Modellierung und Optimierung fluider Kühlverfahren für eine bestehende elektrische Maschine

Abstract

Der globale Trend zur Effizienzsteigerung eines Fahrzeugs durch Elektrifizierung des Antriebsstrangs hält auch im automobilen Rennsport Einzug. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Optimierung des Kühlsystems der elektrischen Maschinen im Hybridrennwagen GT3 R Hybrid von Porsche, der in der Saison 2010 erstmals zu Versuchszwecken an drei Langstreckenveranstaltungen teilgenommen hat.<br />Im theoretischen Teil der Arbeit werden sowohl die besonderen Anforderungen an ein Hybridsystem in einer Motorsportanwendung als auch die mit einem solchen System realisierbaren Funktionen und Möglichkeiten zur Effizienzsteigerung aufgezeigt. Die technischen Daten des Fahrzeugs werden dargestellt, der Aufbau sowie die einzelnen Komponenten des Hybridsystems werden näher erläutert. Daneben wird ein Überblick über den Stand der Technik bei elektrischen Maschinen in Fahrzeuganwendungen und die Mechanismen des Wärmetransports gegeben. Es werden verschiedene Kühlungsvarianten für solche Maschinen diskutiert und anhand von relevanten Kriterien wird die beste Variante für die vorliegende Anwendung ausgewählt. Dazu wird ein Überblick über die grundsätzlichen Möglichkeiten zur Berechnung und Simulation des Wärmetransports im Inneren von elektrischen Maschinen beschrieben. Dabei wird das Simulationsprogramm Motor-CAD als das am Besten geeignete Programm zur Analyse der bestehenden Maschine erkannt.<br />Im praktischen Teil der Arbeit wird die Güte der Wärmeübergänge verschiedener Medien anhand des errechneten Wärmeübergangskoeffizienten zwischen dem Medium und der elektrischen Maschine verglichen. Basierend auf diesen Ergebnissen sowie unter Berücksichtigung weiterer wichtiger Aspekte wird das für diese Anwendung beste Kühlmedium ausgewählt. Zur Prognose der Temperaturentwicklung innerhalb der realen Maschine, werden für das im Rahmen der Tätigkeit an dieser Arbeit erstellte Motor-CAD Simulationsmodell mehrere repräsentative transiente Belastungszyklen definiert. Dazu werden die zum Erhalt von sinnvollen Ergebnissen notwendigen Voraussetzungen und Annahmen diskutiert. Zuletzt werden am erstellten Simulationsmodell Parametervariationen durchgeführt, um die auf den Wärmehaushalt der Maschine einflussreichsten physikalischen und geometrischen Größen zu identifizieren. Anhand der dabei erhaltenen Ergebnisse werden Empfehlungen für die ideale Größe der untersuchten Parameter gegeben und Möglichkeiten zum Abgleich des Modells mit der realen Maschine erläutert.<br />

The global trend to improve the efficiency of a vehicle by electrifying the drive train is not limited to road cars any longer. The present thesis deals with the optimization of the cooling system for the electrical machines of the hybrid module in the GT3 R Hybrid racing car by Porsche.<br />In the theoretical part of this thesis the specific requirements for a hybrid system in a motorsport application as well as the functions and possibilities which can be put into realization with such a system are pointed out. The technical data of the vehicle is described, the layout and the components of the hybrid system are explained closely.<br />Furthermore an overview of electrical machines for automotive applications and the mechanisms of heat transfer are given. Different cooling systems for such machines are presented and the most effective variant is selected on the basis of relevant criteria for the usage in the GT3 R Hybrid. In addition there is a survey of the existing possibilities for calculating and simulating the heat transfer inside electrical machines. In this context the software Motor-CAD is acknowledged as the most appropriate one for the analysis of the existing electrical machine.<br />The quality of the heat transfers of different cooling liquids on the basis of the calculated heat transfer coefficient between the fluid and the electrical machine is determined in the practical part of the thesis. Based on these results as well as further important aspects taken into account, the most efficient cooling liquid is selected. For the prediction of the temperatures inside the real machine, representative duty cycles are defined for the simulation model which was established for this thesis. On top of that, the necessary preconditions and assumptions to obtain proper results are stated. As a last step parameter variations are carried out on the established simulation model in order to identify the most influential physical and geometric parameters on the thermal behaviour of the machine. On the basis of these results recommendations for the ideal size of the examined parameters are given and options to improve the congruence between the simulation model and the actual machine are proposed.