Konzeptionelle Untersuchung zur Kühlung der E-Maschine/n eines LKWs mit seriellem Antriebsstrang mittels kryogenem Treibstoff ohne supraleitende Materialien

Abstract

Bei der Elektrifizierung von Lastkraftwagen stellt die gegebene Reichweite der Fahrzeuge einen einschränkenden Faktor dar. Konventionell betriebene LKW haben Reichweiten von bis zu 3000 Kilometern. Mit heutigen Batteriespeichern oder gasförmigen Wasserstofftanks sind Strecken von maximal 400 Kilometern zurückzulegen. Durch die flüssige Speicherung von Wasserstoff bei kryogenen Temperaturen können die volumetrische Energiedichte und die Reichweite der LKW um einen Faktor drei im Vergleich zur gasförmigen Wasserstoffspeicherung gesteigert werden. Hierfür erarbeitet das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt ein Konzept eines Brennstoffzellen-LKWs mit seriellem Antriebsstrang, das eine lastabhängige Kühlung der elektrischen Maschine beinhaltet. Ziel der Arbeit ist es festzustellen, ob die Verwendung von flüssigem Wasserstoff als Kühlmittel eine Steigerung der elektromagnetischen Ausnutzung aufgrund der Erhöhung der Stromdichte bei konstantem Bauvolumen oder einer Verringerung des Bauvolumens bei konstanter Stromdichte ermöglicht. Dazu wird die elektrische Maschine in einem elektromagnetischen und thermischen Finite-Elemente-Modell (FEM) dargestellt und in vereinfachter Darstellung in einem Fahrzyklus simuliert. Zudem werden vereinfachte Modelle erstellt, welchen zur Annäherung an die FEM-Modelle Anpassungsparameter übergeben werden. Es werden unterschiedliche Maschinengeometrien untersucht und im Ergebnis gezeigt, dass das Konzept der kryogenen Kühlung den Wirkungsgrad der elektrischen Maschine gegenüber einer herkömmlichen Wassermantelkühlung steigert.