Maßgeschneiderter Hochvoltlüfter für elektrische Nutzfahrzeuge

Ein Nutzfahrzeug benötigt unabhängig von seiner Antriebsart ein Kühlungssystem mit einem oder mehreren Lüftern, die für einen Luftstrom sorgen. Ein elektrisch angetriebenes Nutzfahrzeug (eCV), sei es ein batterieelektrisches Fahrzeug (BEV) oder ein brennstoffzellenelektrisches Fahrzeug (FCEV), benötigt im Vergleich zu einem entsprechenden Verbrenner zusätzliche Kühlungskapazität. Je nach Art des eCV müssen Antriebsmotor, Inverter, die Hochvoltbatterie, Bremswiderstände und Brennstoffzellenmodule gekühlt werden. Anstelle des motorgetriebenen Lüfters muss das Kühlungssystem mit einem elektrisch angetriebenen Lüfter arbeiten. Dieser erfordert eine beträchtliche Leistung: etwa 5 kW für ein leichtes Nutzfahrzeug und bis zu 40 kW für Schwerlast-Anwendungen.

Anforderungen an den Lüfter

Die Batteriekapazität hängt direkt mit der Reichweite des Fahrzeugs zusammen. Daher muss der Energiebedarf durch den Luftwiderstand auf ein Minimum reduziert werden. Außerdem muss der Schalldruckpegel so gering wie möglich sein, damit das Fahrzeug die Lärmschutzvorschriften einhält. Die Auslegung des Lüfterrads auf einen hohen aerodynamischen Wirkungsgrad erfüllt beide Anforderungen und ermöglicht eine Optimierung der Elektromotordrehzahl, um ausreichend Drehmoment für den Antrieb des Lüfters bei minimaler Geräuschentwicklung zu erreichen. BorgWarner hat Hochvoltlüfter entwickelt, die den Großteil des zur Kühlung erforderlichen Luftstroms aus dem vorderen Teil des Fahrzeugs zur Verfügung stellen. Ein Basisdesign kann an spezifische Anforderungen angepasst werden (Bild 1).

Numerischer Optimierungsansatz zur Definition der Lüfter-Geometrie

Um die Geometrie des Lüfters zu definieren, eignet sich ein mehrdimensionaler numerischer Optimierungsansatz. Bei diesem werden systematisch Eingabewerte innerhalb definierter Vorgaben gewählt und so eine Gütefunktion maximiert oder minimiert. Für die Optimierung eines serienmäßigen Lüfters lässt sich entweder ein automatisiertes Werkzeug verwenden, oder die Parameter werden manuell angepasst. Am Ende wird zur Validierung eine CFD-Analyse (Computational Fluid Dynamics) unter anwendungsspezifischen Installationsbedingungen durchgeführt. Je höher die Anzahl der eingegebenen Designvariablen ist, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit, eine aussichtsreiche Lüfterauslegung zu erzielen. Unter Umständen kann sich durch die umfangreichen Berechnungen die Entwicklungszeit verlängern, allerdings ist dies gleichzeitig auch ein wichtiger Beitrag, um eine stabile Luftströmung zu gewährleisten.

Im Rahmen des Optimierungsprozesses werden neben der Aerodynamik auch die Langlebigkeit und der Geräuschpegel berechnet. Für eine ausreichende Dauerfestigkeit wird nach der CFD-Simulationen eine Finite Elemente Analyse (FEA) durchgeführt. Bei der Bewertung der Lüfterakustik ermöglicht ein Prototypentest die Analyse mehrerer Betriebspunkte in kurzer Zeit, um ein realistisches Ergebnis zu erhalten. Die Aeroakustiksimulation (CAA, Computational Aero Acoustics) liefert zusätzlich eine detaillierte Strömungsanalyse und verfeinert die Geometrie des Lüfterrads durch Anpassungen in Echtzeit.

Wenn das Design des Lüfterrads abgeschlossen ist, können die gewonnenen CFD-Daten dazu dienen, die Betriebsparameter des Elektromotors und der dazu notwendigen Leistungsansteuerelektronik zu definieren.

eMotor und Leistungselektronik

Die Wahl des Elektromotors, der den Lüfter antreibt, und die Leistungselektronik, die den Motor steuert, hängen miteinander zusammen. So beeinflusst beispielsweise die erforderliche Ausgangsleistung der Welle die Inverterauslegung und die benötigten Leistungsschalter. Bei begrenztem Bauraum ist ein Synchronmotor die beste Wahl. Ein externer Inverter wird dann eingesetzt, wenn es um die Einhaltung von Knautschzonen und Aufprallsicherheit im Frontalzusammenstoß geht. Der Motor kann sensorlos laufen, oder alternativ kann ein Resolver die Winkelposition und die Drehzahl vbestimmen, was die Regelgenauigkeit verbessert, da der Motor über einen geschlossenen Regelkreis mit seinen Sollwerten abgeglichen werden kann. Der Inverter besteht aus einer Logikkomponente, einer Leistungskomponente und entsprechenden Leistungsschaltern, bei denen es sich um IGBTs, MOSFETs oder SiCs handeln kann. Der Inverter ist im Statorgehäuse integriert oder extern angebracht. Das entscheidet sich nach verfügbarem axialen Bauraum und den Anforderungen an die Hochvolt-Leistungselektronik in einem Crash-Szenario. Die Integration in das Statorgehäuse ist weniger komplex, senkt die Kosten und vermeidet Probleme mit der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV), da keine Kabel nötig sind. Auch der Wasserkühlungskreislauf wird auf eine einzige Schnittstelle zum Lüfter vereinfacht. Wenn der Lüfter während der Fahrt in Betrieb ist oder die Batterie mit hoher Leistung geladen wird, ist die Wärmeableitung aus dem Inverter wichtig, um die hohen Ströme sicher zu schalten und die thermischen Grenzwerte von E-Motor und Inverter nicht zu überschreiten. Daher ist eine Temperaturüberwachung der Leistungselektronik und des E Motors unerlässlich.

Konstruktion und Modularität

Der eFan wurde von BorgWarner nach den ASPICE-Richtlinien (Automotive Software Process Improvement Capability Determination) entwickelt. Da die Software modular aufgebaut ist, eignet sie sich für künftige Designkonzepte und hält Anpassungsaufwand sowie Kosten gering. Die Verwendung der offenen Systemarchitektur für die Automobilindustrie (Autosar) gestaltet auch den Änderungsprozess einfach. Das skalierbare Design der Lüftertypen eFan 5, 10, 15 und 20 bedeutet, dass viele der gleichen Komponenten in jeder dieser Baugrößen verwendet werden können. Der leistungsstarke eFan 40 erfordert ein anderes Design, um ein ausreichendes Drehmoment zu erreichen. (bs)