Chłodzenie silnika elektrycznego: Woda czy olej?

Nie ma jednego zdania odpowiedzi na pytanie, czy w silniku pojazdu elektrycznego lepsze jest chłodzenie wodą/glikolem, czy chłodzenie olejem: woda jest skuteczniejszym chłodziwem, ale ze względu na przewodnictwo elektryczne nie może dotykać silnika; olej zaś, choć fizycznie słabszym płynem, w praktyce daje chłodniejsze silniki, ponieważ potrafi wniknąć tam, gdzie powstaje ciepło. Dlatego nowoczesne jednostki napędowe coraz bardziej przesuwają się w stronę oleju, nie rezygnując jednak całkowicie z obwodu woda/glikol. W tym artykule porównujemy zasady działania obu strategii, różnice liczbowe i decyzje projektowe.

Dlaczego woda/glikol to lepsze chłodziwo, ale gorszy sąsiad?

Jeśli chodzi o pojemność cieplną, woda praktycznie nie ma konkurencji. Jej ciepło właściwe i przewodność cieplna są wyraźnie wyższe niż oleju; oznacza to, że ta sama objętość przepływającej wody odbiera i odprowadza więcej ciepła, szybciej niż olej. Dodanie glikolu etylenowego do mieszanki reguluje punkt zamarzania i zachowanie korozyjne, nie zmieniając podstawowych właściwości cieplnych płynu.

Problem leży w fundamentalnej niezgodzie wody ze światem elektroniki: mieszanina glikolu przewodzi prąd. W każdym miejscu, gdzie uzwojenia, złącza lub elektronika mocy stykają się z powierzchnią, pojawia się ryzyko zwarcia i korozji elektrolitycznej. Dlatego woda/glikol może być stosowana w jednostce napędowej tylko w strefach oddzielonych metalową ścianą od komponentów elektrycznych. W praktyce tą granicą jest płaszcz wodny otaczający zewnętrzną część stojana.

Jak działa płaszcz wodny i gdzie zaczyna się jego granica?

Płaszcz wodny jest koncepcyjnie podobny do kanałów wodnych klasycznego silnika spalinowego: mieszanina glikolu i wody krąży w zamkniętej przestrzeni korpusu otaczającej zewnętrzną powierzchnię pakietu stojana i przenosi ciepło do chłodnicy na zewnątrz. Ciepło wytwarzane przez uzwojenia miedziane jest najpierw przewodzone wzdłuż blach stojana do zewnętrznej powierzchni, a następnie przekazywane do płynu. Układ jest solidny, bezpieczny elektrycznie i tani.

Jego słabym punktem jest geometria. Płyn w ogóle nie ma kontaktu z wirnikiem; wirnik i zamocowane na nim magnesy trwałe są zasadniczo chłodzone przez szczelinę powietrzną i wał, czyli drogą przewodzenia, a więc nieefektywnie. W symulacjach termicznych wirnik i magnesy pojawiają się jako najkrytyczniejszy punkt temperaturowy układów woda/glikol. Przy wysokim obciążeniu temperatura silnika może przekroczyć 200 °C; co prowadzi do częściowego rozmagnesowania magnesów trwałych, przyspieszonego starzenia izolacji i spadku mocy ciągłej.

Inżynierowie czasem kreatywnie rozciągają tę granicę. Audi dodało obok płaszcza wodnego kanał wodny przechodzący przez środek wirnika, stosując rozwiązanie celujące bezpośrednio w wirnik; jednak takie projekty to wyjątek, a regułą jest to, że woda nie może docierać do stref elektrycznych.

Chłodzenie rozpylaniem oleju: Chłodzenie tam, gdzie powstaje ciepło

Fizyczną zaletę oleju można sprowadzić do jednego słowa: dielektryczność. Olej o właściwościach izolujących może mieć bezpośredni kontakt z uzwojeniami, wirnikiem i magnesami; co więcej, pełni także funkcję smarującą. Ciepło przenosi się do płynu nie na końcu łańcucha przewodzenia, lecz w miejscu, w którym powstaje. Ta jedna różnica skraca cały łańcuch oporu termicznego.

Różnica liczbowa jest uderzająca. W porównaniu symulacyjnym TotalEnergies i EnginSoft konfiguracja z bezpośrednim chłodzeniem olejowym zapewnia przewagę 10 °C w średniej temperaturze i co najmniej 14 °C w temperaturze uzwojeń - i to w warunkach porównania przy niskim przepływie oleju. W scenariuszu wyprzedzania przy wysokich obrotach, około 10 000 rpm, różnica sięga 40 °C. Niezależne badanie akademickie wskazuje ten sam kierunek: przy jeździe autostradowej temperatura silnika z chłodzeniem bezpośrednim pozostaje o około 30 °C niższa niż w przypadku płaszcza wodnego, a to bezpośrednio przekłada się na maksymalny moment obrotowy i moc.

Jak doprowadzić olej do wnętrza silnika?

Istnieje kilka dojrzałych metod chłodzenia czołowych części uzwojeń:

• Chłodzenie kropelkowe przez kolektor: Płyn chłodzący jest precyzyjnie i homogenicznie dozowany kroplami na czoła uzwojeń; wymaga mniej oleju niż kąpiel wirnika.
• Rozpylanie pod ciśnieniem: Olej sprężany pompą jest rozpylany bezpośrednio na czoła uzwojeń, zapewniając chłodzenie przez uderzenie pod kątem prostym.
• Rozpylanie na wirnik przez pusty w środku wał: Olej wchodzi od jednej strony wału i dzięki obracającej się konstrukcji się rozprowadza; to powszechne rozwiązanie w silnikach PMSM z uzwojeniami hairpin.
• Chłodzenie wirnika z kanałami osiowymi: Osnowe osiowe wewnątrz wirnika przenoszą olej w pobliże gorących punktów na czołach uzwojeń.

Siła odśrodkowa pochodząca od wirnika ułatwia zadanie: obracające się części działają jak pomocnicza pompa, rozprowadzając olej po uzwojeniach i rdzeniu. W architekturze hybrydowej wkład rozpylania oleju do całkowitej zdolności chłodzenia wynosi około 80% - reszta to najczęściej sprawa strony wodnej.

Jak typ silnika zmienia obciążenie termiczne: PMSM - przykład

Strategia chłodzenia zaczyna się od innej definicji problemu, zależnie od przypadku. W synchronicznym silniku z magnesami trwałymi (PMSM) pole magnetyczne wirnika jest zapewniane nie indukcją, lecz magnesami na wirniku; straty w wirniku są bardzo niskie, co ułatwia zarządzanie termiczne. Zaletą jest wrażliwość magnesów na temperaturę: wirnik jest najbardziej wrażliwą strefą termiczną systemu, a ryzyko demagnetyzacji wyznacza limity temperatury projektu.

W silniku asynchronicznym, ponieważ prąd jest indukowany w wirniku, straty w wirniku są konstrukcyjnie wyższe, a sprawność niższa niż w PMSM. W zamian silnik nie ma ryzyka demagnetyzacji magnesów; granice termiczne można zarządzać w luźniejszy sposób. Oto logika inżynierska stojąca za tym, że niektórzy producenci wybierają wydajny PMSM na osi przedniej, a na tylnej osi silnik asynchroniczny bardziej odporny na ciepło: każdy silnik jest chłodzony zgodnie z własną charakterystyką termiczną.

Ta różnica termiczna jest także decydująca przy doborze płynu. W każdym silniku, którego wirnik i magnesy narażone są na ryzyko przegrzania, rośnie wartość oleju, który może dotrzeć do miejsc niedostępnych dla płaszcza wodnego. Osiągnięcie przez silniki chłodzone olejem 50% udziału w rynku samochodów elektrycznych w pierwszej połowie 2022 roku to konkretny skutek tego trendu; oczekuje się, że udział rynkowy będzie nadal rósł, ale przewiduje się, że silniki wyłącznie z płaszczem wodnym także pozostaną na znaczącej pozycji.

Jak działa płytka chłodząca w falowniku?

Najbardziej wrażliwym na temperaturę elementem układu napędowego nie jest silnik, lecz falownik. Znajdujące się w nim klucze krzemowe IGBT lub SiC MOSFET wytwarzają ciepło przy każdym załączeniu i wyłączeniu ampera, a budżet temperaturowy półprzewodników jest bardzo wąski. Dlatego moduły falowników są niemal zawsze chłodzone płytkami chłodzącymi wypełnionymi wodą/glikolem.

Zasada opiera się na przewodzeniu: półprzewodniki mocy łączy się bezpośrednio z płytką chłodzącą (pasta termiczna jest stosowana w celu zmniejszenia rezystancji styku), ciepło drogą przewodzenia przechodzi do płytki, a ciecz przepływająca w kanałach wewnątrz płytki odbiera to ciepło i pompą przenosi je do odległego wymiennika ciepła. Ponieważ ciecz odprowadza ciepło znacznie szybciej niż powietrze, w kompaktowej elektronice mocy jest niemal jedynym wyborem. Projekt płytki chłodzącej modułów IGBT pozostaje kluczowym tematem w doskonaleniu wydajności falowników.

Dlaczego więc falownik nie jest chłodzony bezpośrednio olejem? Odpowiedź to znów kwestia przewodnictwa i złożoności układu: prowadzone są badania nad zmianą - obiecujące są projekty konsorcjów zmierzające do chłodzenia silnika i falownika jednym strumieniem (takie jak SingleOilCnL z udziałem Dana, Diabatix, Lubrizol, Siemens i Flanders Make) - nie oczekuje się jednak, aby w najbliższej przyszłości stały się strategią dominującą. Dziś typowa architektura jest hybrydowa: dielektryczny olej chłodzi wirnik i stojan, a w wymienniku ciepła przekazuje ciepło do obwodu woda/glikol; glikol natomiast zasila płytkę falownika i chłodnicę.

Dlaczego różnica między mocą szczytową a mocą ciągłą zależy od układu chłodzenia?

Wartość kW w broszurze to moc szczytowa: krótkotrwałe maksymalne wyjście silnika. Moc ciągła to moc, którą silnik może utrzymywać bez ograniczenia czasu bez przegrzania, a jedyną rzeczą wyznaczającą lukę między nimi jest zarządzanie termiczne. Układ chłodzenia pełni rolę bufora termicznego: im lepiej chłodzi, tym dłużej utrzymuje się moc szczytowa i tym wyższym poziomem pozostaje moc ciągła.

Spójrzmy na konkretne dane. Dane dwóch ciężkich silników użytkowych o podobnych wymiarach zewnętrznych wyraźnie pokazują różnicę:

W silniku chłodzonym wodą temperatura uzwojenia przy mocy szczytowej typowo przekracza limit w ciągu minuty; system ograniczy moment (termiczna ograniczenie momentu), a w razie potrzeby pojazd zostanie zmuszony do redukcji mocy. Chłodzenie olejem zwiększa wydajność ciągłą, ponieważ eliminuje zbędne bariery termiczne: Na podjeździe o nachyleniu 4% długości 10 kilometrów silnik chłodzony olejem utrzymuje około 20% wyższą moc ciągłą i 37,5% wyższy moment ciągły. Ta różnica jest na tyle duża, że dla osób jeżdżących nie pociągami między miastami, lecz ciężarówkami lub pojazdami użytkowymi - gdzie długie podjazdy i wysokie średnie prędkości są rzeczywistością - może zmienić decyzję zakupową.

Efektywne chłodzenie ma też pośrednią korzyść: przy tym samym budżecie termicznym można zaprojektować mniejszy i mocniejszy silnik, co oznacza oszczędność masy i kosztów.

Kiedy Co Wybierać?

Tabela podsumowuje mocne i słabe strony obu podejść:

Wybór to w rzeczywistości kwestia nie rywalizacji, lecz optymalizacji. Chłodzenie olejem i wodą należy postrzegać nie jako alternatywy wobec siebie, lecz jako różne odpowiedzi na różne cykle pracy: przy profilach obciążenia niskim i średnim, gdy priorytetem są koszty i prostota, płaszcz wodny najczęściej wystarcza. W zastosowaniach wymagających długich podjazdów, wysokich średnich prędkości i wysokich obrotów przewaga bezpośredniego chłodzenia olejem staje się wyraźna. Co więcej, w napędzie chłodzonym olejem obwód woda/glikol zazwyczaj i tak istnieje - to on przenosi ciepło odebrane olejowi ostatecznie do atmosfery i zasila również płytę falownika.

Ponadto trend integracji wzmacnia pozycję oleju: gdy silnik i skrzynia biegów są łączone w jednym pakiecie, rozwiązanie smarowania i chłodzenia silnika jednym płynem staje się praktyczną koniecznością. W formulacji płynu zarządzanie termiczne, obok wydajności smarowania, jest głównym kryterium projektowym.

Wniosek: Porównanie Miejsc, Nie Płynów

Właściwym sposobem odczytania tego porównania nie jest szukanie zwycięzcy, lecz poprawne rozmieszczenie terminów. Woda jest na papierze lepszym chłodziwem; olej ma w praktyce lepszą pozycję - bo jest jedynym płynem, który może dostać się do miejsca, gdzie powstaje ciepło. Różnica temperatur średnio 10 °C, przekraczająca 14 °C w uzwojeniach i rosnąca do 40 °C przy wysokich obrotach, jest skutkiem przewagi miejsca, nie przewagi fizycznej. W kolejnej generacji jednostek napędowych obwód woda/glikol jeszcze przez jakiś czas pozostanie, ale udział oleju obok źródła ciepła będzie dalej rósł. Wybierając silnik, patrz nie na moc szczytową z broszury, lecz na moc ciągłą oraz architekturę chłodzenia, która ją umożliwia: prawdziwa wydajność kryje się właśnie tam.

Źródła

• Comparison of Commonly Used Cooling Concepts for EV Traction Motors
• The Transition to Oil in EV Thermal Management
• Comparing cooling methods for e-motors
• How to Choose the Right Electric Truck Motor: Oil-Cooled vs. Water-Cooled
• Study on high-speed electric motor cooling with oil spray
• Thermal Management in Electric Vehicles | E-Motor Cooling Technology
• A hybrid oil cooling strategy for thermal management of electric motors
• Optimization of rotational oil-spray-cooling structure
• A review of structural design for direct oil cooling
• Rotor oil injection cooling, hairpin end winding
• Cooling and dynamic performance of electric vehicle motors
• Induction vs. Permanent Magnet Motors | Efficiency & Torque
• Comparative Thermal Performance Analysis of Induction and PMSM
• Cold Plate Cooling Systems: Design, Optimization
• Advanced Cooling for Power Electronics
• Oil Cooling Systems for EV Drive Motors
• Although Electric Cars Don't Need Petroleum, Their Motors Still Require Oil
• EV Motor Heating Issue and Oil Cooling