Detail předmětu

Tepelný management pohonných systémů

FEKT-BPC-TMSAk. rok: 2025/2026

Předmět poskytuje základní teoretické znalosti z oblasti chlazení a analýzy tepelných dějů v pohonných systémech elektrických vozidel. V úvodní části předmětu jsou vysvětleny potřebné teoretické základy tepelných a hydraulických výpočtů. Následně jsou studenti seznámeni s tvorbou tepelných modelů elektromotorů pomocí metody tepelných sítí. Představeny jsou také moderní numerické metody tepelných analýz, jako je metoda konečných prvků a metoda konečných objemů (CFD). V předmětu jsou probrány klasické i moderní způsoby chlazení elektromotorů a výkonové elektroniky elektrických vozidel. Studenti jsou také seznámeni s metodami měření tepelných a hydraulických veličin. Tato měření si studenti sami vyzkouší v rámci laboratorních měření na reálných motorech.

 

Jazyk výuky

čeština

Počet kreditů

5

Garant předmětu

Ing. Marek Toman, Ph.D.

Zajišťuje ústav

Ústav výkonové elektrotechniky a elektroniky (UVEE)

Vstupní znalosti

Student musí mít znalosti matematiky, fyziky a elektrotechniky na úrovni 1. ročníku bakalářského studia. Dále jsou vyžadovány základní znalosti programování v Matlabu nebo Pythonu. Práce v laboratoři je podmíněna platnou kvalifikací „osoby poučené“, kterou musí studenti získat před zahájením výuky. Informace k této kvalifikaci jsou uvedeny ve Směrnici děkana Seznámení studentů s bezpečnostními předpisy.

Pravidla hodnocení a ukončení předmětu

Počítačová cvičení - 20 bodů
Laboratorní cvičení - 10 bodů
Závěrečná zkouška - 70 bodů  

Učební cíle

  • Vyjmenovat mechanismy přenosu tepla a napsat základní rovnice související s jejich výpočtem. Zhodnotit ve kterých případech je možné u reálných aplikací zanedbat některý z mechanismů přenosu tepla. 
  • Vysvětlit princip tepelně-elektrických analogií a umět je aplikovat.
  • Vyřešit rovnici vedení tepla pro základní 1D případy. Odvodit vztahy pro výpočet tepelných odporů u základních geometrických těles u 1D vedení tepla. 
  • Vysvětlit metody výpočtů vícerozměrného vedení tepla. Zhodnotit, v jakých případech je možné zanedbat vícerozměrné vedení tepla. 
  • Vypočítat tepelné kapacity potřebné pro řešení tranzientních analýz. 
  • Vysvětlit rozdíl mezi nucenou a přirozenou konvekcí. Spočítat součinitele přestupu tepla pro základní případy proudění. 
  • Popsat základní rovnice spojené s hydraulickými výpočty. Vysvětlit hydraulicko-elektrické analogie. 
  • Vysvětlit princip funkce tepelných trubic. Popsat jejich výhody a vlastnosti. Uvést a aplikovat základní rovnice spojené s jejich výpočtem. 
  • Analyzovat výměníky tepla.
  • Vyjmenovat a popsat numerické metody používané v analýze přenosu tepla. 
  • Popsat základní a moderní způsoby chlazení elektromotorů.
  • Sestavit tepelnou síť elektromotoru. Spočítat tepelné odpory jednotlivých částí elektromotoru. Odvodit rovnice pro výpočet uzlových teplot tepelné sítě.
  • Vyjmenovat používané způsoby chlazení výkonové elektroniky. Navrhnout chlazení výkonové elektroniky.
  • Popsat základní souvislosti spojené s tepelným managementem elektromobilu.
  • Popsat základy měření tepelných a hydraulických veličin. 

Základní literatura

CENGEL Yunus, Afshin J. GHAJAR: Heat and mass transfer: Fundamentals and Applications, 6th edition. McGraw Hill, 2020. (EN)
CENGEL Yunus, John. M. CIMBALA: Fluid Mechanics: Fundamentals and Applications, 4th edition. McGraw Hill, 2028. (EN)
Patočka M.: Vybrané stati z výkonové elektroniky: Svazek I, Tepelné jevy a činný výkon. Brno, 2005. (CS)
PYRHONEN, Juha, Tapani JOKINEN, Valéria, HRABOVCOVÁ: Design of rotating electrical machines, 2nd edition. Wiley, 2013. (EN)

Zařazení předmětu ve studijních plánech

  • Program BPC-EMU bakalářský 3 ročník, letní semestr, povinně volitelný

Typ (způsob) výuky

 

Přednáška

26 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor

Ing. Marek Toman, Ph.D.

Osnova

1. Úvod a motivace – důležitost chlazení a analýzy tepelných dějů v pohonných systémech elektrických vozidel. Zdroje tepelných ztrát. Mechanismy přenosu tepla, tepelné veličiny, tepelně-elektrické analogie. Metoda tepelných sítí.
2. Přenos tepla vedením – rovnice vedení tepla a její řešení pro základní 1D případy: rovinná stěna, válcové těleso atp. Stacionární vedení tepla.  Okrajové podmínky. Vedení tepla žebrem.
3. Přenos tepla vedením – zohlednění vnitřních tepelných zdrojů (generování ztrát). Nestacionární vedení tepla. Vícerozměrné vedení tepla.
4. Přenos tepla konvekcí. Přirozená konvekce, nucená konvekce, výpočet součinitele přestupu tepla. Nucená konvekce při vnitřním a vnějším proudění. Přenos tepla radiací.
5. Základy hydraulických výpočtů, hydraulické veličiny, hydraulicko-elektrické analogie.
6. Nucené vzduchové a kapalinové chlazení. Výpočty hydraulických okruhů. Ventilátory a čerpadla.
7. Chladiče, tepelné trubice a výměníky tepla.
8. Numerické metody – metoda konečných prvků, metoda konečných objemů (CFD).
9. Základní způsoby chlazení elektrických strojů. Tepelná analýza elektrických strojů pomocí metody tepelných sítí. Výpočet tepelných odporů vybraných částí elektrických strojů. Tepelné sítě vybraných typů elektrických strojů – především asynchronní motor a synchronní motor s permanentními magnety.
10. Moderní způsoby chlazení elektrických strojů. Stroje s vysokou hustotou výkonu.
11. Chlazení výkonové elektroniky.
12. Tepelný management elektromobilu.
13. Měření tepelných a hydraulických veličin. 

Cvičení s počítačovou podporou

12 hod., povinná

Vyučující / Lektor

Ing. Marek Toman, Ph.D.

Osnova

1. Aplikace základních vztahů přenosu tepla.
2. Výpočet tepelných odporů základních geometrických těles. Vedení tepla žebry.
3. Výpočet tepelných odporů vedením se zohledněním generování ztrát. Stacionární a nestacionární stav. Metoda tepelných sítí.
4. Výpočet součinitelů přestupu tepla. Volná konvekce. Nucená konvekce při vnitřním a vnějším proudění.
5. Aplikace základních vztahů hydromechaniky. Výpočet hydraulických odporů.
6. Analýza hydraulického okruhu nuceného vzduchového a vodního chlazení. Výpočet požadované velikosti ventilátoru a čerpadla.
7. Analýza výměníku tepla.
8. Řešení příkladů s využitím simulačního nástroje založeného na metodě konečných prvků
9. Výpočet vybraných tepelných odporů elektrických strojů. Tvorba tepelné sítě elektrického stroje.
10. Tepelná síť se zahrnutím nuceného vzduchového nebo kapalinového chlazení.

Laboratorní cvičení

14 hod., povinná

Vyučující / Lektor

Ing. Marek Toman, Ph.D.

Osnova

L1 - Měření tepelných a hydraulických veličin pohonných systémů.
L2 - Identifikace parametrů tepelného modelu elektrického stroje.
L3 - Měření na elektrickém stroji s kapalinovým chlazením.