Optimierung Der Wärmeabfuhr Eines Fahrzeug-elektromotors Und Auswirkungen Auf Den Gesamtkühlkreislauf (wissenschaftliche Reihe Fahrzeugtechnik Universität Stuttgart) (german Edition)

Nikolaos Karras behandelt die Senkung des Kühlenergiebedarfs batterieelektrischer Fahrzeuge als Beitrag zur Reichweitensteigerung. Kernaspekt ist hierbei die Untersuchung neuer, effizienterer Wassermantelgeometrien für Elektromotoren, die über eine hohe Wärmeabfuhr bei gleichzeitig geringem Druckverlust verfügen. Neben gängigen Geometrien werden auch alternative Strukturen untersucht. Die Analyse und Beurteilung erfolgt rein numerisch durch ein validiertes 3D-Simulationswerkzeug. Zur zusätzlichen Entlastung des Fahrzeugenergiespeichers werden weitere Kühlkreislauf- bzw. Fahrzeugparameter betrachtet. Für die Bewertung der einzelnen Maßnahmen dient eine 1D-Simulationsumgebung des Elektrofahrzeugs. Dessen Validierung erfolgt durch Klimawindkanal- sowie Streckentests. Abschließend wird die Basis-Fahrzeugkonfiguration mit der optimierten Fahrzeugkonfiguration verglichen. Vorwort 6 Inhaltsverzeichnis 7 Abbildungsverzeichnis 9 Tabellenverzeichnis 16 Abkürzungsverzeichnis 17 Formelzeichen 19 Zusammenfassung 23 Abstract 27 1 Einleitung 30 2 Grundlagen und Stand der Technik 32 2.1 Grundlagen 32 2.1.1 Hydrodynamik 32 2.1.2 Wärmeübertragungsmechanismen 36 2.1.3 Elektromotoren und ihre Verlustleistungen 41 2.2 Stand der Technik 47 2.2.1 Kühlkonzepte für Elektromotoren 47 2.2.2 Kühlplatten- und Wassermantelkühlung 49 2.2.3 Thermomanagement an Hybrid- und Elektrofahrzeugen 55 3 Entwicklungswerkzeuge des Thermomanagements 58 3.1 Messtechnik 58 3.1.1 Strömungsmesstechnik 58 3.1.2 Kühlfluid-Konditioniereinheit 60 3.1.3 Wärmebildkamera 61 3.2 Simulationswerkzeuge 62 3.2.1 Thermisches Fahrzeugmodell Stuttgart 62 3.2.2 KULI 64 3.2.3 Exa PowerFLOW / PowerTHERM 64 3.2.4 Kopplungsmethodik 66 3.3 Fahrzyklen 68 4 Optimierung der Wärmeabfuhr des Elektromotors 72 4.1 Messung 72 4.1.1 Versuchsmodell 73 4.1.2 Versuchsaufbau 74 4.2 Simulation 78 4.3 Validierungsergebnisse 80 4.3.1 Messergebnisse 80 4.3.2 Simulationsergebnisse 83 4.4 Validierung der Parallelgeometrie 89 4.5 Optimierung der Wassermantelgeometrie 91 4.5.1 Konzepte für Kühlplatten 91 4.5.2 Entwurf des optimierten Wassermantels 98 4.6 Implementierung in die Gesamtsystemsimulation 104 5 Optimierung des Gesamtkühlsystems 105 5.1 Fahrzeugmodell 105 5.2 Kühlsystemtopologie 106 5.3 Validierung der Gesamtsystemsimulation 109 5.3.1 TheFaMoS-Validierung 110 5.3.2 KULI-Validierung 118 5.4 Optimierungsmaßnahmen am Kühlkreislauf 126 5.4.1 Verschlauchung 127 5.4.2 Pumpentyp 129 5.4.3 Kühlervariation 131 5.4.4 Einfluss des Konzeptwassermantels 134 5.4.5 Regelung/Steuerung 136 5.4.6 Luftkühlung der Elektromotoren 137 5.5 Optimierungsmaßnahme am Gesamtfahrzeug 139 5.6 Betrachtung der kombinierten Optimierungsmaßnahmen im Gesamtsystem 141 6 Diskussion der aufgezeigten Potenziale 145 Literaturverzeichnis 148 Anhang 155 Nikolaos Karras behandelt die Senkung des Kühlenergiebedarfs batterieelektrischer Fahrzeuge als Beitrag zur Reichweitensteigerung. Kernaspekt ist hierbei die Untersuchung neuer, effizienterer Wassermantelgeometrien für Elektromotoren, die über eine hohe Wärmeabfuhr bei gleichzeitig geringem Druckverlust verfügen. Neben gängigen Geometrien werden auch alternative Strukturen untersucht. Die Analyse und Beurteilung erfolgt rein numerisch durch ein validiertes 3D-Simulationswerkzeug. Zur zusätzlichen Entlastung des Fahrzeugenergiespeichers werden weitere Kühlkreislauf- bzw. Fahrzeugparameter betrachtet. Für die Bewertung der einzelnen Maßnahmen dient eine 1D-Simulationsumgebung des Elektrofahrzeugs. Dessen Validierung erfolgt durch Klimawindkanal- sowie Streckentests. Abschließend wird die Basis-Fahrzeugkonfiguration mit der optimierten Fahrzeugkonfiguration verglichen. Der Inhalt Entwicklungswerkzeuge des Thermomanagements Optimierung der Wärmeabfuhr eines Elektromotors und des Gesamtkühlsystems Die Zielgruppen Dozierende und Studierende der Fachgebiete Fahrzeugtechnik und Thermomanagement Praktisch Tätige in der Industrie in den Bereichen Thermomanagement und alternative Antriebe Der Autor Nikolaos Karras wurde am Institut für Verbrennungsmotoren und Kraftfahrzeuge am Lehrstuhl Kraftfahrwesen im Bereich Fahrzeugaerodynamik und Thermomanagement der Universität Stuttgart promoviert. Heute arbeitet er als Aerodynamiker im Automobilrennsport Front Matter....Pages I-XXXI Einleitung....Pages 1-2 Grundlagen und Stand der Technik....Pages 3-28 Entwicklungswerkzeuge des Thermomanagements....Pages 29-42 Optimierung der Wärmeabfuhr des Elektromotors....Pages 43-75 Optimierung des Gesamtkühlsystems....Pages 77-116 Diskussion der aufgezeigten Potenziale....Pages 117-119 Back Matter....Pages 121-129