassend ein Computerprogramm, wobei das Computerpro gramm in eine Speichereinrichtung eines Simulationssystems ladbar ist, wobei mit dem Computerprogramm die Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens ausgeführt werden, wenn das Com puterprogramm auf dem Simulationssystem ausgeführt wird.
Die Erfindung beansprucht außerdem ein computerlesbares Medi um, auf welchem ein Computerprogramm gespeichert ist, wobei das Computerprogramm in eine Speichereinrichtung eins Simula tionssystems ladbar ist, wobei mit dem Computerprogramm die Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens ausgeführt wer den, wenn das Computerprogramm auf dem Simulationssystem aus geführt wird.
Die Erfindung beansprucht außerdem ein Luftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Simulationssystem und einer wärmeabgebenden Vorrichtung .
Dies hat den Vorteil, dass im Luftfahrzeug in Echtzeit auf kritische Temperaturänderungen der wärmeabgebenden Vorrich tung reagiert werden kann.
Unter Luftfahrzeug wird jede Art von fliegendem Fortbewe- gungs- oder Transportmittel, sei es bemannt oder unbemannt, verstanden . In einer weiteren Ausführung ist weißt das erfindungsgemäße Luftfahrzeug einem elektrischen oder hybrid-elektrischen Flugantrieb auf.
In einer weiteren Ausführung ist das erfindungsgemäße Luft fahrzeug ein Flugzeug.
Die Erfindung hat den weiteren Vorteil, dass das Verfahren und das Simulationssystem auf eine Vielzahl weiterer techni scher Systeme übertragen werden kann.
KURZE BESCHRE IBUNG DER ZE ICHNUNGEN
Die Besonderheiten und Vorteile der Erfindung werden aus den nachfolgenden Erläuterungen mehrerer Ausführungsbeispiele an hand von schematischen Zeichnungen ersichtlich.
Es zeigen
Fig. 1 einen Schnitt durch ein elektrisches Bauteil,
Fig. 2 ein Foster-Netzwerk,
Fig. 3 ein Cauer-Netzwerk,
Fig. 4 Wärmeübergangskoeffizient-abhängigen Kurvenverläu fe der thermischen Widerstände,
Fig. 5 eine Ansicht eines Flugzeugs.
DE TAILLIERTE BESCHRE IBUNG DER ERFINDUNG
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer wärmeabge- benden Vorrichtung 1 mit einer ersten Schicht 2, einer zwei ten Schicht 3, einer dritten Schicht 4 und einer vierten Schicht 5. Auf entgegengesetzter Seite des Wärmeeintrags durch ein Lastprofil PL kann ein Wärmeübergangskoeffizienten h in der Einheit [W/m2K] ermittelt werden.
Fig. 2 zeigt ein erstes Foster-Netzwerk mit i thermischen Wi derständen des ersten Foster-Netzwerks RFi,i, i thermischen Kapazitäten des ersten Foster-Netzwerks CFi,i, einer möglichen Verbindung 6 zu anderen Komponenten und einer Erdung oder An bindung an die Umgebung 7.
Der zeitabhängige komplexe thermische Widerstand Z (t) einer wärmeabgebenden Vorrichtung in Abhängigkeit der Zeit t aus der eingebrachten zeitabhängigen Wärmeleistung PL(t) wie folgt :
T(t)
Z(t) = 1
PL(t) ()
Der komplexe thermische Widerstand Z (t) in Abhängigkeit der Zeit t ergibt sich auch aus dem Foster-Netzwerk wie folgt, wobei Ri der thermische Widerstand und Ci die thermische Ka pazität sind:
Figure imgf000011_0001
Die thermischen Widerstände der ersten Foster-Netzwerke RFI,I haben dabei keine Beziehung zu den tatsächlich vorliegenden thermischen Widerständen R der wärmeabgebenden Vorrichtung 1 Das erste Foster-Netzwerk ist somit physikalisch nicht kor rekt. Deshalb werden die ersten Foster-Netzwerke in Cauer- Netzwerke überführt.
Fig. 3 zeigt ein Cauer-Netzwerk mit i thermischen Widerstän den des Cauer-Netzwerks Rc,i, i thermischen Kapazitäten des Cauer-Netzwerks Cc,i, einer möglichen Verbindung 6 zu anderen Komponenten und einer Erdung oder Anbindung an die Umgebung
7. Die Cauer-Netzwerke sind physikalisch korrekt und repräsen¬ tieren die tatsächlichen thermischen Widerstände R der wärme- abgebenden Vorrichtung 1. Die Cauer-Netzwerke haben aber den Nachteil einer komplexen Kalkulation, die lange Rechenzeiten in Anspruch nimmt .
Deshalb werden die aus den Cauer-Netzwerken erhaltenen ther mischen Widerstände Rc,i bis Rc,i-i (wobei die thermischen Wi¬ derstände und thermischen Kapazitäten der zweiten Foster- Netzwerke (CF2,i-i/ RF2,i-i) gleich den thermischen Widerständen und thermischen Kapazitäten der Cauer-Netzwerke (Cc,i-i, Rc,i- i) , ausgenommen die thermische Kapazität und der thermische Widerstand des für die Kühlung verantwortlichen Glieds, sind) verwendet, um die in Fig. 4 gezeigten Wärmeübergangskoeffi¬ zient-abhängigen Kurvenverläufe 8 durch Kurvenanpassung zu ermitteln. Diese Kurvenverläufe 8 können zur Ermittlung von Zielwerten der thermischen Widerstände Rz durch Interpolatio nen für einen vorgebbaren Ziel-Wärmeübergangskoeffizienten hz verwendet werden.
Im Beispiel in Fig. 4 sind pro Kurvenverlauf 8 drei Stütz¬ punkte, die zur Ermittlung des Kurvenverlaufs verwendet wur¬ den, eingezeichnet. Für jeden beliebigen Ziel- Wärmeübergangskoeffizienten hz kann mit den Kurvenverläufen der Zielwert des thermischen Widerstandes Rz durch Interpola¬ tion ermittelt werden.
Die Temperatur T(t) an einer Grenzschicht in Abhängigkeit der Zeit t ergibt sich wie folgt:
Figure imgf000012_0001
Wobei cp die Integrationsvariable ist und für Z in Gleichung (3) Gleichung (2) verwendet werden kann. Fig. 5 zeigt eine Ansicht eines elektrischen oder hybrid elektrischen Flugzeugs, als Beispiel eines Luftfahrzeugs 10, mit einem Leistungselektronisches System 9 und einer elektri- sehen Maschine oder einem Motor 12. Der Motor 12 versetzt ei nen Propeller 11 in Rotation.
Obwohl die Erfindung im Detail durch die Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, ist die Erfindung durch die offenbarten Beispiele nicht eingeschränkt und ande re Variationen können vom Fachmann daraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims

Patentansprüche
1. Computerimplementiertes Verfahren zur Bestimmung von ther mischen Widerständen einer wärmeabgebenden Vorrichtung (1) in Abhängigkeit des Wärmeübergangskoeffizienten [W/m2K]
(h) mit den Schritten:
a) eine Ermittlung von das thermische Verhalten simulierenden erste Foster-Netzwerken für mindestens drei unterschiedli che Wärmeübergangskoeffizienten (h) ,
b) eine Transformation der ermittelten ersten Foster- Netzwerke in Cauer-Netzwerke,
c) eine Ermittlung der Wärmeübergangskoeffizient-abhängigen Kurvenverläufe (8) der thermischen Widerstände des Cauer- Netzwerks (Rc,i) durch Kurvenanpassung anhand der transfor mierten Cauer-Netzwerke und
d) für einen vorgebbaren Ziel-Wärmeübergangskoeffizienten
(hz) eine Ermittlung von Zielwerten der thermischen Wider stände (Rz) aus den Kurvenverläufen durch Interpolationen.
2. Computerimplementiertes Verfahren nach Anspruch 1 zur Be stimmung des thermischen Verhaltens der wärmeabgebenden Vorrichtung (1) mit den weiteren Schritten:
a) ein Rückfitten der thermischen Widerstände (Rc,i) und zuge hörigen thermischen Kapazitäten (Cc,i) der Cauer-Netzwerke in zweite Foster-Netzwerke, wobei die thermischen Wider stände und thermischen Kapazitäten der zweiten Foster- Netzwerke (CF2,ii/ RF2,ii) gleich den thermischen Widerstän den und thermischen Kapazitäten der Cauer-Netzwerke (Cc,i- i, Rc,i-i) , ausgenommen die thermische Kapazität und der thermische Widerstand des für die Kühlung verantwortlichen Glieds, sind, wobei das für Kühlung verantwortliche Glied durch den Wärmeübergangskoeffizienten (h) bestimmt ist, b) eine Ermittlung der komplexen thermischen Widerstände in den zweiten Foster-Netzwerken und
c) eine Ermittlung des zeitabhängigen Temperaturverlaufs an der den Wärmeübergangskoeffizienten (h) bestimmenden
Grenzfläche der wärmeabgebenden Vorrichtung (1) durch Ein- beziehung der ermittelten komplexen thermischen Widerstän de .
3. Computerimplementiertes Verfahren nach einem der vorheri gen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die wärmeabgebende Vorrichtung ein leistungselektro nisches System (9) ist.
4. Computerimplementiertes Verfahren nach einem der vorheri gen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass aus dem ermittelten Temperaturverlauf der Betrieb der wärmeabgebenden Vorrichtung (1) angepasst wird.
5. Simulationssystem zur Bestimmung des thermischen Verhal tens der wärmeabgebenden Vorrichtung (1) ausgebildet das Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4 durchzuführen.
6. Computerprogrammprodukt, umfassend ein Computerprogramm, wobei das Computerprogramm in eine Speichereinrichtung ei nes Simulationssystems ladbar ist, wobei mit dem Computer programm die Schritte eines Verfahrens nach einem der An sprüche 1 bis 4 ausgeführt werden, wenn das Computerpro gramm auf dem Simulationssystem ausgeführt wird.
7. Computerlesbares Medium, auf welchem ein Computerprogramm gespeichert ist, wobei das Computerprogramm in eine Spei chereinrichtung eins Simulationssystems ladbar ist, wobei mit dem Computerprogramm die Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 ausgeführt werden, wenn das Computerprogramm auf dem Simulationssystem ausgeführt wird .
8. Luftfahrzeug (10) mit einem Simulationssystem nach An spruch 5 und einer wärmeabgebenden Vorrichtung (1) .
9. Luftfahrzeug (10) nach Anspruch 8 mit einem elektrischen oder hybrid-elektrischen Flugantrieb.
10. Luftfahrzeug (10) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Luftfahrzeug (10) ein Flugzeug ist.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113484051A (zh) * 2021-06-03 2021-10-08 中国科学技术大学 一种机载系统实时热等效模拟方法及系统

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
PAOLO EMILIO BAGNOLI ET AL: "Thermal Resistance Analysis by Induced Transient (TRAIT) Method for Power Electronic Devices Thermal Characterization-Part I: Fundamentals and Theory", IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, INSTITUTE OF ELECTRICAL AND ELECTRONICS ENGINEERS, USA, vol. 13, no. 6, 1 November 1998 (1998-11-01), XP011043229, ISSN: 0885-8993 *
SHWETA NATARAJAN ET AL: "Measuring the Thermal Resistance in Light Emitting Diodes Using a Transient Thermal Analysis Technique", IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, IEEE SERVICE CENTER, PISACATAWAY, NJ, US, vol. 60, no. 8, 1 August 2013 (2013-08-01), pages 2548 - 2555, XP011520753, ISSN: 0018-9383, DOI: 10.1109/TED.2013.2271485 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN113484051A (zh) * 2021-06-03 2021-10-08 中国科学技术大学 一种机载系统实时热等效模拟方法及系统
CN113484051B (zh) * 2021-06-03 2022-04-01 中国科学技术大学 一种机载系统实时热等效模拟方法及系统

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