Gestione termica di componenti ad alta densità di potenza per la mobilità sostenibile: sviluppo di metodi computazionali e casi di studio

This work presents the development of modelling methodologies for the thermal analysis of powertrain and cooling system components for sustainable vehicles. In particular, the analysis is directed at the most relevant components in terms of generation and transfer of heat, namely electric motors, the power-electronics components associated with their control and operation, and compact heat exchangers. The study of overall systems and complex components is addressed by developing a generalised computational tool, based on the lumped parameters approach. This toolbox is based on three main pillars: the representation of the physical domain through the graph theory, an advanced management system for units of measurement, and a generalised formulation for source and sinks terms. These general building blocks are used to implement a solver for one-dimensional flow within networks of pipes, and a solver for networks of thermal resistances. The latter is used to develop thermal models for an integrated motor drive composed by a synchronous motor and a multilevel power converter, where thermal resistances are derived from geometric data, empirical correlations, and a dedicated Computational Fluid Dynamics model for the cooling jacket. The effects of the thermal properties of the materials comprised in the assembly on thermal performance are assessed by means of a comprehensive parameter sensitivity analysis. Heat exchangers, an essential part of any cooling system, are analysed by developing an original approach solely based on physical principles and established models. This methodology combines detailed numerical models for the extended surfaces and manifolds, with global models aimed at accurately evaluating overall head losses and heat transfer rates in plate-fin heat exchangers. The approach is validated by comparing numerical and experimental results on several configurations, producing maximum deviations of ±20%. The thermal analysis of heat exchangers is further expanded by a parametric analysis on offset-strip fins, performed with the aim of deriving generalised and continuous response surfaces for head losses and heat transfer rates, suitable for the design and optimisation of plate-fin heat exchangers. These response surfaces extend over a wide Reynolds and Prandtl number range (50 ≤ Re ≤ 12000, 0.71 ≤ Pr ≤ 190). In addition, a novel empirical model for the Prandtl number scaling exponent is proposed. The application of the response surfaces to the analysis of complete heat exchangers issued mean and maximum deviations of ±7.8% e ±20%, respectively. The methodologies developed in this work represent practical and effective approaches suitable for the thermal analysis of complex parts and components of sustainable powertrains. Low-order approaches were combined with three-dimensional numerical analyses to reduce the required computational effort, to improve practicality and flexibility of the developed methodologies, which could prove advantageous in industrial contexts. In addition, the high degree of generality of the presented approaches makes them suitable for the analysis of powertrain and cooling components with any architecture.

Questo lavoro presenta lo sviluppo di metodologie di modellazione per l'analisi termica dei componenti dei sistemi di propulsione e raffreddamento dei veicoli sostenibili. In particolare, l'analisi è rivolta ai componenti più rilevanti in termini di generazione e trasferimento di calore, ovvero i motori elettrici, i componenti elettronici di potenza associati al loro controllo e funzionamento e gli scambiatori di calore compatti. Lo studio complessivo dei sistemi e quello di componenti complessi viene affrontato sviluppando uno strumento di calcolo generalizzato, basato sull'approccio a parametri concentrati. Questo strumento si basa su tre pilastri principali: la rappresentazione del dominio fisico attraverso la teoria dei grafi, un sistema avanzato di gestione delle unità di misura e una formulazione generalizzata per i termini di sorgente e di pozzo. Questi elementi di base sono sfruttati per implementare un solutore per il flusso monodimensionale all'interno di reti di tubi e un solutore per reti di resistenze termiche. Quest'ultimo viene utilizzato per sviluppare modelli termici per un motore sincrono con azionamento integrato, costituito da un convertitore di potenza multi livello, dove le resistenze termiche sono derivate da dati geometrici, correlazioni empiriche e da un modello di fluidodinamica computazionale sviluppato per la camicia di raffreddamento. Gli effetti delle proprietà termiche dei materiali che compongono il sistema sulle prestazioni termiche sono valutati mediante un'analisi completa della sensibilità ai parametri. Gli scambiatori di calore, parte essenziale di qualsiasi sistema di raffreddamento, vengono analizzati sviluppando un approccio originale basato esclusivamente su principi fisici e modelli consolidati. Questa metodologia combina modelli numerici dettagliati per le superfici alettate e i collettori, con modelli globali per valutare con precisione le perdite di carico complessive e la potenza termica scambiata negli scambiatori di calore a piastre alettate. L'approccio è stato validato confrontando risultati numerici e sperimentali per diverse configurazioni, ottenendo deviazioni massime del ±20%. L'analisi termica degli scambiatori di calore è ulteriormente ampliata da un'analisi parametrica sulle alette a geometria sfalsata, eseguita con l'obiettivo di ricavare superfici di risposta generalizzate e continue per le perdite di carico e lo scambio termico, adatte alla progettazione e all'ottimizzazione degli scambiatori di calore a piastre. Queste superfici di risposta coprono un ampio intervallo di numeri di Reynolds e Prandtl (50 ≤ Re ≤ 12000, 0.71 ≤ Pr ≤ 190). Inoltre, viene proposto un nuovo modello per l'esponente di scala del numero di Prandtl. L'applicazione delle superfici di risposta all'analisi di scambiatori di calore ha prodotto deviazioni medie e massime di ±7.8% e ±20%, rispettivamente. Le metodologie sviluppate in questo lavoro rappresentano approcci pratici ed efficaci adatti all'analisi termica di parti e componenti complessi di veicoli sostenibili. Gli approcci a basso ordine sono stati combinati con analisi numeriche tridimensionali per ridurre lo sforzo computazionale richiesto, per migliorare la praticità e la flessibilità delle metodologie sviluppate, che potrebbero rivelarsi vantaggiose in contesti industriali. Inoltre, l'elevato grado di generalità degli approcci presentati li rende adatti all'analisi di componenti di propulsione e raffreddamento con qualsiasi architettura.