Während die Anzahl elektrischer Verbraucher in modernen Fahrzeugen, vor allem in Elektro- und Hybridautos, stetig anwächst, bleibt der verfügbare Platz gleich oder wird mitunter sogar geringer. Verknüpft mit dieser Entwicklung ist der Anstieg an elektrischen Verbindungsstrukturen wie Kabeln, Kabelbündeln, Stromschienen und Stromverteilerboxen. Da all diese Geräte und Verbindungen bei Stromfluss aufgrund des Joule-Effekts Wärme erzeugen, erweist sich die thermische Belastbarkeit bei Dimensionierungsfragen häufig als Flaschenhals. Einerseits möchten Hersteller Kabelquerschnitte und elektrisch leitendenes Material reduzieren, um Kosten, Gewicht und Platz zu sparen und um den CO₂-Ausstoß zu verringern, auf der anderen Seite dürfen die Komponenten wegen der Gefahr von Überhitzung und Hotspot-Bildung sowie des Anstiegs der thermischen Verlustleistung nicht zu klein dimensioniert werden.
Deshalb sind in der Automobilindustrie und bei ihren Zulieferern derzeit einige Änderungen im Gange. Über viele Jahre eingesetzte Normen müssen wegen der neuen Gegebenheiten überarbeitet werden. Bei der Frage nach der richtigen Dimensionierung von Kabeln und anderer Verbindungsstrukturen wurde bislang fast ausschließlich auf Erfahrungswerte und aufwändige Messungen zurückgegriffen. Erfahrungswerte können bei vielen Neuentwicklungen jedoch nur bedingt weiterhelfen, Messungen sind extrem teuer und bieten lediglich ein sehr beschränktes Spektrum an Untersuchungsmöglichkeiten. Finite Elemente Simulationen kommen in vielen Firmen zum Einsatz, sind aber mitunter auch so aufwändig, dass ihre Verwendung in diesem Bereich häufig nicht rentabel genug ist. Ein weiteres, nicht zu unterschätzendes Hindernis stellen, insbesondere in der Kabelindustrie, mangelnde Kenntnisse über passende Modellierungen und die entscheidenden bzw. vernachlässigbaren Einflüsse dar.
Die vorliegende Arbeit präsentiert neue, problemspezifische Verfahren zur adäquaten Berechnung thermischer Belastungen in Verbindungsstrukturen. Die Simulation mit Finiten Elementen ist dabei wesentlicher Bestandteil, vorwiegend werden aber Simulationsmethoden entwickelt, die eine vereinfachte thermische Analyse erlauben. Sie zeichnen sich durch einen weit geringeren Berechnungsaufwand aufgrund qualifizierter Reduktion von Eingabedaten und geschickter Diskretisierungsstrategien aus. Es werden Modellierungs- und Berechnungsansätze für einfache, isolierte Kabel, abgeschirmte Leitungen der Automobil-Hochvolttechnik, Leitungsbündel, Stromschienen und Sicherungen hergeleitet. Vergleiche mit Finite Elemente Rechnungen liefern Abschätzungen zur Genauigkeit der Methoden und helfen mögliche Schwächen der Ansätze zu identifizieren. Zur Sicherstellung der praktischen Anwendbarkeit werden Messungen herangezogen und Übereinstimmung bzw. Diskrepanzen dieser mit den Simulationen aufgezeigt.
An einer Vielzahl von Beispielen wird demonstriert, wie Hersteller von Kabeln und anderer Komponenten die problemspezifisch entwickelten Methoden gewinnbringend einsetzen und damit den zeitlichen und materiellen Aufwand drastisch reduzieren können. Optimierung der Leitungsquerschnitte, der Stromschienendicken und Anordnung von Einzelleitungen in Leitungsbündeln sind dabei wesentliche Themen. Des Weiteren soll ein Designvorschlag das Auslöseverhalten von Schmelzsicherungen hinsichtlich präziserer Voraussagbarkeit verbessern. Auf thermische Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Komponenten wie Stromschienen und Leitungen oder Leitungen und Sicherungen wird ebenso eingegangen wie auf Fragen nach Konvergenz und mathematischer Plausibilität der Verfahren. Dabei ergibt sich ein direkter Zusammenhang zwischen der Existenz einer Lösung der Problemklasse und der Konvergenz von darauf angewandten Iterationsverfahren.