Entwicklung einer Methodik zur systemischen Optimierung elektrischer Antriebseinheiten durch weiterentwickelte Kühlkonzepte und antriebsinternes Thermomanagement
Creators: name: Gronwald, Peer-Ole
Publisher: name: TUHH Universitätsbibliothek
Year: 2023
Subjects: subject: electric traction motor
subject: cooling
subject: battery electric vehicle
subject: electric drive unit
subject: thermal simulation
subject: optimization
classificationCode: 600
subject: Technology
classificationCode: 620
subject: Engineering

description: Der Mobilitätssektor befindet sich in einem Umbruch hin zur Elektromobilität. Dies führt zu steigenden Anforderungen an die Entwicklung neuer elektrischer Antriebsstränge zukünftiger Elektrofahrzeuge. Die elektrische Antriebseinheit soll kostengünstig, kompakt, langlebig und möglichst effzient in allen Fahrszenarien bei unterschiedlichen Umgebungsbedingungen sein. Mit steigender Komplexität und Bauteilintegration der Antriebseinheiten nimmt der Einfluss des thermischen Verhaltens der Komponenten (elektrische Maschine, Leistungselektronik und Getriebe) und deren gegenseitige Kopplung weiter zu. Die Komponenten besitzen teilweise stark voneinander abweichende, optimale Betriebstemperaturbereiche, was wiederum zu entgegengesetzten Anforderungen an das Kühlsystem führen kann. Das Kühlsystem und das zugehörige antriebsinterne Thermomanagement stellen die Schnittstellen zwischen den Komponenten dar und bieten zusätzliche Möglichkeiten den Wirkungsgrad des Systems anzuheben. Um das optimale Gesamtkonzept einer elektrischen Antriebseinheit für eine Fahrzeugplattform zu entwickeln, ist eine systemische Betrachtung von Kosten, Effzienz, Masse und Lebensdauer unter Einhaltung von Bauraum und Grenztemperaturen für den Einsatz in verschiedenen Fahrzeugen notwendig. Im Rahmen dieser Arbeit wird eine Methodik zur systemischen Bewertung von Kühlkonzepten und Thermomanagementmaßnahmen elektrischer Antriebseinheiten entwickelt. Die Bestandteile der Toolkette (thermische Komponentenmodelle, Kostenmodelle und Getriebeentwurfsmodelle) sowie das thermische Antriebsmodell werden anhand verschiedener Messungen detailliert validiert. Die vorgestellte Toolkette ermöglicht in früher Entwicklungsphase die Bewertung sowie Optimierung von Kühlkonzepten für elektrische Antriebseinheiten unter Betrachtung verschiedener Fahrzyklen. Zur Bewertung des Gesamtsystems unter den genannten Aspekten wird ein Ansatz basierend auf fahrzeugspezifischen Ersatzkennzahlen genutzt. Weiterhin können zusätzliche antriebsinterne Thermomanagementmaßnahmen im System bewertet und optimiert werden, um den Realverbrauch zu reduzieren und gleichzeitig die systemisch besten Lösungen zu identifizieren. Die Anwendungsmöglichkeiten der Toolkette werden anhand verschiedener Parameterstudien und Optimierungen aufgezeigt.
description: The mobility sector is undergoing a radical change towards electromobility. This leads to increasing demands on the development of new electric powertrains of future electric vehicles. The electric drive unit should be cost-effective, compact, durable and be as effcient as possible in all driving scenarios under different environmental conditions. With increasing complexity and component integration of the drive units, the influence of the thermal behavior of the components (electric motor, power electronics and transmission) and their mutual coupling increases. Some of the components have strong divergent, optimal operating temperature ranges, which leads to opposite requirements for the drive unit cooling system. The cooling system and associated drive unit internal thermal management represent the interfaces between the components and offer additional possibilities to increase the effciency of the system. In order to develop the optimal overall concept of an electric drive unit for a vehicle platform, a systemic consideration of costs, effciency, mass and lifetime under compliance with installation space and limit temperatures for use in various vehicles is necessary. Within the scope of this thesis, a methodology for the systemic evaluation of cooling concepts and thermal management measures of electric drive units is developed. The components the tool chain (thermal component models, cost models and transmission design models) as well as the thermal drive model are validated on the basis of various different measurements. The presented tool chain enables the evaluation and optimization of cooling concepts for electric drive units under consideration of different drive cycles. In order to assess the overall system under the above aspects a cost equivalent number approach based on vehicle-speci c properties is used. Furthermore, additional drive unit internal thermal management measures are evaluated and optimized in order to reduce energy consumption and at the same time provide the best drive unit solutions. The application possibilities of the tool chain are shown based on various parameter studies and optimizations.