Componenten beter koelen zodat elektrische wagens goedkoper worden

(03-02-2022) Ilya T'Jollyn onderzocht in zijn doctoraat hoe tweefasige koeling van componenten verder geoptimaliseerd kan worden.

Om de klimaatverandering tegen te gaan, moet de uitstoot van broeikasgassen sterk verminderd worden in alle sectoren. In de transportsector worden verschillende mogelijkheden bekeken om de uitstoot van CO2 te verminderen, zoals verbrandingsmotoren die werken op waterstof of biobrandstoffen. Voor voertuigen is de meest toegepaste strategie de omschakeling naar elektrische aandrijving met batterijen die kunnen worden opgeladen met hernieuwbare elektrische energie.

Elektrische wagens hebben momenteel verschillende nadelen in vergelijking met voertuigen met verbrandingsmotor, zoals een lagere actieradius en een hogere kostprijs. Deze nadelen kunnen worden tegengegaan door de elektrische aandrijflijn (motor, vermogenselektronica en batterij) compacter en goedkoper te maken zonder verlies aan vermogen. Een van de bottlenecks hierbij is de koeling, die ervoor moet zorgen dat de componenten niet oververhitten. Er zijn dus betere koelsystemen vereist.

“In mijn doctoraat onderzocht ik de tweefasige koeling. Bij deze vorm van koeling wordt een vloeibaar (fase 1) koelmiddel in contact gebracht met componenten die warmte afgeven. Hierdoor begint het koelmiddel te koken en wordt dit omgezet in een gas (fase 2). Door het kookproces in het koelmiddel wordt een betere koeling verkregen in vergelijking met éénfasige vloeistofkoeling (onderdompeling in een vloeistof met een hoog kookpunt, de vloeistof zal bij deze vorm van koelen niet koken en dus ook niet verdampen).”, vertelt Ilya.

“Tweefasige koeling brengt echter ook een risico met zich mee. Als de warmteoverdracht van een component naar de koelvloeistof boven een maximale waarde stijgt (de kritische warmteflux) dan zal een laag van gasvormige koelvloeistof het gehele oppervlak van de component bedekken.  Deze laag gedraagt zich als thermische isolatie waardoor de warmteoverdracht drastisch daalt met als resultaat oververhitting en falen van de component.”, vervolgt Ilya.

Hoewel onderzoek naar warmteoverdracht tijdens koken al lang bestudeerd wordt, is er nog geen consensus over welke warmteoverdrachtmechanismen dominant zijn. Dit gebrek aan fundamentele kennis maakt het moeilijk om warmteoverdracht te voorspellen en tweefasige koelsystemen te ontwerpen.

“In mijn onderzoek heb ik gekozen om de koelvloeistof FK-649, een fluorketon, te bestuderen. De resultaten bewijzen dat tweefasige koeling met FK-649 haalbaar is, maar dat het nog geen verbetering is ten opzichte van de huidige state-of-the-art koelmethoden. Een modelstudie toont aan dat alternatieve koelmiddelen die werken onder hogere druk nog meer potentieel hebben voor koeling dan FK-649.”

“Mijn onderzoek draagt bij aan het effectiever tweefasig koelen van componenten, waardoor ook de verkoopprijs van elektrische wagens kan dalen.”, besluit Ilya.

Lees een uitgebreidere samenvatting of het volledige doctoraat

-

Titel doctoraat: Analyse van warmteoverdracht en kritische warmteflux bij bellenkoken zonder externe stroming voor de koeling van vermogenselektronica met een koelmiddel met laag GWP

-

Contact: Ilya T'Jollyn, Michel De Paepe

Ilya T'Jollyn

Ilya T’Jollyn (°1992) verkreeg zijn masterdiploma Electromechanical Engineering aan de universiteit van Gent in 2014. Hij vervoegde de onderzoeksgroep Sustainable Thermo-Fluid Energy Systems als projectingenieur en werkte vervolgens op verscheidene onderzoeksprojecten. In 2016 bracht hij vier maanden door aan de universiteit van Girona voor een onderzoeksverblijf. Vanaf 2017 begon hij in een nieuwe positie als onderwijsassistent en doctoraatsstudent in dezelfde onderzoeksgroep.

Zijn onderzoek gaat over warmteoverdracht in elektrische machines en systemen, met de focus op tweefasige koeling van vermogenselektronica en innovatieve koelmethoden voor elektrische motoren. Tijdens zijn onderzoeksactiviteiten was hij auteur van zes publicaties in internationale tijdschriften (een als eerste auteur en vijf als coauteur) en 22 conferentieartikels. Hij is verder mede-uitvinder van een patent rond warmteoverdracht in ondergrondse zeekabels.

-

Redacteur: Jeroen Ongenae - Eindredactie: Ilse Vercruysse -  Illustrator: Roger Van Hecke