Entwicklung und Validierung einer Statorkühlung mit direkt von Wasser-Glykol umspülten konzentrierten Wicklungen für die Anwendung in einer 48 V-Mild-Hybrid Axialflussmaschine

Abstract

48 V-Mild-Hybrid Systeme erlauben es, bestehende Fahrzeugplattformen mit geringem Kosteneinsatz zu hybridisieren, dabei kommen E-Maschinen mit bis zu 30 kW Leistung zum Einsatz. Der axiale Bauraum zwischen Verbrennungsmotor und Getriebeeingang ist beim P1- und P2-Hybrid stark begrenzt. Aufgrund ihrer kurzen axialen Länge und hohen Drehmomentdichte stellen permanenterregte Axialflussmaschinen für dieses Anwendungsgebiet eine ideale Alternative zu den meist bei bestehenden Systemen eingesetzten Radialflussmaschinen dar. Üblicherweise werden die Statorwicklungen der E-Maschine indirekt über einen Kühlmantel im Maschinengehäuse gekühlt. Mit zunehmender Kühlleistung wird eine höhere Maschinenausnutzung und Überlastfähigkeit sowie noch kompaktere Bauform ermöglicht. Die direkte Wicklungskühlung, bei der die Kupferwicklungen direkt von der Kühlflüssigkeit umspült werden, stellt die deutlich effektivere Kühlmethode dar. In bereits verfügbaren Systemen und Veröffentlichungen wird Öl als Kühlmedium eingesetzt. Wird Wasser-Glykol als Kühlmedium verwendet, ist es bei entsprechend hoher Kühlleistung möglich, das E-Motorkühlsystem direkt in den Hochtemperaturkreislauf des Verbrennungsmotors zu integrieren. Dadurch ergibt sich eine geringere Komplexität und die Systemkosten werden reduziert. Diese Arbeit zielt deshalb darauf ab, eine Statorkühlung mit direkt von Wasser-Glykol umspülten Wicklungen für die Anwendung in einer kompakten für den 48 V-Mild-Hybrid Antriebsstrang konzipierten Axialflussmaschine zu entwickeln und zu validieren. Die Wasser-Glykol Direktkühlung wird auf dem E-Motorprüfstand sowohl in stationären Messungen, als auch in den dynamischen Fahrzyklen WLTC und RTS 95 bei unterschiedlichen Kühlmittelvorlauftemperaturen und -volumenströmen validiert. Zur vertiefenden Analyse und Beschreibung, der auf den Messungen basierenden Erkenntnisse, werden begleitende CFD-Simulationsrechnungen in statischen Lastpunkten durchgeführt. In stationären Betriebspunkten kann im Vergleich mit der herkömmlichen Mantelkühlung das 15-fache an Verlustleistung abgeführt werden. Im Vergleich mit der direkten Öl Kühlung lassen sich bis zu 3-mal höhere Verluste abführen. In den untersuchten Fahrzyklen unterliegt die mit Wasser-Glykol Mantelkühlung ausgestattete Maschine thermisch bedingten Drehmoment-Einschränkungen. Die mit direkter Wasser-Glykol Kühlung ausgestattete Maschine ist auch beim Vorlauftemperaturniveau des Verbrennungsmotorkühlkreislaufs (90 °C) nicht thermisch limitiert und kann durch den uneingeschränkten elektrischen Fahr-, Boost- und Rekuperationsbetrieb das Potential des 48 V-P2-Mild-Hybrid Systems hinsichtlich Kraftstoffeinsparung bestmöglich ausnutzen. Durch die hohe Kühlleistung wird eine Einbindung des E-Motorkühlsystems in den Verbrennungsmotorkühlkreislauf ermöglicht sowie eine signifikant höhere Überlastfähigkeit im Vergleich zur mit konventioneller Wasser-Glykol Mantelkühlung ausgestatteten E-Maschine erreicht.

48 V-mild-hybrid systems allow the hybridisation of existing vehicle platforms at low cost, using e-machines with up to 30 kW power. In the P1- and P2-hybrid, the axial space between the combustion engine and the gearbox is very limited. Due to their short axial length and high torque density, permanently excited axial flux machines are an ideal alternative to the radial flux machines mostly used in existing systems. Usually, the stator windings of the e-motor are cooled indirectly via a cooling jacket in the machine housing. With increasing cooling power, higher machine utilisation and overload capability, as well as an even more compact machine design, become possible. Direct-winding cooling, where the copper windings are directly immersed in the cooling liquid, is a much more effective cooling method. In already available systems and publications, oil is used as the cooling medium. Provided that the cooling power is high enough, it is possible to integrate the e-motor cooling system directly into the high-temperature circuit of the combustion engine if water-glycol is used as the cooling medium. As a result, there is less complexity, and the system costs are reduced. Therefore, this thesis aims to develop and validate a stator cooling system with direct water-glycol-cooled windings for application in a compact axial flux machine designed for a 48 V-mild-hybrid powertrain. On the e-motor test bench, the water-glycol direct cooling system is validated in stationary measurements as well as in the dynamic driving cycles WLTC and RTS 95 at different coolant inlet temperatures and volume flows. For a more detailed analysis and explanation of the findings based on the measurements, additional CFD simulations at static load points are made. At steady-state load points, up to 15 times more power loss can be dissipated compared to a conventional jacket cooling system. In comparison with direct oil cooling, up to 3 times higher losses can be removed. In the investigated driving cycles, the machine with water-glycol jacket cooling suffers from thermal-related torque limitations. The machine with direct water-glycol cooling has no thermal limitations, even at the flow temperature level of the combustion engine cooling circuit (90 °C). Due to the unrestricted electric driving, boost, and recuperation phases, the direct water-glycol-cooled machine can utilise the potential of the 48 V-P2-mild-hybrid system in terms of fuel savings in the best possible way. The high cooling power enables the integration of the e-motor cooling system into the combustion engine cooling circuit, and a significantly higher overload capacity, compared to the jacket-cooled machine, can be achieved.