Druckverlustmessung mit dem Präzisionsdruckmessgerät｜Entwicklung von EV-Kühlsystemen

Druckverlustmessung in EV-Kühlsystemen

In Elektrofahrzeugen (EVs) sind zahlreiche wärmeerzeugende Komponenten verbaut – darunter Motor, Batterie, Wechselrichter und Leistungssteuerungseinheiten. Da die Wärmeentwicklung und die optimale Betriebstemperatur der einzelnen Komponenten unterschiedlich sind, werden in einem Fahrzeug in der Regel mehrere Kühlkreisläufe eingesetzt. Bei der Entwicklung und Auslegung solcher wassergekühlter Komponenten ist die exakte Erfassung des Druckverlusts in den Strömungskanälen, durch die das Kühlmittel fließt, unerlässlich.

Das Differenzdruckmodell des MT300 ist als flüssigkeitstaugliches Differenzdruckmessgerät dafür ausgelegt, den Druckverlust in den Kühlkanälen der einzelnen Komponenten mit nur einem Gerät hochpräzise zu messen. Es kann zur Bewertung der Strömungskanalauslegung verschiedenster wassergekühlter Komponenten im Kühlkreislauf eingesetzt werden, beispielsweise des Wassermantels auf dem Batteriepack.

Herausforderungen bei der Auslegung der Strömungskanäle

Mit der zunehmenden Verbreitung von EVs und dem Fortschritt bei der Dekarbonisierung haben sich die Erhöhung der Reichweite und die Verbesserung der Energieeffizienz zu zentralen Wettbewerbsfaktoren in der Automobilindustrie entwickelt. Eine effiziente Kühlung der wärmeerzeugenden Komponenten – wie Motor und Batterie – ist unverzichtbar, um den Gesamtstromverbrauch des Fahrzeugs zu senken und die Reichweite zu erhöhen. Die Effizienz des Kühlsystems hängt entscheidend von der Auslegung der Strömungskanäle und der Genauigkeit der zugrunde liegenden Messtechnik ab.

Reduzierung des Stromverbrauchs der Kühlmittelpumpe

Der Stromverbrauch eines Kühlsystems wird durch die Höhe des in den Strömungskanälen auftretenden Druckverlusts bestimmt. Da größere Druckverluste die Energieeffizienz und die Reichweite des Fahrzeugs verringern, ist es für die Optimierung der Strömungskanalauslegung entscheidend, auch kleinste auftretende Druckverluste mit hoher Genauigkeit zu erfassen.

Herausforderungen bei der Niederdruckmessung von Flüssigkeiten

Kühlmittel sind Flüssigkeiten, und in optimierten Strömungskanälen liegen die Druckverluste in einem sehr kleinen Bereich. Herkömmliche hochpräzise Druckmessgeräte sind häufig auf die Messung von Gasen ausgelegt, und im Niederdruckbereich von Flüssigkeiten kann die Genauigkeit nicht in allen Fällen garantiert werden. Daraus ergibt sich, dass nur wenige Messmittel zur Verfügung stehen, mit denen sich Kühlmittelkanäle detailliert bewerten lassen.

Effizienzsteigerung des Prüfsystems

In EVs sind mehrere Komponenten mit unterschiedlicher Wärmeentwicklung und Betriebstemperatur verbaut, deren Kühlmittelkanäle jeweils individuell bewertet werden müssen. An die Messtechnik werden dabei zahlreiche Anforderungen gestellt, etwa die Abdeckung der je nach Komponente und Strömungskanal erforderlichen Druckbereiche sowie eine effiziente Erfassung der Messdaten.

Lösung mit dem Präzisionsdruckmessgerät MT300

Direkte Differenzdruckmessung mit nur einem Gerät

Das Differenzdruckmodell des MT300 misst den Differenzdruck (ΔP) direkt mit einem einzelnen integrierten Sensor. Bei der üblichen Methode, bei der zwei Druckmessgeräte jeweils einen Druck messen und anschließend die Differenz berechnet wird, kumulieren sich die Genauigkeiten der einzelnen Sensoren (z. B. 0,01 % × 2 = 0,02 %), wodurch die Genauigkeit der Differenzdruckmessung tendenziell sinkt. Bei der Einsensormethode tritt keine Genauigkeitskumulation auf; dies trägt zudem zur Vereinfachung des Messsystems, zur Platzersparnis und zu einer effizienteren Datenerfassung bei.

Eignung für Flüssigkeiten und Gase

Das Differenzdruckmodell des MT300 unterstützt als Messmedien sowohl Gase als auch Flüssigkeiten (nicht brennbare, nicht explosive, nicht toxische und nicht korrosive Medien). Vier Messbereiche stehen zur Auswahl – 1 kPa, 10 kPa, 130 kPa und 700 kPa –, sodass je nach Auslegung des Kühlmittelkanals und erwartetem Druckverlust eine geeignete Kombination aus Messbereich und Auflösung gewählt werden kann.

Die Eignung für Flüssigkeiten beruht auf einem Aufbau, bei dem eine Metallmembran den Druck aufnimmt und nur dieser Druck über das innen eingeschlossene Silikonöl an den Sensor weitergeleitet wird. Da der hochempfindliche halbleiterbasierte Sensor konstruktiv nicht in direkten Kontakt mit dem Messmedium kommt, sind sowohl bei Gasen als auch bei Flüssigkeiten stabile Messungen möglich.

Eigenentwickelter Silizium-Resonanzsensor von Yokogawa

Das MT300 ist mit einem von Yokogawa eigenentwickelten Silizium-Resonanzsensor ausgestattet. Dabei werden auf einem Silizium-Wafer gebildete Resonatoren mit Druck beaufschlagt, und der Druck wird über die Änderung der Resonanzfrequenz erfasst. Durch ein Differenzverfahren, bei dem der Druck aus der Differenz der Eigenfrequenzen zweier Resonatoren bestimmt wird, werden Einflüsse aus dem Umfeld – wie die Umgebungstemperatur – kompensiert, sodass eine geringe Temperaturabhängigkeit und eine hohe Auflösung zugleich erreicht werden. Dass dieser Sensor als Transfernormal für internationale Vergleichsmessungen von Drucknormalen eingesetzt wird, belegt zusätzlich seine Langzeitstabilität.

Hochpräzise Erfassung kleinster Druckverluste

Beim Differenzdruckmodell mit dem kleinsten Messbereich von 1 kPa beträgt die Anzeigeauflösung 0,00001 kPa und die relative Genauigkeit ±(0,01 % vom Messwert + 0,00025 kPa) – ein feines Messprofil. Auch kleinste Druckverluste, die sich aus einer effizienteren Auslegung der Kühlmittelkanäle ergeben, werden zuverlässig erfasst, was die Bewertungsgenauigkeit der Strömungskanalauslegung erhöht.

Erwartete Vorteile durch den Einsatz des MT300

Durch den Einsatz des Differenzdruckmodells des MT300 lassen sich in der Entwicklung von EV-Kühlsystemen die folgenden Vorteile erwarten.

Geringerer Stromverbrauch der Kühlmittelpumpe

Da auch kleinste Druckverluste hochpräzise erfasst werden können, lassen sich Engpässe in der Strömungskanalauslegung leichter identifizieren. Wenn eine Auslegung mit geringerem Strömungswiderstand möglich wird, kann das Design auf eine Reduzierung der erforderlichen Antriebsleistung der Kühlmittelpumpe hin optimiert werden.

Beitrag zur Verbesserung von Reichweite und Energieeffizienz

Der Stromverbrauch des Kühlsystems wirkt sich auf die gesamte Energieeffizienz eines EVs aus. Wird der Stromverbrauch des Kühlsystems durch eine Effizienzsteigerung der Kühlmittelkanäle gesenkt, lassen sich die Gesamtenergieeffizienz des Fahrzeugs steigern sowie eine Erhöhung der Reichweite und eine Verbesserung der Energieeffizienz erwarten.

Effizientere Bewertung in der Entwicklungsphase

Da der Differenzdruck direkt mit nur einem Gerät gemessen werden kann, lassen sich das Messsystem vereinfachen und der Platzbedarf reduzieren. Auch an Entwicklungsstandorten, an denen die Bewertung der Strömungskanäle mehrerer Komponenten parallel erfolgt, kann der Systemaufbau rationalisiert und gleichzeitig die erforderliche Genauigkeit sichergestellt werden.

Zuverlässigkeit durch langfristig stabilen Betrieb

Das MT300 garantiert eine Messgenauigkeit von 0,01 % über einen Zeitraum von 12 Monaten und bietet dank Silizium-Resonanzsensor eine hohe Langzeitstabilität. Beispielsweise ist die Genauigkeitsdrift zwischen den jährlichen Rekalibrierungszyklen gering, sodass sich das Gerät langfristig als kontinuierliche Messplattform an Entwicklungsstandorten einsetzen lässt.