Geavanceerde koeling voor aandrijflijnen

Onder impuls van de huidige energietransitie komt er steeds meer aandacht voor elektrische aandrijflijnen en motoren. Deze steeds veelzijdiger en efficiënter maken blijft een belangrijke doelstelling in het streven naar een klimaatneutrale wereld. De koeling van het systeem is daarbij een belangrijk aspect, aangezien het vermogen en de efficiëntie daar direct afhankelijk van zijn. Flanders Make zet zich dan ook in om die koeling zo veel mogelijk te optimaliseren, zowel in een industriële context als voor voertuigen.

Koelen en smeren met hetzelfde circuit

Elektrische aandrijflijnen bevatten een aantal onderdelen die warmte opwekken, waaronder een elektrische motor, en hebben bijgevolg ook koeling nodig om constant te blijven presteren. Hoe beter we er in slagen de motor te koelen, hoe hoger het maximum vermogen dat we eruit krijgen. Daarnaast hebben elektrische aandrijflijnen ook olie nodig om bewegende onderdelen te smeren, zodat ze soepel kunnen blijven opereren. Het optimaliseren van de koeling (en smering) is dan ook interessant, want de juiste ingrepen bij een aandrijflijn kunnen ook de vermogensdichtheid en efficiëntie ervan verbeteren.

We werkten in het verleden samen met bedrijven en onderzochten daarbij diverse alternatieve koelmethoden. In dit lopende onderzoek wordt bekeken hoe  het reeds voorziene oliecircuit voor smering ook gebruikt kan worden voor koeling. Dit laat toe om een apart koelcircuit (met bijvoorbeeld water-glycol als koelvloeistof) te schrappen, wat minder onderdelen, energiegebruik en kosten met zich meebrengt. Daarnaast laat de (diëlektrische) olie directe contactkoeling technieken toe, waarbij de olie rechtstreeks met de verhitte onderdelen in contact komt en deze beter koelt, zodat het vermogen kan opgedreven worden voor de motor met olie koeling. Deze innovatieve directe contactkoeling met olie verhoogt dus de vermogensdichtheid, want de wattage per kilogram wordt hoger. Dit zelfs tot 50%. Binnen deze onderzoeken konden we een patent aanvragen voor een specifieke oplossing die we hierbij ontwikkelden.

Simulaties voor koelingsperformantie

De technologie rond elektrische aandrijflijnen evolueert razendsnel, wat het voor bedrijven vaak moeilijk maakt om de juiste aanpak te kiezen voor hun systeem. We hanteren daarbij een systeem aanpak, gemakkelijk in gebruik, waar detail en systeem modellering automatisch gekoppeld kunnen worden. Deze omvatten de volgende ontwikkelingen:

• Gevalideerde detail modellen: We ontwikkelden niet alleen nieuwe concepten, maar werkte ook aan specifieke, gedetailleerde modellen om de koelprestatie correct te voorspellen én dat voor verschillende types koeling voor meerdere motoren en vermogenselektronica. Een voorbeeld zijn onze generieke thermische modellen voor elektrische machines (EM-Therm) en vermogenselektronica (PE-Therm), die we inzetten én tunen op maat van bedrijven in B2B- en onderzoeksprojecten met bedrijven.
• Gevalideerd systeem HYPERTHERM toolbox: Daarnaast merken we dat er nood is aan simulatietools voor bedrijven om de voordelen van deze ontwerpkeuzes voor hun systeem eenvoudig te kunnen evalueren.We werkten dan ook een invoegtoepassing uit (onze ‘custom HYPERTHERM toolbox’) voor Simscape, een softwarepakket dat standaard al vaak gebruikt wordt voor het uitwerken van fysieke systemen. Onze invoegtoepassing laat toe om de bestaande simulaties ook uit te breiden met verschillende soorten koelingen die niet standaard ter beschikking zijn in bestaande commerciële tools. Deze toolbox laat toe om detail modellen per voorbeeld van een motor (EM-therm of MotorCAD model) te beperken naar een gereduceerd systeem model. Zo kunnen bedrijven simuleren hoe performant een innovatieve koelmethode zal werken in een systeem, behoorlijk vroeg in het proces en op een eenvoudige manier. Verder investeerden we ook in testinfrastructuur voor modelvalidatie van de bovenstaande detail- en systeemmodel toolboxen zodat deze kunnen ingezet worden voor en door bedrijven.

Ondertussen zijn we samen met DANA, één van onze onderzoekspartners, volop aan de slag om de resultaten van de simulaties te valideren met data uit prototypes. Zo kunnen we de simulaties nog verder op punt stellen om het onderzoek definitief af te ronden tegen zomer 2023. Dan kan de systeem aanpak met bijhorende EM & PE-therm detailmodellen en de gekoppelde HYPERTHERM toolbox ook breder ingezet worden in de lopende energietransitie.