WO2022003086A1

WO2022003086A1 - Verfahren zur bestimmung einer dynamischen temperaturverteilung über den querschnitt und die länge eines hochstromkabels

Info

Publication number: WO2022003086A1
Application number: PCT/EP2021/068133
Authority: WO
Inventors: Daniele FARRACE; Florian FÜRER; Romeo Bianchetti
Original assignee: Leoni Kabel Gmbh
Priority date: 2020-07-03
Filing date: 2021-07-01
Publication date: 2022-01-06
Also published as: DE102020117588A1; DE102020117588B4

Abstract

Verfahren zur Bestimmung einer dynamischen Temperaturverteilung über den Querschnitt und die Länge eines Hochstromkabels Ein Verfahren zur Bestimmung einer Temperaturverteilung über den Querschnitt und die Länge eines Hochstromkabels umfasst die Schritte: - Erstellen eines thermoelektrischen Ersatzschaltkreises für jeden der mehreren Hochstromleiter, - Kombinieren der thermoelektrischen Ersatzschaltkreise zu einem Gesamtersatzschaltkreis, - Ermitteln einer ersten Näherung der Temperaturverteilung über den Querschnitt und die Länge eines Hochstromkabels; - Erfassen zumindest einer Temperatur an einer Stelle des Hochstromkabels; - Verbessern des Gesamtersatzschaltkreises basierend auf einem Vergleich der ersten Näherung der Temperaturverteilung über den Querschnitt und die Länge eines Hochstromkabels mit der erfassten Temperatur an einer Stelle des Hochstromkabels.

Description

Verfahren zur Bestimmung einer dynamischen Temperaturverteilung über den Quer schnitt und die Länge eines Hochstromkabels

Beschreibung

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 Sensorlei^¬ tungen bekannt, die eine Temperatur an einem bestimmten Punkt im oder am Hoch stromkabel erfassen. Zum Beispiel offenbart das Dokument DE 10 2017 213 931 Al eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung eines Temperaturverlaufs ent lang 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 Hochstrom leitern unterschiedlicher Ausformung, zusätzlichen Kühlmittelleitungen sowie wärme isolierenden 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. Fer ner würde der Einsatz der hierzu benötigten Vielzahl von Sensoren oder Sensorlei tungen 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. Nach- teilig 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 Bei spiel für eine (Quasi-) Echtzeitüberwachung eines Gleichstromladekabels für Elektro^¬ automobile 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 thermoelektri scher Ersatzschaltkreis modelliert wird. Diese Verfahren können jedoch nur auf ein- oder mehradrige stromführende Leiter angewandt werden und berücksichtigen aus^¬ schließlich 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 Be^¬ stimmung einer dynamischen Temperaturverteilung über den Querschnitt und die Länge eines Hochstromkabels nicht ausreichend, lediglich einen radialen Temperatur^¬ fluss zur Umgebung eines einzelnen stromführenden Leiters als thermoelektrischen Ersatzschaltkreis zu modellieren und die gegenseitigen thermoelektrischen Wechsel wirkungen der Kabelkomponenten unberücksichtigt zu lassen.

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 Hoch^¬ stromkabels, wobei die Querschnittsfläche eine gedachte radiale Schnittfläche des Hochstromkabels ist. Mit anderen Worten kann beschrieben werden, dass eine Quer schnittsfläche jene Fläche ist, die bei einer gedachten Durchtrennung des Hoch^¬ stromkabels 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 inner^¬ halb des Hochstromkabels beschrieben werden.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach dem Anspruch 1 gelöst. Mögliche Aus^¬ gestaltungen 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 stromfüh renden 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, wel che jeweils einen stromführenden Leiter und eine Isolation umfassen, ist zum Beispiel aus den eingangs zitierten Dokumenten bekannt. b) Kombinieren der thermoelektrischen Ersatzschaltkreise zu einem Gesamtersatz schaltkreis, wobei die thermischen Übergänge und/oder thermoelektrischen Wech selwirkungen 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 thermoelektri sche Gesamtersatzschaltkreis mehr modellierte Komponenten aufweist, als die Sum^¬ me der modellierten thermoelektrischen Komponenten der mehreren Hochstromleiter, da neben den Komponenten der Hochstromleiter auch die thermo elektrischen 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 Hoch^¬ stromleitern und/oder der Messleitung und/oder der Kühlmittelleitung angeordnetes Füllmaterial und/oder eine Hochstromkabelummantelung, insbesondere eine dielekt^¬ rische Hochstromkabelummantelung, aufweisen.

Die thermischen Übergänge und/oder thermoelektrischen Wechselwirkungen zwi schen zumindest einem Hochstromleiter und/oder zumindest einer weiteren zu dem Hochstromleiter benachbart angeordneten Hochstromkabelkomponente können ebenfalls als thermische Widerstände und/oder thermische Massen modelliert wer^¬ den. 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 thermi schen Massen" im Sinne dieses Patents alle thermischen und/oder elektrischen Wi derstände 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 thermi schen 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, unab hängig davon, ob diese auf eine Modellierung der Hochstromleiter, eine Modellierung der thermischen Übergänge und/oder thermoelektrischen Wechselwirkungen zwi schen zueinander benachbart angeordneten Hochstromleitern und/oder auf die Be rücksichtigung weiterer Hochstromkabelkomponenten zurückgeht.

Die Schätzung der ersten Näherung der Parameter für die modellierten thermischen und/oder elektrischen Widerstände bzw. Massen kann auf einer Optimierungsfunkti on 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 strom- führenden 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 Eingangsstrom^¬ stärke 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 Ausführungs formen möglich, bei denen Stecker und andere an das eigentliche Kabel angeschlos^¬ sene 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 Hoch stromleiter 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 Hochstromka^¬ bels ermittelt werden. Optional kann an dieser Stelle die ermittelte erste Näherung für die Temperaturver teilung entlang der Messleitung mit einer tatsächlich gemessenen Temperaturvertei lung 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 Tem peratur 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 Tem peraturverteilung 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 Tempe- raturverteilung entlang der Messleitung und der tatsächlich gemessenen Tempera turverteilung 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 Al offenbarten Verfahren ermittelt werden.

Insbesondere kann die Erfassung einer Temperatur und/oder Temperaturverteilung an einer bestimmten Stelle einer Messleitung ein (vektorielles) Frequenzbereichsre- flektometrieverfahren oder ein Zeitbereichsreflektometrieverfahren umfassen.

In weiteren Varianten kann das Ermitteln der ersten Näherung der Temperaturvertei lung 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 gemesse nen oder geschätzten Umgebungslufttemperatur basieren. dl) (Erste Option für Schritt d) Vergleich der ermittelten ersten Näherung der Tem- peraturverteilung 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 mo- dellierten thermischen und/oder elektrischen Widerstände und/oder thermischen Massen basierend auf diesem Vergleich.

In einer Variante kann hierbei die ermittelte Temperaturverteilung entlang der Mess leitung mit der gemessenen Temperaturverteilung entlang der Messleitung verglichen werden und, basierend auf diesem Vergleich, mittels eines numerischen Optimie^¬ rungsverfahrens die Modellierung der thermischen und/oder elektrischen Widerstän de und/oder der thermischen Massen des Gesamtersatzschaltbildes angeglichen werden.

Hierdurch kann zum Beispiel auch ein Nichtberücksichtigen von bestimmten tatsäch lich existierenden physikalischen Sachverhalten und/oder von bestimmten physikali schen Effekten bzw. Parametern, zum Beispiel von Fertigungstoleranzen oder von externen Wetterbedingungen, bei der Ermittlung der Näherung der Temperaturver teilung über den Querschnitt und die Länge des Hochstromkabels mit Hilfe des Ge^¬ samtersatzschaltbildes kompensiert werden.

Mit anderen Worten wird mittels eines Vergleichs der ermittelten Temperaturvertei^¬ lung über den Querschnitt und die Länge des Hochstromkabels mit der tatsächlichen Temperaturverteilung entlang der Messleitung und/oder mit zumindest einer erfass ten 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 insbesonde re ein numerisches Optimierungsverfahren genutzt werden.

Alternativ oder ergänzend zu einem Temperaturvergleich mit einer Temperaturvertei lung entlang der Messleitung kann die gemäß Schritt c) ermittelte Temperaturvertei^¬ lung 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 Tempera^¬ tursensoren 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 eben falls 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 Tempe- raturverteilung 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 Nähe rung für die Parameter der modellierten thermischen und/oder elektrischen Wider stände 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 Para meter der modellierten thermischen und/oder elektrischen Widerstände und/oder thermischen Massen berücksichtigt werden.

In einer Variante des hier beschriebenen Verfahrens kann die Messleitung dazu ge eignet 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 elektri schen Widerstände und/oder thermischen Massen optional auch auf der ersten Nähe rung 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 Al 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 vorbesti mm baren 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 erfass ten Temperatur an einer bestimmten Stelle der Messleitung und/oder die Tempera turverteilung über den Querschnitt und/oder die Länge der Messleitung kann hierbei ausdrücklich auch "0" sein, sodass die zweite Näherung für die Parameter der model lierten 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 Optimierungsfunk tion umfassen, die neben der ersten Näherung der Temperaturverteilung über den Querschnitt und die Länge des Hochstromkabels und/oder der zumindest einen er^¬ fassten 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

- 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 Temperaturver teilung über den Querschnitt und die Länge des Hochstromkabels mit einer Tempera^¬ turverteilung über den Querschnitt und die Länge des Hochstromkabels gemäß der FEM Simulation und Ermittlung einer zweiten Näherung der Parameter für die model lierten thermischen und/oder elektrischen Widerstände und/oder thermischen Mas sen.

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 dl) 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 dl), 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 tat^¬ sächlichen 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 ins besondere ein numerisches Optimierungsverfahren genutzt werden.

Auch hierbei kann die Ermittlung der zweiten Näherung der Parameter für die model lierten thermischen und/oder elektrischen Widerstände bzw. Massen, analog zu Schritt dl), 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

- 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 Nä herung ermittelten Parametern für die modellierten thermischen und/oder elektri schen 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 Hoch stromkabels, 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 Wider stände bzw. Massen berücksichtigt, kann die zweite Näherung der Temperaturvertei^¬ lung über den Querschnitt und die Länge des Hochstromkabels sich insbesondere auch an von der Messleitung beabstandeten Stellen des Hochstromkabels einer tat sächlichen 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 ge^¬ messenen oder geschätzten Kühlmitteltemperatur und/oder auf einer gemessenen oder geschätzten Intensität einer Sonneneinstrahlung und/oder auf einer gemesse nen oder geschätzten Umgebungslufttemperatur basieren.

In weiteren Varianten kann die Ermittlung der zweiten Näherung der Temperaturver teilung über den Querschnitt und die Länge des Hochstromkabels ein numerisches Optimierungsverfahren umfassen.

Die Verfahrensschritte dl) oder d2) und/oder e) können fortlaufend wiederholt wer^¬ den, wobei bei einer Wiederholung dieser Verfahrensschritte die jeweils zuletzt ermit^¬ telten 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 wiederholen den Verfahrensschritte darstellt. Hierdurch können die Ermittlung des zeitlichen Ver laufs 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 numeri- sehe Optimierungsverfahren zur Ermittlung der zweiten Näherung der Temperatur verteilung über den Querschnitt und die Länge des Hochstromkabels, jeweils mehre^¬ re 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. Temperaturver läufe über den Querschnitt und die Länge eines Hochstromkabels mit den mit Hilfe des FEM-Modells bestimmten tatsächlichen Temperaturverteilung über den Quer schnitt und/oder die Länge des Hochstromkabels verbessert werden (siehe Schritt d2).

Anschließend können die modellierten thermischen und/oder elektrischen Widerstän de und/oder thermischen Massen - in einer Betriebsphase - mittels eines, insbeson dere 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 tatsächli chen Temperaturwerten und/oder Temperaturverläufen weiter verbessert werden (siehe Schritt dl).

Vorteilhaft ist, dass einerseits die Ermittlung von (dynamischen) Temperaturvertei^¬ lungen 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 Diffe renzialgleichungen 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, insbe sondere 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 in^¬ nerhalb des Hochstromkabels zu ermitteln. Das Verfahren stellt somit besonders niedrige Anforderungen an die im Hochstromkabel bereitzustellende Erfassungssen^¬ sorik. In einer Verfahrensweiterbildung kann das durch die vorangehend erläuterte Verfah rensschritte definierte Verfahren weiter einen zusätzlichen Verfahrensschritt f) umfas^¬ sen: f) Bestimmen einer Materialalterung der Isolationen der stromführenden Leiter und/oder des Füllmaterials und/oder der Kühlmittelleitungen und/oder der Hoch stromkabelummantelung mittels eines Vergleichs der zweiten Näherung für die Pa rameter 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, Temperaturver teilung innerhalb des Hochstromkabels zusätzlich auch eine Materialalterung ver schiedener 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 ausge^¬ führt wird, jedoch lediglich bei einer Feststellung einer vorbestimmten oder vorbe stimmbaren 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 Figuren 1 bis 3 aus geführt.

Fig. 1 zeigt schematisch ein Beispiel für eine Querschnittsfläche eines Hochstrom^¬ kabels mit mehreren Hochstromleitern.

Fig. 2 zeigt schematisch ein Beispiel für thermoelektrische Wechselwirkungen zwischen den Komponenten des in Fig. 1 beispielhaft gezeigten Hoch stromkabels.

Fig. 3 zeigt schematisch ein Beispiel für den Ablauf eines Verfahrens zur Bestim^¬ mung einer Temperaturverteilung über den Querschnitt und die Länge ei nes Hochstromkabels. Die Figur 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 Hochstromlei^¬ ter 110 aufweisen. Die einzelnen Hochstromleiter 110 weisen im gezeigten Beispiel jeweils einen stromführenden Leiter 112 und eine Isolierung 114 auf. Die stromfüh renden 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 Kabelquer schnitts jeweils exzentrisch angeordnet sind. Die Anordnung der Messleitung 120 im Hochstromkabel 100 ist zwar insbesondere bei der Ermittlung einer zweiten Nähe^¬ rung 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 Kühlmittelleitun^¬ gen 130 auf, die jeweils zur Durchleitung einer Kühlflüssigkeit geeignet sind. Je nach Ausführungsform des Hochstromkabels kann die Anzahl der Kühlmittelleitungen vari ieren. Die Durchleitung von Kühlflüssigkeiten dient hierbei jeweils der Aufnahme und Abfuhr von Wärmeenergie, die durch einen elektrischen Leistungsabfall an den Lei tungswiderständen der stromführenden Leiter 112 während eines Einsatzbetriebs des Hochstromkabels entsteht bzw. freigesetzt wird.

Ferner kann das gezeigte Hochstromkabel 100 auch aufbandierte Metallfolien aufwei^¬ sen, 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 Hochstromka bels 100 sind in radialer Richtung jeweils von einem Füllmaterial 106 umgeben, wel^¬ ches wiederum von einer dielektrischen Hochstromkabelummantelung 102 radial umschlossen ist. Sowohl das Füllmaterial 106 als auch die Hochstromkabelummante^¬ lung 102 weisen jeweils eine bestimmte Wärmekapazität und eine bestimmte Wär^¬ meleitfähigkeit auf.

Figur 2 zeigt ebenfalls einen Querschnitt durch das Hochstromkabel 100. Die in der Fig. 2 mittels Doppelpfeilen schematisch dargestellten thermoelektrischen Wechsel- Wirkungen bzw. Übergänge, die während eines Betriebs des Hochstromkabels eine Temperaturverteilung in dem Hochstromkabel beeinflussen können, können zumin dest teilweise bei der Erstellung eines thermoelektrischen Gesamtersatzschaltkreises durch die Modellierung von thermischen und/oder elektrischen Widerständen berück sichtigt werden.

Figur 3 zeigt schematisch ein Beispiel für den Ablauf eines Verfahrens zur Bestim^¬ mung einer Temperaturverteilung über den Querschnitt und die Länge eines Hoch stromkabels mit den Schritten S100 bis S160.

Schritt S100 umfasst zumindest das Erstellen eines thermoelektrischen Ersatzschalt^¬ kreises 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 wer den, modelliert werden.

Schritt S110 umfasst zumindest das Kombinieren der thermoelektrischen Ersatz schaltkreise zu einem Gesamtersatzschaltkreis, wobei thermische und/oder elektri^¬ sche 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 Tempera^¬ turverteilung 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 Tempera^¬ tur 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, basie rend 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 Tempera^¬ turverteilung über den Querschnitt und die Länge des Hochstromkabels, basierend auf einer Eingangsstromstärke der jeweiligen Hochstromleiter und dem Gesamter satzschaltkreis mit den in zweiter Näherung ermittelten Parametern für die modellier- ten thermischen und/oder elektrischen Widerstände.

Es versteht sich, dass die zuvor erläuterten beispielhaften Ausführungsformen nicht abschließend sind und den hier offenbarten Gegenstand nicht beschränken. Insbe^¬ sondere ist für den Fachmann ersichtlich, dass er die beschriebenen Merkmale belie- big miteinander kombinieren kann und/oder verschiedene Merkmale weglassen kann, ohne dabei von dem hier offenbarten Gegenstand abzuweichen.

Claims

Patentansprüche

1. Ein Verfahren zur Bestimmung einer Temperaturverteilung über den Querschnitt und die Länge eines Hochstromkabels (100) mit

- mehreren Hochstromleitern (110); und umfasst die Schritte:

- Erstellen (S100) eines thermoelektrischen Ersatzschaltkreises für jeden der mehreren Hochstromleiter, wobei die stromführenden Leiter (112) und die Isolatio nen der stromführenden Leiter (114) jeweils als thermische und/oder elektrische Widerstände, deren Parameter in einer ersten Näherung geschätzt werden, model liert werden;

- Kombinieren (S110) der thermoelektrischen Ersatzschaltkreise zu einem Ge samtersatzschaltkreis, wobei thermische und/oder elektrische Wechselwirkungen zwischen zueinander benachbart angeordneten Hochstromleitern als thermische und/oder elektrische Widerstände, deren Parameter in einer ersten Näherung ge schätzt werden, modelliert werden;

- Ermitteln (S120) einer ersten Näherung der Temperaturverteilung über den Querschnitt und die Länge des Hochstromkabels, basierend auf einer Eingangsstrom^¬ stärke der Hochstromleiter und dem Gesamtersatzschaltkreis mit den in erster Nähe^¬ rung geschätzten Parametern für die modellierten thermischen und/oder elektrischen Widerstände;

- Erfassen (S130) zumindest einer tatsächlichen Temperatur an einer bestimm ten Stelle des Hochstromkabels (100) mittels einer FEM-Simulation des Hochstrom^¬ kabels und/oder mittels einer Messleitung oder einer Messsensorik;

- Ermitteln (S140) einer jeweils zweiten Näherung für die Parameter der model lierten thermischen und/oder elektrischen Widerstände, basierend auf der ersten Näherung der Temperaturverteilung über den Querschnitt und die Länge des Hoch stromkabels und der zumindest einen erfassten Temperatur an einer bestimmten Stelle des Hochstromkabels;

- Ermitteln (S150) einer zweiten Näherung der Temperaturverteilung über den Querschnitt und die Länge des Hochstromkabels, basierend auf einer Eingangsstrom^¬ stärke der jeweiligen Hochstromleiter und dem Gesamtersatzschaltkreis mit den in zweiter Näherung ermittelten Parametern für die modellierten thermischen und/oder elektrischen Widerstände.

2. Verfahren nach dem vorangegangenen Anspruch, wobei das Hochstromkabel (100) eine Messleitung (120) umfasst, dazu geeignet ist, eine Temperaturverteilung über den Querschnitt und/oder die Länge der Messleitung zu erfassen, und/oder das Ermitteln der zweiten Näherung der Temperaturverteilung über den Quer schnitt und die Länge des Hochstromkabels zusätzlich auch auf einer Temperaturver^¬ teilung über den Querschnitt und/oder die Länge der Messleitung basiert.

3. Verfahren nach dem vorangegangenen Anspruch, wobei eine Temperatur an einer bestimmten Stelle der Messleitung und/oder die Tem peratu rverteilung über den Querschnitt und/oder die Länge der Messleitung mit einem Frequenzbereichsreflektometrieverfahren oder einem Zeitbereichsreflektomet- rieverfahren erfasst wird.

4. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Hochstromkabel zumindest eine Kühlmittelleitung (130) umfasst, die zur Durchleitung eines flüssigen oder gasförmigen Kühlmittels geeignet ist, und/oder das Hochstromkabel ein zumindest teilweise zwischen den Hochstromleitern und/oder der Messleitung und/oder der Kühlmittelleitung angeordnetes Füllmaterial (106) umfasst, und/oder das Hochstromkabel eine Hochstromkabelummantelung (102) umfasst.

5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Schätzung der ersten Näherung und/oder die Ermittlung der zweiten Nähe rung der Parameter für die modellierten thermischen und/oder elektrischen Wider stände jeweils auf einer Optimierungsfunktion basiert, die

- einen jeweiligen Abstand der Hochstromleiter zueinander, und/oder

- eine Kühlleistung der Kühlmittelleitung, berücksichtigt.

6. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Ermittlung der zweiten Näherung der Temperaturverteilung über den Quer schnitt und die Länge des Hochstromkabels ein numerisches Optimierungsverfahren umfasst.

7. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei

- die Optimierungsfunktion zur Schätzung der ersten Näherung und/oder zur Ermittlung der zweiten Näherung der Parameter für die modellierten thermischen und/oder elektrischen Widerstände, und/oder

- das numerische Optimierungsverfahren zur Ermittlung der zweiten Näherung der Temperaturverteilung über den Querschnitt und die Länge des Hochstromkabels, mehrere Iterationsschritte umfassen.

8. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Ermitteln der ersten Näherung und/oder der zweiten Näherung der Tempe- raturverteilung über den Querschnitt und die Länge des Hochstromkabels ferner auf einer gemessenen oder geschätzten Kühlmitteltemperatur und/oder auf einer gemes senen oder geschätzten Intensität einer Sonneneinstrahlung und/oder auf einer gemessenen oder geschätzten Umgebungslufttemperatur basiert.

9. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, weiter umfassend den Schritt:

- Bestimmen einer Materialalterung der Isolationen der stromführenden Leiter und/oder des Füllmaterials und/oder der Kühlmittelleitungen und/oder der Hoch stromkabelummantelung mittels eines Vergleichs der zweiten Näherung für die Pa rameter der modellierten thermischen und/oder elektrischen Widerstände mit jeweils vorbestimmten Referenzwerten für die Parameter der modellierten thermischen und/oder elektrischen Widerstände.