Modellierung konjugierter Wärmeübergangsprozesse zur thermischen Absicherung batterieelektrischer Fahrzeuge

In dieser Arbeit wird eine neue Methode zur Berechnung instationärer Bauteiltemperaturen in Elektrofahrzeugen entwickelt. Aus dreidimensionalen Strömungsberechnungen werden Wärmeübergangskoeffizienten und Referenztemperaturen an einer Bauteiloberfläche extrahiert und in konvektive Metamodelle überführt. Zwei Modellierungsmethoden werden verglichen: die flächengemittelte Modellierung mittels Polynom- und Gaussprozess-Regression sowie die lokal aufgelöste Modellierung mittels Hauptkomponentenzerlegung (POD). Eine vorgelagerte Dimensionsanalyse stellt sicher, dass die Metamodelle die kleinstmögliche Dimension aufweisen. Die Metamodelle liefern in Abhängigkeit des Fahrzustands konvektive Randbedingungen für die thermische Bauteilsimulation, wodurch instationäre Fahrzyklen effizient simuliert werden. Die Unabhängigkeit der Konvektionsgrößen von der Bauteiltemperatur ist entscheidend für die Anwendung der Metamodelle während instationärer Lastfälle. Die Arbeit untersucht detailliert, wie sich die Variation thermischer und strömungsmechanischer Größen auf die Validität des Berechnungsansatzes auswirkt und leitet allgemeingültige Kriterien basierend auf Biotzahl, Reynoldszahl und Grashofzahl ab. Angewandt wird die Methode auf den Tragrahmen des Elektromotors eines Mercedes-Benz Elektrofahrzeugs. Mittels Prüfstandsmessungen wird der numerische Ansatz validiert. Die Arbeit zeigt, dass konjugierte Wärmeübergangsprozesse unter Berücksichtigung der abgeleiteten dimensionslosen Kriterien erfolgreich quantifiziert werden können. Die Berechnungseffizienz steigt insbesondere bei der Auswertung mehrerer Lastfälle, da der Hauptaufwand in der einmaligen Generierung der Metamodelle liegt. Sensitivitäten einzelner Einflussfaktoren auf die Bauteiltemperatur können hierdurch effizient identifiziert werden. Aufgrund der Anwendungsgrenzen und Komplexität eignet sich die Methode primär zur Detailbetrachtung thermisch beanspruchter Bauteilgruppen im Gesamtfahrzeugumfeld.