Wichtigste Erkenntnisse

• Der Temperaturanstieg im Baugruppe ist ebenso sehr eine Folge der elektrischen Belastung wie eine Folge der Kühlung.
• Die durchschnittliche Temperatur des Pakets verschleiert die lokalen Hotspots und die Temperaturverteilung, die zu einer vorzeitigen Leistungsreduzierung und ungleichmäßiger Alterung führen.
• Die Dimensionierung der Kühlung funktioniert am besten, wenn Sie den Arbeitszyklus, den Strom und den Wärmefluss in einer gekoppelten Pack-Studie modellieren.

Die thermischen Grenzwerte in Akkupacks werden ebenso sehr durch die elektrische Belastung wie durch die Kühlkomponenten bestimmt.

Die Wärmeentwicklung schränkt die Leistung des Akkupakets ein, noch bevor eine Zelle eine Sicherheitsschwelle erreicht. Der weltweite Absatz von Elektroautos überschritt im Jahr 2024 die Marke von 17 Millionen und machte damit mehr als 20 % des gesamten Autoabsatzes aus, sodass sich kleine Fehler im thermischen Design mittlerweile nicht mehr nur bei Pilotflotten, sondern auch bei Serienfahrzeugen bemerkbar machen. Der Temperaturanstieg muss als elektrisches Phänomen betrachtet werden, da sich Arbeitszyklus, Widerstand und Kühlleistung gleichzeitig auf denselben Akku auswirken. Aus diesem Grund muss das Wärmemanagementsystem eines Elektrofahrzeug-Akkus bereits ab der ersten Dimensionierungsphase in die Modellierung des Akkus einbezogen werden.

Ein Batteriewärmemanagementsystem leitet Wärme an die Umgebung ab

Ein Batteriewärmemanagementsystem leitet Wärme aus den Zellen ab und führt sie durch Platten, Luftkanäle oder Kühlkreisläufe, bis sie die Umgebungstemperatur erreicht. Es begrenzt die Spitzentemperatur, verringert die Temperaturunterschiede zwischen den einzelnen Zellen und sorgt dafür, dass der Akku unter Last innerhalb eines nutzbaren Leistungsbereichs bleibt.

Ein flüssigkeitsgekühltes Batteriepaket für Elektro-Pkw veranschaulicht dieses Prinzip deutlich. Die Zellen erzeugen Wärme im Inneren von „Jelly Rolls“ oder Elektrodenstapeln; diese Wärme gelangt durch die Dose oder den Beutel, strömt dann in eine Kühlplatte, das Kühlmittel, den Kühler und schließlich in die Luft außerhalb des Fahrzeugs. Ein luftgekühlter Netzspeicherschrank folgt derselben Logik, weist jedoch einen schwächeren Wärmepfad auf, da Luft weniger Wärme transportiert als Flüssigkeit und in der Regel eine größere Oberfläche benötigt.

Man kann sich das System als eine Kette von thermischen Widerständen vorstellen. Ist ein Glied dieser Kette schwach, erwärmt sich das gesamte Batteriepaket stärker als erwartet. Selbst eine leistungsstarke Pumpe oder ein starker Lüfter kann ein Batteriepaket nicht retten, in dem sich die Wärme in einem kompakten Modul staut. Deshalb beginnt das Wärmemanagement von Batteriesystemen für Elektrofahrzeuge mit dem Wärmepfad von der Zelle zum Batteriepaket und setzt diesen Wärmepfad dann bei der Dimensionierung der Kühler fort.

„Man muss den Temperaturanstieg als elektrisches Phänomen betrachten, da sich Einschaltdauer, Widerstand und Kühlleistung gleichzeitig auf denselben Akku auswirken.“

Die Erwärmung des Pakets beginnt mit dem Strom durch den Widerstand im Arbeitszyklus

Die meisten Wärmeentwicklungen in Akkupacks unter Last entstehen dadurch, dass Strom durch den Innenwiderstand, die Anschlüsse, die Sammelschienen und die Kontaktstellen fließt. Die Wärmeentwicklung steigt mit dem Quadrat des Stroms. Kurze Stromspitzen spielen eine Rolle. Lange Phasen mit hoher Belastung sind jedoch von größerer Bedeutung, da sie Wärme schneller erzeugen, als das Akkupack sie abführen kann.

Ein Lieferwagen, der eine lange Steigung hinauffährt, veranschaulicht dieses Muster. Der Strom bleibt mehrere Minuten lang auf hohem Niveau, sodass sich die Kupferverluste in den Verbindungen und die ohmsche Erwärmung im Inneren der Zellen kontinuierlich aufbauen. Das regenerative Bremsen auf der Abfahrt führt zu einem zusätzlichen Stromfluss in entgegengesetzter Richtung. Das thermische System wertet beide Vorgänge als Wärmezufuhr, auch wenn der Fahrer den einen als Beschleunigung und den anderen als Energierückgewinnung wahrnimmt.

Genau hier lassen sich Ingenieure von den Durchschnittsleistungswerten täuschen. Ein moderater Durchschnittswert über dreißig Minuten kann einen extremen Zehn-Sekunden-Anlauf, ein wiederholtes Bergstück oder einen Ladungsimpuls verbergen, der die lokale Temperatur über den Grenzwert treibt. Wenn Sie die Größe eines Akkus allein anhand der elektrischen Belastung bemessen, übersehen Sie die Wärmeentwicklung, die später zu einer Leistungsminderung führt.

Die Zelltemperatur bestimmt die nutzbare Leistung über den gesamten Betriebsbereich hinweg

Die Zelltemperatur bestimmt, wie viel Leistung der Akku bei einem bestimmten Ladezustand tatsächlich abgeben oder aufnehmen kann. Kalte Zellen bieten einen höheren Strommwiderstand. Heiße Zellen stoßen schneller an ihre thermischen Grenzen. Eine moderate Temperatur ermöglicht den größtmöglichen Betriebsbereich. Deshalb ändert sich die Leistung eines Akkus immer in Abhängigkeit von der Temperatur.

An einem kalten Morgen wird dieser Effekt besonders deutlich. Dieselbe Batterie, die bei 25 °C eine starke regenerative Bremsleistung zulässt, begrenzt bei 0 °C den Ladestrom, da das Risiko der Lithiumplattierung steigt und die Spannungskurve steiler verläuft. Eine nach wiederholten Beschleunigungsvorgängen erhitzte Batterie kann zwar immer noch einen guten Ladezustand aufweisen, doch das Steuerungssystem drosselt den Entladestrom, da die thermische Reserve geschrumpft ist.

Es muss kein Fehler vorliegen, damit nutzbare Leistung verloren geht. Das normale Verhalten des Akkupakets schwankt täglich je nach Temperatur, und genau darin liegt der praktische Sinn eines Wärmemanagementsystems für Elektrofahrzeugbatterien. Das System beugt nicht nur Schäden vor, sondern sichert auch den Teil des Betriebsbereichs, von dem Fahrer, Flottenbetreiber und Netzplaner ausgehen, dass er verfügbar ist.

Die Temperaturverteilung im Inneren des Pakets beeinflusst das Alterungsrisiko

Die Temperaturverteilung spielt eine Rolle, da Akkupacks als Gruppe ungleicher Zellen mit unterschiedlicher thermischer Vorgeschichte und unterschiedlichen Verlustraten altern. Wärmere Zellen verlieren schneller an Kapazität. Kältere Zellen verfügen über weniger nutzbare Leistung. Das Akkupack gerät daher im Laufe der Zeit aus dem Gleichgewicht, und die nutzbare Energie sinkt, noch bevor das Akkupack insgesamt abgenutzt wirkt.

In einer Übersicht über thermische Untersuchungen an Batterien wird ein Temperaturunterschied von weniger als 5 °C zwischen den Zellen üblicherweise als praktisches Auslegungsziel für eine gute Gleichmäßigkeit angesehen. Ein Modul, bei dem die Randzellen direkt gekühlt und die mittleren Zellen durch benachbarte Zellen isoliert sind, wird diesen Bereich bei wiederholtem Schnellladen überschreiten. Die heiße Mittelgruppe altert schneller, erreicht früher einen höheren Widerstand und zieht den Rest der String-Kette mit sich nach unten.

Durch das Ausbalancieren des Akkupacks lassen sich Ladungsunterschiede zwar korrigieren, ungleichmäßige Alterung jedoch nicht beseitigen. Sie benötigen das thermische Modell, um zu erkennen, wo sich Temperaturunterschiede entwickeln und wann sie sich verstärken. Das ist auch der Grund, warum Batteriepakete in Netzanlagen dieselbe Aufmerksamkeit verdienen wie Fahrzeugbatterien. Lang andauernde Lade- und Entladezyklen, die Anordnung der Behälter und der Abstand zwischen den Regalen können zu anhaltenden Temperaturzonen führen, die die nutzbare Lebensdauer des Akkupacks verkürzen.

Lokale Hotspots lösen eine thermische Leistungsreduzierung aus, noch bevor die durchschnittliche Temperatur des Gehäuses erreicht wird

Die thermische Leistungsreduzierung in EV-Akkupacks beginnt an der Stelle mit der höchsten gemessenen oder abgeleiteten Temperatur, da diese Stelle als erste die Regelgrenze erreicht. Schon ein kleiner Hotspot kann frühzeitig zu Strombegrenzungen führen. Der Rest des Akkupacks kann dabei noch im Normbereich liegen. Die Regelungslogik bleibt konservativ, da eine lokale Überhitzung das erste nennenswerte Risiko darstellt.

Eine lockere Sammelschienenverbindung, eine zusammengedrückte Laschenschweißnaht oder eine ungleichmäßig gegen eine Kühlplatte gepresste Beutelzelle können dieses Verhalten verursachen. Temperatursensoren befinden sich häufig auf Moduloberflächen oder an Kühlmittelauslässen, sodass die heißeste Stelle im Inneren ansteigt, bevor der Sensormittelwert nachzieht. Die Pack-Software verwendet dann Sicherheitsbandbreiten, und diese Sicherheitsbandbreiten zeigen sich dem Fahrer als fehlende Beschleunigung, langsameres Laden oder eingeschränkte Rekuperation.

Das lässt sich nicht allein durch einen größeren Kühler lösen. Hotspots entstehen ebenso sehr durch die Geometrie, den Kontaktwiderstand, den Anpressdruck und die Anordnung der Sensoren wie durch die Wärmeabgabe des gesamten Moduls. Ein Modul wird leistungsreduziert, wenn sein heißester gemessener oder abgeleiteter Punkt als Erstes den Grenzwert erreicht. Deshalb sind Oberflächendiagramme und transiente Temperaturgradienten wichtiger als ein einzelner Temperaturwert des Moduls.

Die Kühlleistung richtet sich nach der transienten Wärmebelastung über den gesamten Fahrzyklus hinweg

Die Dimensionierung der Kühlung richtet sich nach der transienten Wärmebelastung des Geräts über den tatsächlichen Arbeitszyklus hinweg und muss Spitzen, Haltephasen und Erholungsphasen abdecken. Sie müssen die Wärmeentwicklung, die thermische Masse und die Abfuhrkapazität über die Zeit hinweg aufeinander abstimmen. Eine zu stark vereinfachte Dimensionierung lässt Haltephasen, Spitzenbelastungen und die Wärme, die nach dem Hauptereignis noch nachwirkt, außer Acht.

Anhand einer Stadtbuslinie lässt sich dies leicht veranschaulichen. Haltestellen führen zu wiederholten Beschleunigungsspitzen, eine niedrige Fahrzeuggeschwindigkeit schwächt den Ram-Air-Effekt ab, und das Schnellladen am Endpunkt sorgt für eine weitere Wärmequelle, bevor der Akku abgekühlt ist. Ein Netzakku unterliegt einem anderen Muster, beispielsweise einer zweistündigen Entladung, gefolgt von einer kurzen Hochleistungsaufladung. SPS SOFTWARE eignet sich für diese Phase, wenn Sie ein Modell benötigen, das Stromprofil, elektrische Verluste und Temperaturanstieg miteinander verknüpft, ohne die Aufgabe in separate Annahmen aufzuteilen.

• Verwenden Sie für die Dimensionierung der Heizleistung das Segment mit der höchsten Wiederholungsrate, da Flottendurchschnitte kurze, aber hohe Lasten verschleiern.
• Überprüfen Sie Lade- und Entladevorgänge separat, da beide Wärme erzeugen.
• Berücksichtigen Sie die Nachheizphase, da die Zellen auch nach dem Absinken des Stroms noch heiß bleiben.
• Beobachten Sie den Ort des heißesten Moduls und nicht nur die Ausgangstemperatur des Pakets.
• Berücksichtigen Sie einen Spielraum für Verschmutzungen, Pumpenverschleiß und wärmere Umgebungsbedingungen.

Diese Überprüfungen verhindern, dass die Kühlung erst in einer späten Phase der Entwicklung berücksichtigt wird. Außerdem liefern sie eine klarere Antwort auf die häufig gestellte Frage, wie die Kühlung für einen Akku-Pack dimensioniert werden soll. Die richtige Dimensionierung ist das kleinste System, das die heißeste Stelle während des gesamten vorgesehenen Betriebszyklus mit einer glaubwürdigen Sicherheitsmarge und mit in den Pack integrierbarer Hardware innerhalb der Grenzwerte hält.

„Ein Modul wird gedrosselt, sobald sein heißester gemessener oder abgeleiteter Punkt als erster den Grenzwert erreicht.“

Gekoppelte elektrothermische Modelle stellen einen Zusammenhang zwischen elektrischer Beanspruchung und Temperaturanstieg her

Gekoppelte elektrothermische Modelle verknüpfen Pack-Strom, Verluste, Wärmepfade und Regelgrenzwerte, sodass der Temperaturanstieg als Teil des Pack-Verhaltens berechnet wird. Dadurch erhalten Sie ein einziges Ergebnis anstelle von zwei voneinander unabhängigen Schätzwerten. Sie können erkennen, ab wann eine Leistungsreduzierung einsetzt. Außerdem können Sie testen, wie sich Änderungen am Design auf den Grenzwert auswirken.

Ein separates elektrisches Modell und eine späte thermische Überprüfung verbergen Überraschungen. In einer Datei sieht der Stromverbrauch akzeptabel aus, in einer anderen die Kühlung, und dennoch kommt es bei dem kombinierten Akku bei einer steilen Steigung, einem Ladevorgang oder einem wiederholten Netzunterstützungsimpuls zu einer Leistungsminderung. Der bessere Ansatz ist eine disziplinierte Kopplung. Wenn der Zellwiderstand im selben Modell mit steigender Temperatur zunimmt, muss man nicht mehr raten, welche Seite des Akkus die Begrenzung verursacht hat.

Diese Einschätzung ist wichtiger als eine weitere Runde vereinzelter Margenoptimierung. SPS SOFTWARE ist hier hilfreich, da es Ingenieuren ermöglicht, Arbeitszyklus, Stromstärke und Temperaturanstieg als ein einziges Ergebnis zu untersuchen – genau so, wie sich die Grenzen eines Akkupacks im praktischen Betrieb tatsächlich darstellen. Akkupacks, die ihre thermische Marge einhalten, sind in der Regel das Ergebnis einer frühzeitigen, klaren elektrothermischen Modellierung, bei der Kühlungsmaßnahmen bereits festgelegt werden, bevor das elektrische Design endgültig festgelegt wird.

Wichtigste Erkenntnisse

• Die Linienrepräsentation legt fest, welche physikalischen Eigenschaften in Ihrer Untersuchung sichtbar sind; daher sollte die Wahl des Modells sich nach dem Untersuchungsziel und dem Frequenzbereich richten.
• Eine nominale Pi-Leitung eignet sich für kurze oder mittellange Leitungen in Studien mit niedrigen Frequenzen, während verteilte Modelle erforderlich sind, sobald die Ausbreitung das Ergebnis beeinflusst.
• Dank präziser Parameter und fundierter Modelldetails orientieren sich Fehler-, Schutz- und Überspannungsanalysen an der tatsächlichen Leitung und nicht an modellierungstechnischen Gewohnheiten.

Wählen Sie das Leitungsmodell, das zur Untersuchung passt, und Sie stellen sicher, dass die Ergebnisse zu Fehlern und Überspannungen auf den physikalischen Eigenschaften der Leitung beruhen und nicht auf einer bequemen Abkürzung.

Die Modellierung von Übertragungsleitungen erscheint auf den ersten Blick einfach, bis eine einzige Standardwahl alle Stromspitzen, Spannungsanstiege und Relaisauslösungen im Netz verschiebt. Oft bleibt ein einzelner konzentrierter Abschnitt noch lange in Modellen erhalten, nachdem die Untersuchung bereits zu Fällen übergegangen ist, in denen Ausbreitungs- und Ladeströme eine Rolle spielen. Die Verluste bei der Stromübertragung und -verteilung in den USA beliefen sich im Jahr 2022 auf durchschnittlich etwa 5 %, was daran erinnert, dass Leitungen aktive elektrische Elemente sind und keine neutralen Verbindungen zwischen Sammelschienen.

Ein Übertragungsleitungsmodell stellt die Ausbreitung entlang einer Leitung dar

Ein Übertragungsleitungsmodell ist eine mathematische Darstellung der Reihenimpedanz und der Paralleladmittanz, die sich entlang einer physikalischen Leitung erstrecken, sodass sich Spannung und Strom nicht überall gleichzeitig ändern. Es berücksichtigt Dämpfung, Phasenverschiebung, Ladestrom und Signallaufzeit. Damit bildet es die Brücke zwischen den Leiterdaten und den Untersuchungsergebnissen.

Den Unterschied lässt sich an einer 230-kV-Freileitung erkennen, die sich über eine Länge von 180 km zwischen zwei starken Sammelschienen erstreckt. Ein einfacher Impedanzblock lässt zwar Leistung und Fehlerstrom durch, berücksichtigt jedoch nicht die Aufladung der Leitung, die bei geringer Last zu einem Anstieg der Spannung auf der Empfangsseite führt. Ein besseres Modell des Verhaltens der Übertragungsleitung zeigt diesen Anstieg sowie die Phasenverschiebung entlang der Strecke. Allein diese eine Korrektur kann die Einstellungen der Spannungsregelung und die Schätzungen der Blindleistungsunterstützung verändern.

Oft wird gefragt, was ein Übertragungsleitungsmodell ist, da das Schaltzeichen harmlos aussieht. Die Antwort ist wichtig, da die Darstellung der Leitung darüber entscheidet, welche physikalischen Phänomene bereits vor dem Öffnen eines Schalters oder dem Auftreten eines Fehlers vorhanden sind. Sobald die Untersuchung beginnt, wird diese Wahl auf alle Ergebnisse übertragen. Ist das Leitungsmodell vereinfacht, ist auch die Untersuchung vereinfacht, selbst wenn das umgebende Netz detailliert dargestellt ist.

„Ein Übertragungsleitungsmodell ist eine mathematische Darstellung der Reihenimpedanz und der Paralleladmittanz, die sich entlang einer physikalischen Leitung erstrecken, sodass sich Spannung und Strom nicht überall gleichzeitig ändern.“

Die Untersuchungshäufigkeit legt fest, welche Reaktion Ihr Modell erfassen muss

Die Untersuchungsfrequenz bestimmt, welche Aspekte der Leitungsphysik von Bedeutung sind, da Widerstand, Induktivität, Kapazität und Ausbreitung einen 60-Hz-Lastfluss und einen steilen Transienten nicht in gleicher Weise beeinflussen. Ihr Modell sollte den Frequenzbereich berücksichtigen, der das Ergebnis maßgeblich bestimmt. Zusätzliche Details außerhalb dieses Bereichs bedeuten nur zusätzlichen Aufwand, ohne zu besseren Ergebnissen zu führen.

Bei einer Untersuchung des Spannungsprofils im stationären Zustand an einer Unterverteilungsleitung stehen vor allem netzfrequente Größen im Vordergrund. Bei einer Untersuchung der Wiedereinschaltfähigkeit eines Leistungsschalters auf derselben Trasse geht es hingegen um Wanderwellen, eingeschlossene Ladungen und Reflexionen an Diskontinuitäten. Da es sich hierbei um unterschiedliche Problemstellungen handelt, sollte die Leitungsdarstellung nicht aus Gewohnheit beibehalten werden. Wenn sich die Erregung ändert, ändert sich auch das geeignete Leitungsmodell entsprechend.

Aus diesem Grund sollte die Modellierung von Übertragungsleitungen mit dem Untersuchungsziel beginnen, bevor mit der Eingabe der Parameter begonnen wird. Wenn Sie die Reichweite von Relais bei 60 Hz benötigen, sollten Sie das Modell bevorzugen, das die Sequenzimpedanz und den Ladestrom für diesen Frequenzbereich ausreichend genau wiedergibt. Wenn Sie Stoßspannungsspitzen über Zeiträume von mehreren zehn Mikrosekunden benötigen, sollten Sie Ausbreitungseffekte und Frequenzabhängigkeit berücksichtigen. Die richtige Frage lautet niemals, welches Modell im Allgemeinen am detailliertesten ist. Die sinnvolle Frage ist vielmehr, welches Modell die physikalischen Zusammenhänge berücksichtigt, die für diesen Fall maßgeblich sind.

Die elektrische Länge unterscheidet konzentrierte Modelle von verteilten Modellen

Die elektrische Länge gibt an, wann die Leitung als kompaktes Element betrachtet werden kann und wann sie als Medium betrachtet werden muss, in dem sich Wellen ausbreiten. Das entscheidende Maß ist die Laufzeit im Vergleich zur Zeitskala der Untersuchung. Sobald sich diese Skalen annähern, ist eine konzentrierte Näherung nicht mehr zuverlässig.

Eine 20 km lange Leitung verhält sich in einer Untersuchung zu langsamen RMS-Störungen in der Regel wie eine kurze elektrische Verbindung mit geringem Ladestrom. Eine 300 km lange Leitung im Falle einer Schaltstörung tut dies jedoch nicht. Das Signal benötigt eine messbare Zeit, um die Leitung zu durchlaufen, und diese Verzögerung bestimmt die Form der Reflexionen und Spitzen. Kabelabschnitte erreichen diese Grenze früher, da sich ihre Wellengeschwindigkeit und Kapazität von denen von Freileitungen unterscheiden.

Man braucht nicht für jedes Netzwerk eine starre Abstandsregel. Man braucht eine Überprüfung, bei der abgefragt wird, was die Leitungslänge bei den Frequenzen oder Laufzeiten bedeutet, die für einen von Bedeutung sind. Die elektrische Länge bietet diese Überprüfung und sorgt dafür, dass die Modellwahl an die Physik gebunden bleibt und nicht an Bürogewohnheiten.

Das Pi-Modell eignet sich für kurze Zeilen in langsamen Studien

Das Pi-Modell einer Übertragungsleitung sieht an beiden Enden eine Parallelschlussadmittanz und dazwischen eine Reihenimpedanz vor, wodurch die Aufladung der Leitung und der Spannungsabfall bei kurzen bis mittleren Leitungen bei Netzfrequenz gut nachgebildet werden. Dies funktioniert, weil die Leitung auf einen einzigen Abschnitt reduziert wird. Dadurch bleibt das Netzwerk kompakt und die Ergebnisse sind gut interpretierbar.

Ein typisches Beispiel ist eine 69-kV-Leitung, die eine Industrieanlage versorgt. Wenn im Rahmen der Untersuchung die normale Spannungsregelung, die Auslösecharakteristik des Leistungsschalters oder ein einfacher Dreiphasenfehler nahe der Nennfrequenz geprüft wird, liegt das Pi-Modell oft nahe am physikalischen Ergebnis. Man erhält eine Aufteilung des Ladestroms auf beide Anschlüsse, was deutlich besser ist als bei einem reinen Serienelement. Außerdem bleibt das Modell schlank genug, um Fehler schnell zu beheben.

Die Grenze tritt ein, wenn die Ausbreitung von Wellen über die Leitung hinweg eine Rolle zu spielen beginnt. Ein einzelner Pi-Abschnitt kann die Zeitverzögerung einer sich durch den Korridor ausbreitenden Druckwelle nicht nachbilden und verwischt Frequenzeffekte zu einem festen Parametersatz. Einige Teams versuchen, den Bereich durch mehrere hintereinandergeschaltete Pi-Abschnitte zu erweitern. Das kann zwar helfen, ist aber immer noch eher eine Annäherung an das verteilte Verhalten als das Verhalten selbst.

Modelle mit verteilten Parametern spielen eine Rolle, sobald die Ausbreitung die Ergebnisse beeinflusst

Sie sollten ein verteiltes Leitungsmodell verwenden, wenn das Ergebnis der Untersuchung von der Ausbreitung der Wellen, von Reflexionen oder von frequenzabhängigen Leitungskonstanten abhängt. Dies betrifft in der Regel lange Leitungen, Kabelverbindungen, Schaltstöße, Wiedereinschaltuntersuchungen und Arbeiten an Hochgeschwindigkeitsschutzsystemen. Sobald die Ausbreitung die Wellenform verändert, verdeckt eine konzentrierte Leitung den Effekt, den Sie zu messen versuchen.

Eine Untersuchung zur Erregung auf der Empfangsseite einer langen 400-kV-Leitung verdeutlicht diesen Punkt. Die erste Überspannungsspitze hängt von der Laufzeit zum entfernten Ende und der Reflexion ab, die von dieser Grenze zurückkehrt. Eine konzentrierte Pi-Leitung kann zwar den stationären Ladestrom nachbilden, verfehlt jedoch die Spitze und deren zeitlichen Ablauf. Das reicht bereits aus, um die Belastung der Leistungsschalter, die Auslastung der Überspannungsableiter und die Isolationsprüfungen zu verfälschen.

SPS SOFTWARE wird diesem Anspruch im Detail gerecht, da Sie von einfachen Lehrmodellen zu verteilten Linien darstellungen übergehen können, ohne die Gleichungen hinter einem geschlossenen Block zu verbergen. Das ist wichtig, wenn Sie versuchen, den Wechsel gegenüber einem Kollegen, einem Studenten oder einem Prüfungsgremium zu begründen. Ein nützliches Modell ist eines, das sich auf die Physik und den Lernzweck zurückführen lässt, und nicht eines, das einfach nur fortschrittlicher aussieht.

Die Parameterberechnung basiert auf den Leiterdaten bei der Untersuchungsfrequenz

Die Parameter von Übertragungsleitungen ergeben sich aus der Geometrie, den Materialien und der Untersuchungsfrequenz; anschließend werden sie in Widerstand, Induktivität, Kapazität und Leitfähigkeit pro Längeneinheit umgerechnet. Eine gute Simulation beginnt mit diesen physikalischen Eingabewerten und nicht mit übernommenen Bibliothekswerten. Sind die Eingabewerte falsch, wiederholt sich derselbe Fehler auf jeder Modellebene.

Eine praktische Planung einer neuen Freileitung beginnt mit einer kleinen Anzahl von Eingabewerten, die die elektrische Struktur definieren. Fehlt auch nur einer davon, sind grobe Schätzungen erforderlich, die sich auf die gesamte Studie auswirken.

• Leitertyp und Temperatur für den Widerstand
• Phasenabstand und Anordnung der Leiterbündel für Induktivitäten
• Leiterhöhe und -geometrie für die Kapazität
• Annahmen zur Erdungsrückführung für Nullsequenzanteile
• Untersuchungshäufigkeit für den verwendeten Parametersatz

Ein Kabelbeispiel enthält Angaben zu Mantel, Abschirmung, Isolierung und Verlegung im Erdreich, da diese Faktoren einen starken Einfluss auf die Kapazität und die Verluste haben. Außerdem müssen Sie genau auf die Einheiten achten. Als Gesamtwerte für die Leitung pro Kilometer eingegebene Daten machen jede Simulation zunichte, selbst wenn das gewählte Übertragungsleitungsmodell ansonsten geeignet ist. Die Berechnung von Parametern ist keine reine Buchhaltung. Hier entscheidet sich, ob das Modell an Glaubwürdigkeit gewinnt oder verliert.

Die Wahl des Modells beeinflusst die Fehlerstromstärken bei Schutzauslegungsberechnungen

Die Leitungsmodellierung beeinflusst die Ergebnisse der Fehleranalyse, da die Leitung bestimmt, wie die Quelle den Fehler wahrnimmt und wie das Relais die Leitung wahrnimmt. Ladestrom, Sequenzimpedanz, gegenseitige Kopplung und Fernspeisungen werden alle über diese Darstellung geleitet. Eine vereinfachte Leitung kann sowohl die Fehlergröße als auch die Scheinimpedanz so stark verschieben, dass sich eine Schutzeinstellung verschiebt.

Ein entfernter Einphasen-Erdschluss auf einer langen Übertragungsstrecke ist ein guter Testfall. Verwendet man ein sehr einfaches konzentriertes Modell, kann der Nullstrompfad zu grob sein, der Ladestrom zu niedrig angesetzt werden und die Relaisreichweite kann sauberer erscheinen, als sie im Betrieb tatsächlich sein wird. Entfernungselemente reagieren empfindlich auf diese Details. Der Fehler muss nicht dramatisch sein, um in der Nähe von Zonengrenzen von Bedeutung zu werden.

Auch Fehleranalysen finden in einem System statt, das häufigen Transienten ausgesetzt ist. In den kontinentalen Vereinigten Staaten werden jedes Jahr etwa 20 bis 25 Millionen Blitzschläge von der Wolke zum Boden registriert, sodass Leitungsfehler und das Überspannungsverhalten der Leitung keine Randfälle darstellen. Wenn Ihre Analyse in die Relais-Einstellungen einfließt, sollten Sie die Leitung als Teil des Schutzproblems betrachten und nicht als Neutralleiter zwischen Quellen und Lasten.

Die Spitzenwerte der Schaltüberspannung hängen von der Genauigkeit der Leitungsdarstellung ab

Untersuchungen zu Schaltüberspannungen stehen und fallen damit, wie gut das Leitungsmodell die Ausbreitung der Wellen, Reflexionen und die gespeicherte elektrische Energie abbildet. Die Spitzenamplitude ist dabei nur ein Aspekt. Auch der Zeitpunkt des Spitzenwerts und die Wellenform spielen eine Rolle, da Schalterkontakte, Ableiter und Isolierungen nicht auf eine gemittelte Spannung reagieren.

Ein bekanntes Beispiel ist das Schließen einer langen, unbelasteten Leitung von einer starken Quelle aus. Der anfängliche Stromstoß fließt zum offenen Ende, wird mit einer Polarität reflektiert, die die Spannung am entfernten Ende erhöhen kann, und kehrt dann zur Quelle zurück. Ein nominelles Pi-Modell zeigt zwar eine Aufladung an, kann diese Abfolge jedoch nicht mit dem gleichen zeitlichen Ablauf oder dem gleichen lokalen Spitzenwert nachbilden. Das Ergebnis kann ruhig aussehen, während die physikalische Leitung einer stärkeren Belastung ausgesetzt wäre.

Dies ist die unauffällige Modellierungsentscheidung, die die Qualität von Netzstudien im Laufe der Zeit prägt. Ingenieure benötigen nicht in jedem Fall ein Höchstmaß an Detailgenauigkeit, sondern eine Leitungsdarstellung, die zur jeweiligen Studie passt. SPS SOFTWARE ist hier hilfreich, da es Leitungsmodelle mit verschiedenen Detailebenen bereitstellt, sodass die Wahl anhand der jeweiligen Studie begründet werden kann, anstatt aus Gewohnheit getroffen zu werden. Diese Disziplin ist es, die die Zuverlässigkeit von Arbeiten in den Bereichen Fehler, Schutz und Überspannung gewährleistet.

„Wenn Ihre Studie die Relais-Einstellungen beeinflusst, sollten Sie die Leitung als Teil des Schutzproblems betrachten und nicht als Neutralleiter zwischen Quellen und Lasten.“

Wichtigste Erkenntnisse

• Ein zuverlässiges MOSFET-Modell basiert auf dem Belastungsfall des Wandlers und nicht auf den Spitzenwerten in der Tabelle des Datenblatts.
• Die Anpassung von Leitfähigkeit, Ladung und Kapazität sollte nacheinander erfolgen, damit jeder Parametersatz eine klare physikalische Rolle behält.
• Vertrauen entsteht durch den Abgleich mit den ursprünglichen Testbedingungen und durch klare Angaben dazu, in welchen Bereichen das Modell überprüft wurde.

Ein MOSFET-Modell, das direkt auf der Grundlage der Zahlen aus dem Datenblatt erstellt wurde, berücksichtigt nicht die Verluste und Wellenformen, die bei der Simulation von Wandlern eine Rolle spielen.

Elektromotorsysteme verbrauchen etwa 45 % des weltweiten Stroms, was bedeutet, dass Fehler in den Umrichtern bei langen Einschaltzeiten und hohen Nennleistungen nicht mehr vernachlässigbar sind. Sie benötigen ein MOSFET-Modell, das die Testbedingungen hinter jeder veröffentlichten Kurve widerspiegelt – und nicht nur einige wenige Katalogwerte. Das ist der Unterschied zwischen einer Simulation, die lediglich plausibel wirkt, und einer, die die Arbeit in den Bereichen Thermik, Wirkungsgrad und Regelung unterstützt. Hohe Zuverlässigkeit entsteht durch disziplinierte Anpassung – nicht dadurch, dass man ein Standard-MOSFET-SPICE-Modell kopiert und hofft, dass das Datenblatt damit übereinstimmt.

Ein guter Arbeitsablauf beginnt mit der Analyse der im Konverter auftretenden Spannungen, die Sie untersuchen müssen, und behandelt anschließend das Leitungs- und Schaltverhalten als separate Probleme. Sie erzielen bessere Ergebnisse, wenn Sie Ladung und Kapazität als spannungsabhängige Effekte behandeln und die Ergebnisse anhand derselben Tests validieren, die auch im MOSFET-Datenblatt verwendet werden. Dieser Ansatz liefert Ihnen ein Modell, auf das Sie sich innerhalb des kalibrierten Bereichs verlassen können und das Sie außerhalb dieses Bereichs hinterfragen sollten.

Datenblattmodelle versagen, wenn die Testbedingungen verborgen bleiben

Eine Kurve aus dem Datenblatt beschreibt einen MOSFET nur unter genau den Testbedingungen, unter denen er gemessen wurde. Gate-Widerstand, Drain-Spannung, Übergangstemperatur und Streuinduktivität beeinflussen das veröffentlichte Ergebnis. Unbekannte Einflussfaktoren führen dazu, dass kopierte Werte zu falschen Wellenformen führen, selbst wenn das MOSFET-Datenblatt vollständig erscheint und die Modellparameter plausibel wirken.

Ein Schaltdiagramm ist ein gutes Beispiel. Eine Einschaltzeit, die bei 400 V, 20 A und einem Gate-Widerstand von 10 Ω gemessen wurde, lässt sich nicht mit einem Wandlerzweig vergleichen, in dem dasselbe Bauelement bei 250 V mit einem Gate-Widerstand von 2,2 Ω betrieben wird. Die Kurve ist zwar immer noch aussagekräftig, aber erst, wenn man sie mit der angegebenen Testschaltung in Verbindung bringt. Fußnoten, Achsenbeschriftungen und kleine Bildunterschriften sind für die Modellierung oft wertvoller als die Tabelle mit den Hauptkomponenten.

Außerdem werden Ihnen versteckte Annahmen hinsichtlich der Temperatur und der parasitären Effekte der Gehäuse auffallen. Eine bei 25 °C gemessene Übertragungskurve kann das Schwellwertverhalten gut abbilden und dennoch den Strom bei 125 °C nicht erfassen. Ein Herstellermodell, das einer einzigen Ausgangskurve folgt, kann dennoch beim Ausschalt-Überschwingen versagen, da die Induktivität der Testvorrichtung nie berücksichtigt wurde. Das Lesen eines MOSFET-Datenblatts für Simulationszwecke bedeutet, jede veröffentlichte Kurve als bedingtes Ergebnis zu betrachten und nicht als allgemeingültige Wahrheit.

Beginnen Sie mit der Wandlerbelastung, die die Genauigkeitsanforderungen festlegt

Die Wahl des richtigen MOSFET-Modells beginnt mit dem Belastungsfall, der für Ihren Wandler am wichtigsten ist. Spannungsschwankungen, Strompegel, Schaltgeschwindigkeit und Sperrschichttemperatur entscheiden darüber, welche Kurven aus dem Datenblatt die größte Aufmerksamkeit verdienen. Ein synchroner Buck-Wandler und ein hartgeschalteter Boost-Wandler werden unterschiedliche Modellierungsfehler unterschiedlich stark bestrafen.

Ein synchroner Buck-Wandler von 48 V auf 12 V erfordert in der Regel eine präzise Anpassung der Niederspannungsleitung, da bereits ein Fehler von wenigen Milliohm den Wirkungsgrad und den Temperaturanstieg bei Volllast beeinflusst. Eine 400-V-Boost-Stufe erfordert eine stärkere Anpassung von Ladung und Kapazität, da hier Schaltverluste und Knotenpunkt-Überschwingen dominieren. Die Leistungselektronik verarbeitet mehr als 70 % des in den Vereinigten Staaten erzeugten Stroms, daher ist die Modellgenauigkeit dort am wichtigsten, wo die Wandler die meiste Zeit im Betrieb sind und Verluste entstehen.

• Passen Sie die Busspannung an die höchsten und niedrigsten Werte an, die das Gerät tatsächlich vorfindet.
• Passen Sie die Stromstärke an das Betriebsband an, das Ihre thermische Grenze festlegt.
• Die Temperatur am Übergang muss mit den Bedingungen übereinstimmen, die bei der Konstruktionsprüfung zugrunde gelegt wurden.
• Passen Sie den Gate-Widerstand an das Treibernetzwerk in Ihrem Schaltplan an.
• Passen Sie die Schaltfrequenz an den Verlustmechanismus an, den Sie vorhersagen möchten.

Diese Prioritätenliste sorgt dafür, dass die Arbeit zielgerichtet bleibt.

„Man versucht ja nicht, gleich am ersten Tag ein universelles MOSFET-Modell zu entwickeln.“

Sie versuchen, ein Modell zu erstellen, das den Bedingungen am Einsatzort Ihres Konverters gerecht wird. Sobald dieser Betriebsbereich festgelegt ist, erscheinen die Parameterauswahlen nicht mehr willkürlich, sondern dienen einem definierten Simulationsziel.

Leitungsarmatur frühzeitig von Schaltarmatur trennen

Leitungs- und Schaltanpassung sollten als zwei miteinander verbundene, aber getrennte Aufgaben betrachtet werden. Die Kanalparameter steuern den Strom und den Spannungsabfall im eingeschalteten Zustand, während die Ladungs- und Kapazitätsparameter das Übergangszeitverhalten und den Energieverbrauch bestimmen. Werden beide Probleme zu früh miteinander vermischt, lässt sich nur schwer erkennen, welcher Parameter die Fehlanpassung verursacht hat.

Beginnen Sie mit dem stationären Zustand. Passen Sie die Steigung im eingeschalteten Zustand und den Schwellenwertbereich anhand von Ausgangskurven, Übertragungskurven und Daten zum Einschaltwiderstand bei der Zieltemperatur an. Ein Niederspannungs-Server-Netzteil liefert ein anschauliches Beispiel, da der simulierte Drainstrom bei einer Gate-Ansteuerung von 4,5 V übereinstimmen muss, bevor Sie die Anstiegs- und Abfallzeiten berücksichtigen. Dieser erste Durchlauf legt das Kanalverhalten ohne die Störsignale der Schaltparasiten fest.

Wechseln Sie erst dann zum Schaltbetrieb, wenn die Leitfähigkeitsanpassung stabil ist. Ein häufiger Fehler tritt auf, wenn jemand die Gate-Ladungswerte überdehnt, um eine bessere Einschaltverzögerung zu erzwingen, und sich dann wundert, warum der Gleichstrom nicht mehr den Angaben im Datenblatt entspricht. Sie sparen Zeit, wenn jeder Parametersatz eine Hauptaufgabe hat. Diese Trennung erleichtert auch die spätere Validierung, da jeder Fehler auf einen kleineren Teil des Modells hinweist.

Verwenden Sie Ausgangskurven, um das Kanalverhalten festzulegen

Ausgangskurven sind der direkteste Weg zu einer zuverlässigen Kanalanpassung. Sie zeigen, wie der Drainstrom bei verschiedenen Gate-Spannungen auf die Drain-Source-Spannung reagiert, wodurch Sie die Schwelle, die Transkonduktanz und die Steigung im eingeschalteten Zustand mit deutlich weniger Rätselraten festlegen können. Eine gute Anpassung an dieser Stelle sorgt für Stabilität in allen nachfolgenden Schritten.

Wählen Sie die Gate-Spannungen aus, die Ihren Anwendungsfall abdecken, anstatt jede Kurve mit gleicher Gewichtung anzupassen. Bei einem industriellen Wechselrichter mit 10-V-Gate-Ansteuerung ist der Hochstrombereich weitaus wichtiger als der Knispunkt unterhalb der Schwelle. Bei einem Design mit 4,5-V-Logikpegel ist es genau umgekehrt. Das Modell sollte gleichzeitig die Steigung im Bereich des Betriebsstroms, die Sättigungskurve und den resistiven Niederspannungsbereich abbilden.

Auch hier spielen Temperaturdaten eine wichtige Rolle. Wenn im Datenblatt der Durchlasswiderstand in Abhängigkeit von der Temperatur angegeben ist, sollten Sie diesen verwenden, um die Kanalleitung zu skalieren, nachdem die Anpassung bei 25 °C abgeschlossen ist. Dieser zusätzliche Schritt verhindert, dass das Modell auf einem einzelnen Messdiagramm perfekt aussieht, bei thermischen Durchläufen jedoch versagt. Die folgende Checkliste hilft dabei, die wichtigsten Diagramme aus dem Datenblatt der jeweiligen Anpassungsaufgabe zuzuordnen, die sie steuern sollen.

Verwenden Sie Ladekurven, um das Schaltverhalten zu steuern

Gate-Ladungskurven sind die aussagekräftigste Methode, um das Schaltverhalten zu gestalten, sobald die Kanalanpassung stabil ist. Sie zeigen, wie sich der Gate-Strom über die Schwelle, das Miller-Plateau und die abschließende Anreicherung verteilt. Anstiegs- und Abfallzeiten sind erst dann aussagekräftig, wenn diese Ladungsverteilung mit den Testergebnissen aus dem Datenblatt übereinstimmt.

Ein Schaltvorgang im Doppelimpuls-Stil verdeutlicht, warum dies von Bedeutung ist. Ist das simulierte Miller-Plateau zu kurz, bricht die Drain-Spannung zu schnell ein, und der Einschaltverlust erscheint fälschlicherweise zu niedrig. Ist die Gesamt-Gate-Ladung zwar korrekt, das Verhältnis zwischen der Ladung vor dem Plateau und der Ladung auf dem Plateau jedoch falsch, werden Verzögerung und Überlappung in der Wellenform weiterhin nicht berücksichtigt. Das Modell muss die Ladung in derselben Reihenfolge abgeben wie das Bauelement.

Achten Sie bei diesem Schritt darauf, die Gate-Schleife explizit zu halten. Die Treiberspannung, der externe Widerstand und die Source-Induktivität bestimmen gemeinsam den Strom, der zum Laden des Gates zur Verfügung steht. Ein Modell, das zwar mit dem Schaltdiagramm aus dem Datenblatt übereinstimmt, aber ein falsches Gate-Netzwerk verwendet, lässt sich nicht gut in Ihren Wandler integrieren. Genau hier liegt das Problem: Viele generische SPICE-Modelldateien für MOSFETs sehen auf dem Papier überzeugend aus, versagen jedoch in einer Halbbrücken-Simulation.

Behandeln Sie Kapazitätsdiagramme als spannungsabhängige Funktionen

MOSFET-Kapazitäten verhalten sich stark nichtlinear, sodass feste Werte die Schaltleistung und die Wellenform verzerren. Die Eingangs-, Rückwärtsübertragungs- und Ausgangskapazität sollten der im Datenblatt dargestellten Drain-Spannung folgen. Eine spannungsabhängige Anpassung ist erforderlich, wenn Sie zuverlässige Angaben zu Ausschaltverlusten, Schwingungsverhalten und Totzeitverhalten erhalten möchten.

Ein 400-V-Schaltknoten macht dies deutlich. Die Ausgangskapazität bei etwa 20 V kann um ein Vielfaches größer sein als bei etwa 300 V, sodass ein einziger Coss-Wert sowohl die gespeicherte Energie als auch die Anstiegsgeschwindigkeit der Drain-Spannung falsch wiedergibt. Die Rückwärtsübertragungskapazität verschiebt zudem den Miller-Effekt, wenn sich Vds ändert. Das bedeutet, dass dasselbe Bauelement in einem Betriebsbereich harmlos erscheinen kann, in einem anderen jedoch deutlich langsamer.

Eine stückweise Anpassung reicht oft aus. Man benötigt keinen perfekten analytischen Ausdruck, wenn drei oder vier Spannungsbereiche den dargestellten Verlauf der Kapazität und der gespeicherten Energie wiedergeben. Viele Ingenieure vergessen zudem die Auswirkungen auf Soft-Switching-Intervalle und die Kommutierung über die Body-Diode. Sobald die Kapazität als Funktion statt als Konstante behandelt wird, leistet das Modell einen wesentlichen Beitrag zur Simulation des Wandlers.

Das Modell anhand der exakten Tests aus dem Datenblatt validieren

Eine Validierung ist nur dann aussagekräftig, wenn die Simulation denselben Test nachbildet, der auch im MOSFET-Datenblatt verwendet wird. Passen Sie die Busspannung, den Laststrom, den Gate-Widerstand, die Temperatur und die Referenzpunkte an, bevor Sie das Ergebnis beurteilen. Durch diese Vorgehensweise wird die Kurvenanpassung zu einer Modellverifizierung und nicht zu einer bloßen visuellen Vergleichsübung.

Ein sinnvoller Arbeitsablauf besteht darin, zunächst den veröffentlichten Teststand für die Schalt- oder Ausgangskennlinie neu aufzubauen und anschließend das Bauelementmodell unter denselben Bedingungen zu simulieren. Wenn ein Ausschaltverlauf mit einer geklemmten induktiven Last gemessen wurde, sollte die Simulation dieselbe Anordnung und dieselben Messpunkte verwenden. Die SPS-SOFTWARE eignet sich hierfür gut, da die editierbare Modellstruktur es erleichtert, Abweichungen auf Annahmen bezüglich Ladung, Kapazität oder parasitären Effekten zurückzuführen, anstatt sie in einem geschlossenen Block zu verbergen.

„Achten Sie auf den Verlauf des Fehlers, nicht nur auf den Spitzenwert.“

Ein korrekter Stromspitzenwert bei falscher Plateau-Dauer stellt ein Problem dar. Eine korrekte Verzögerung mit zu starkem Überschwingen ist ein weiteres Problem. Die Validierung lässt sich deutlich beschleunigen, sobald jede Abweichung einem bestimmten physikalischen Effekt zugeordnet wird. Außerdem erstellen Sie so eine Aufzeichnung darüber, welche Prüfschritte das Modell bereits bestanden hat – was wichtig ist, wenn jemand es in einer anderen Konverter-Studie wiederverwendet.

Wissen, ab wann das Modell nicht mehr zuverlässig ist

Ein Modell mit hoher Zuverlässigkeit ist nur innerhalb des Spannungs-, Strom-, Temperatur- und Gate-Ansteuerungsbereichs vertrauenswürdig, der für seine Kalibrierung verwendet wurde. Außerhalb dieses Bereichs wird dasselbe Modell zu einer Schätzung. Zu guter technischer Praxis gehört es, diese Grenzen klar zu kennzeichnen und sich zu weigern, eine erfolgreiche Anpassung als allgemeingültigen Beweis anzusehen.

Ein Modell, das für einen hartgeschalteten Zweig mit 100 kHz bei 25 °C abgestimmt wurde, sagt nicht automatisch das Verhalten in einem 20-kHz-Motorantrieb bei 125 °C mit einem anderen Gate-Netzwerk voraus. Die Ausgangskurven, die Ladungsanpassung und die Kapazitätsanpassung bilden zwar nach wie vor eine solide Grundlage, doch Vertrauen entsteht erst durch festgelegte Grenzwerte. Sie sollten diese Grenzwerte in die Modellnotizen eintragen, damit der nächste Nutzer weiß, was bereits überprüft wurde und was nicht.

Das ist der Maßstab, an dem man sich orientieren sollte. Die Ergebnisse von Konverter-Simulationen stehen und fallen mit der Glaubwürdigkeit des darin enthaltenen Gerätemodells, und erst durch sorgfältige Parametereinstellungen wird ein MOSFET-Datenblatt zu einer brauchbaren Informationsquelle. SPS SOFTWARE unterstützt diese Arbeit am besten, wenn Sie offene, überprüfbare Modelle benötigen, anhand derer Sie erkennen können, warum eine Wellenform übereinstimmt, warum sie abweicht und an welcher Stelle das Modell keine verlässlichen Aussagen mehr treffen sollte.