A two-phase refrigerant based cooling system for traction electric motors

The research work presented in this thesis provides a contribution to the development of a new disruptive electric motor cooling concept for Electric Vehicles (EVs) to boost power-train performance. This innovative cooling approach is based on the use of low-temperature, two-phase refrigerant that is inherently available in vapour-compression Heat Ventilation Air Conditioning (HVAC) systems, which are typically on-board vehicles. The thesis explores the potential of bleeding a refrigerant fraction from the HVAC vapour-compression core cycle and channelling it into the traction motor windings to extract the rejected heat from winding losses and achieve radical cooling. The central aspect of the proposed solution is the refrigerant phase-change unlocking extremely high heat-transfer coefficients, so as to maintain the motor windings at relatively low temperatures. The ambition is to capitalise on the consequent electric resistivity drop with temperature to reduce winding Joule losses and improved the electric motor drive efficiency. In order to evaluate the features and performance of this integrated two-phase motor cooling concept, the thesis proposes and explores different configurations to bring the refrigerant in close contact with the windings and their pros and cons. Furthermore, the thesis presents a simplified modelling technique that integrates the HVAC vapour compression cycle with the motor cooling sub-models. This is done by building an integrated modelling tool in Matlab and evaluating some practical slot-channel configurations for the evaporator structure. The key objective is to assess the reduction in winding losses against the inevitable increase in the HVAC compressor power demand and identify the best design trade-off.

L'attività di ricerca presentata in questa tesi contribuisce allo sviluppo di un nuovo concetto di raffreddamento per i motori dei veicoli elettrici (EV), con l’obiettivo di migliorare le prestazioni del gruppo propulsore. L’approccio proposto si basa sull'utilizzo di un refrigerante bifase a bassa temperatura, già disponibile nei sistemi di climatizzazione a compressione di vapore (HVAC), comunemente presenti a bordo dei veicoli. La tesi esplora la possibilità di estrarre una frazione di refrigerante dal ciclo principale di compressione di vapore del sistema HVAC e di convogliarla negli avvolgimenti del motore, per favorire l’estrazione del calore dissipato dalle perdite negli avvolgimenti e garantire un raffreddamento efficace. L’aspetto chiave di questa soluzione è il cambiamento di fase del refrigerante, che permette di ottenere coefficienti di scambio termico estremamente elevati e di mantenere gli avvolgimenti del motore a temperature significativamente inferiori a quelle tipiche nei motori elettrici con raffreddamento convenzionale. L'obiettivo di questa ricerca è quello di sfruttare la conseguente riduzione della resistività elettrica con la temperatura per diminuire le perdite Joule negli avvolgimenti e migliorare l'efficienza del motore elettrico. Per valutare le caratteristiche e le prestazioni di questo concetto di raffreddamento bifase integrato, la tesi analizza diverse configurazioni progettuali volte a massimizzare il contatto tra il refrigerante e gli avvolgimenti, evidenziandone vantaggi e svantaggi. Inoltre, viene sviluppata una tecnica di modellazione semplificata che integra il ciclo di compressione di vapore dell'HVAC con i sottosistemi di raffreddamento del motore. A tale scopo, è stato sviluppato un modello in Matlab per analizzare configurazioni pratiche dei canali della struttura dell’evaporatore nelle cave degli avvolgimenti. L'obiettivo principale è quantificare la riduzione delle perdite negli avvolgimenti rispetto all'inevitabile aumento del consumo di potenza del compressore dell’HVAC e identificare il miglior compromesso progettuale per massimizzare l’efficienza complessiva del sistema motore-elettrico + HVAC.