Koeling bij elektrische voertuigen

Net zoals een wagen met een traditionele verbrandingsmotor, dient ook ‘het hart’ van een elektrische wagen gekoeld te worden. Dit zijn voornamelijk de batterij en de elektrische motoren. Daarnaast dienen ook bepaalde elektronica-componenten voorzien te worden van koeling.

Koeling bij elektromotoren kan met lucht of met een vloeistof zoals water gerealiseerd worden. Doordat de warmtegeleiding van water ongeveer 25 keer hoger ligt dan die van lucht, wordt vaak voor waterkoeling gekozen. Water kan veel meer warmte afvoeren op dezelfde tijdspanne bij eenzelfde warmtewisselend oppervlak als lucht.

Daarnaast is het ook noodzakelijk dat de batterijen gekoeld worden. Tijdens het rijden moet een auto vaak accelereren en remmen, waardoor de batterij veelvuldig oplaadt en ontlaadt. Bij dergelijke cycli wordt warmte gegenereerd. Hoe meer men optrekt en remt, des te meer warmte er ontwikkeld wordt. Batterijtechnologie evolueert voortdurend, met een hogere energiecapaciteit per volume tot gevolg. Daarom is koeling van essentieel belang, om oververhitting te vermijden.

Het gewicht van de wagen speelt een belangrijke rol bij de actieradius van het voertuig. Ook wensen autoconstructeurs technologie zo efficiënt, compact en gestroomlijnd mogelijk in te bouwen. Fabrikanten trachten daarom de koeling van wagens optimaal te dimensioneren.

Traditioneel worden koelingscomponenten met een vaste structuur ontworpen. Deze bestaan uit koelvinnen of koelpennen, die op gelijke onderlinge afstand gedimensioneerd worden. De koelingscomponent wordt tegen de te koelen wand gemonteerd. Er zal warmteoverdracht plaatsvinden tussen de opgewarmde wand en de component. Op zijn beurt zal de koelingscomponent de warmte afgeven aan het koelmiddel. De mate waarin de warmteafgifte plaatsvindt, is afhankelijk van het ontwerp van de koelstructuur.

Door de steeds grotere vraag naar compactere en efficiëntere ontwerpen, wordt gezocht naar optimale structuren voor koelingscomponenten. Diabatix is een innovatieve speler bij deze ontwikkelingen. Diabatix is gevestigd te Leuven en opgericht door Lieven Vervecken en Joris Coddé, beide alumni van KU Leuven. Het bedrijf koppelt artificiële intelligentie aan numerieke stromingsleer (CFD) om op die manier geoptimaliseerde structuren te ontwerpen. Optimalisaties gebeuren aan de hand van gekende parameters die in de software worden ingegeven. Vervolgens krijgt de software de kans om met behulp van supercomputers een optimaal thermisch patroon te genereren. Typisch wordt een eilandenstructuur gegenereerd, waardoor het fluïdum kan stromen.

Om een duidelijker beeld te scheppen van de optimalisatiemogelijkheden, wordt hierboven een foto getoond van een motorbehuizing. Het voorgestelde model werkt met waterkoeling en wordt gebruikt voor de elektrische aandrijving van Formula Electric Belgium. De elektromotor wordt binnenin de motorbehuizing gemonteerd. Het geoptimaliseerde patroon zorgt voor een efficiëntere koeling over het gehele wenteloppervlak. Ook de realiseerbare gewichtsbesparing omwille van de optimalisatie, is van essentieel belang bij projecten zoals de wagen van Formula Electric Belgium.

Het is dus duidelijk dat koeling ook in tijden van elektrificering een belangrijke factor is in het ontwerpproces. Door de toenemende nood aan compactere en lichtere ontwerpen en technisch meer hoogstaande vereisten, blijkt de vraag naar geoptimaliseerde structuren toe te nemen. Met behulp van moderne productietechnieken zoals 3D-printing, is ook de fabricage van dergelijke producten relatief eenvoudig.