Elektromotorkühlung: Wasser oder Öl?

Auf die Frage, ob Wasser-/Glykolkühlung oder Ölkühlung im Elektrofahrzeugmotor besser ist, gibt es keine Ein-Satz-Antwort: Wasser ist ein effizienteres Kühlmittel, kann aber aufgrund seiner elektrischen Leitfähigkeit den Motor nicht berühren; Öl ist zwar physikalisch ein schwächeres Fluid, kann aber in den Entstehungsbereich der Wärme eindringen und erzeugt in der Praxis kühlere Motoren. Deshalb wandern moderne Antriebseinheiten zunehmend zur Ölseite, ohne den Wasser-/Glykolkreislauf vollständig aufzugeben. In diesem Beitrag vergleichen wir die Funktionsprinzipien beider Strategien, ihre numerischen Unterschiede und die Konstruktionsentscheidungen.

Warum ist Wasser/Glykol ein besseres Kühlmittel, aber ein schlechterer Nachbar?

In Bezug auf die Wärmetransportkapazität hat Wasser kaum einen Konkurrenten. Seine spezifische Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit sind deutlich höher als die von Öl; dasselbe Volumen Wasser nimmt also mehr Wärme schneller auf und führt sie ab. Die Zugabe von Ethylenglykol zur Mischung regelt den Gefrierpunkt und das Korrosionsverhalten, verändert aber die grundlegenden thermischen Eigenschaften des Fluids nicht.

Das Problem liegt in der grundlegenden Unverträglichkeit zwischen Wasser und der Elektronikwelt: Die Glykolmischung ist elektrisch leitfähig. An jeder Stelle, an der Wicklungen, Steckverbinder oder Leistungselektronik die Oberfläche berühren, besteht die Gefahr von Kurzschlüssen und elektrolytischer Korrosion. Deshalb kann Wasser/Glykol in der Antriebseinheit nur in Bereichen eingesetzt werden, die durch eine Metallwand von den elektrischen Komponenten getrennt sind. In der Praxis ist diese Grenze der Wassermantel, der den Stator außen umschließt.

Wie funktioniert der Wassermantel und wo beginnt seine Grenze?

Der Wassermantel ist konzeptionell den Wasserkanälen des klassischen Verbrennungsmotors ähnlich: Die Glykol-Wasser-Mischung zirkuliert in einem geschlossenen Hohlraum, der die Außenfläche des Statorepakets umschließt, und transportiert die Wärme zum äußeren Kühler. Die von den Kupferwicklungen erzeugte Wärme wird zunächst entlang der Statorbleche zur Außenfläche geleitet und dann an das Fluid übertragen. Das System ist robust, elektrisch sicher und kostengünstig.

Seine Schwachstelle liegt in der Geometrie. Da der Rotor durch den Luftspalt vom Stator getrennt ist, hat er keinen Kontakt mit dem Fluid; der Rotor und die darauf befindlichen Permanentmagnete werden im Wesentlichen über den Luftspalt und die Welle gekühlt, also durch Leitung und ineffizient. In thermischen Simulationen erweisen sich Rotor und Magnete als der kritischste Temperattpunkt von Wasser-/Glykolsystemen. Die Motortemperatur kann bei hoher Last 200 °C überschreiten, was zu einer teilweisen Entmagnetisierung der Permanentmagnete, einer beschleunigten Alterung der Isolation und einem Rückgang der Dauerleistung führt.

Ingenieure dehnen diese Grenze manchmal auf kreative Weise aus. Audi hat zu dem Wassermantel einen Wasserkanal ergänzt, der den Rotor von seinem Zentrum aus durchquert und damit eine Lösung umgesetzt, die den Rotor direkt anvisiert; allerdings sind derartige Konstruktionen die Ausnahme, und die Regel lautet: Das Wasser darf nicht in die elektrischen Zonen gelangen.

Ölspraykühlung: Kühlung dort, wo die Wärme entsteht

Der physikalische Vorteil des Öls lässt sich in einem einzigen Wort zusammenfassen: dielektrisch. Das isolierende Öl kann direkten Kontakt mit den Wicklungen, dem Rotor und den Magneten haben; zudem übernimmt es auch die Schmieraufgabe. Die Wärme geht nicht erst am Ende der Leitungsketten, sondern dort, wo sie entsteht, auf das Fluid über. Dieser eine Unterschied verkürzt die gesamte Wärmewider signalkette.

Der zahlenmäßige Unterschied ist eindrucksvoll. In einer Simulationsvergleichsstudie von TotalEnergies und EnginSoft erreichte die direkt ölgekühlte Konfiguration bei der Durchschnittstemperatur 10 °C und bei der Wicklungstemperatur mindestens 14 °C Vorteil - und das unter Vergleichsbedingungen, bei denen der Öldurchfluss niedrig gehalten wurde. In einem Überholszenario bei hohen Drehzahlen, im Bereich von 10.000 rpm, steigt der Unterschied auf 40 °C an. Eine unabhängige akademische Studie zeigt in dieselbe Richtung: Bei Autobahnfahrt bleibt die Temperatur des direkt gekühlten Motors etwa 30 °C niedriger als die des wassergekühlten, und das wirkt sich direkt auf maximales Drehmoment und Leistung aus.

Wie wird das Öl in den Motor geleitet?

Für die Kühlung der Wickelköpfe gibt es mehrere ausgereifte Methoden:

• Manifold-Tröpfchenkühlung: Das Kühlmittel wird den Wickelköpfen präzise und homogen in Tropfenform zugeführt; es benötigt weniger Öl als ein Rotorbad.
• Druckbesprühung: Das von der Pumpe unter Druck gesetzte Öl wird direkt auf die Wickelköpfe gespritzt und sorgt für senkrechte Stoßkühlung.
• Rotorbesprühung durch eine Hohlwelle: Das Öl tritt an einem Ende der Welle ein und verteilt sich dank der rotierenden Struktur; eine verbreitete Lösung bei PMSM mit Hairpin-Wicklung.
• Rotorkühlung mit axialen Kanälen: Die axialen Kanäle im Rotor transportieren das Öl in die Nähe der Hotspots an den Wickelköpfen.

Die vom Rotor ausgehende Zentrifugalkraft erleichtert die Arbeit: Die rotierenden Teile verhalten sich wie eine Hilfspumpe, die das Öl auf die Wicklungen und den Kern verteilt. In einer Hybridarchitektur trägt die Ölsprühkühlung rund 80 % zur Gesamtkühlkapazität bei - der Rest ist überwiegend Sache der Wasserseite.

Wie der Motortyp die thermische Belastung verändert: PMSM und Asynchronmaschine

Die Kühlungsstrategie beginnt je nach Motortyp mit einer unterschiedlichen Problemstellung. Beim permanentmagnetischen Synchronmotor (PMSM) wird das Rotormagnetfeld nicht durch Induktion, sondern durch im Rotor eingelassene Magnete erzeugt; die Rotorverluste sind sehr gering, was das thermische Management erleichtert. Der Preis dafür ist die Temperaturempfindlichkeit der Magnete: Der Rotor ist die thermisch am stärksten gefährdete Zone des Systems, und das Entmagnetisierungsrisiko bestimmt die thermischen Grenzen der Konstruktion.

Beim Asynchronmotor wird der Strom jedoch im Rotor induziert, weshalb die Rotorverluste strukturell höher sind und der Wirkungsgrad unter dem des PSM bleibt. Dafür birgt der Motor kein Risiko einer Magnetentmagnetisierung; die thermischen Grenzen lassen sich großzügiger handhaben. Genau das ist der ingenieurtechnische Grund, warum manche Hersteller vorne einen effizienten PSM und hinten einen wärmetoleranteren Asynchronmotor bevorzugen: Jeder Motor wird entsprechend seinem thermischen Verhalten gekühlt.

Dieser thermische Unterschied ist auch bei der Wahl des Fluids entscheidend. Bei jedem Motor, dessen Rotor und Magnete ein Wärmerisiko darstellen, steigt der Wert des Öls, das in Bereiche vordringen kann, die der Wassermantel nicht erreicht. Dass ölkühlte Motoren in der ersten Jahreshälfte 2022 einen Anteil von 50 % am Elektroautomarkt erreichten, ist das konkrete Ergebnis dieses Trends; es wird erwartet, dass der Marktanteil weiter steigt, allerdings wird prognostiziert, dass reine wassermantelgekühlte Motoren ebenfalls einen wichtigen Platz behalten werden.

Wie funktioniert die Kühlplatte im Inverter?

Die wärmeempfindlichste Komponente des Antriebsstrangs ist nicht der Motor, sondern der Inverter. Die darin verbauten Silizium-IGBT- oder SiC-MOSFET-Schalter erzeugen bei jedem Ein- und Ausschalten Wärme, und der Temperaturhaushalt der Halbleiter ist sehr knapp bemessen. Deshalb werden Invertermodule fast immer mit wasser-/glykolfülligen Kühlplatten gekühlt.

Das Prinzip basiert auf Leitung: Die Leistungshalbleiter sind direkt mit der Kühlplatte verbunden (Wärmeleitpaste wird verwendet, um den Kontaktwiderstand zu verringern), die Wärme wird durch Leitung auf die Platte übertragen, und die in den Kanälen der Platte fließende Flüssigkeit nimmt diese Wärme auf und transportiert sie per Pumpe zum entfernten Wärmetauscher. Da die Flüssigkeit die Wärme viel schneller transportiert als Luft, ist sie in der kompakten Leistungselektronik nahezu die einzige Option. Das Kühlplattendesign der IGBT-Module bleibt ein Schlüsselthema bei der Verbesserung der Inverterleistung.

Warum wird der Inverter aber nicht direkt mit Öl gekühlt? Die Antwort liegt wieder in der Frage der Leitfähigkeit und der Komplexität des Schaltkreises: Es wird geforscht - Konsortiumsprojekte, die darauf abzielen, Motor und Inverter mit einem einzigen Fluid zu kühlen (wie SingleOilCnL mit Beteiligung von Dana, Diabatix, Lubrizol, Siemens und Flanders Make), werden als vielversprechend angesehen -, es wird jedoch nicht erwartet, dass dies in naher Zukunft zur vorherrschenden Strategie wird. Die heute typische Architektur ist hybrid: Das dielektrische Öl kühlt Rotor und Stator und gibt die Wärme im Wärmetauscher an den Wasser-/Glykol-Kreislauf ab; das Glykol versorgt wiederum die Inverterplatte und den Kühler.

Warum hängt der Unterschied zwischen Spitzenleistung und Dauerleistung vom Kühlsystem ab?

Der kW-Wert im Prospekt ist die Spitzenleistung: die kurzzeitige maximale Ausgabe des Motors. Die Dauerleistung hingegen ist die Leistung, die der Motor unbegrenzt lange ohne Überhitzung aufrechterhalten kann, und das Einzige, was die Lücke zwischen beiden bestimmt, ist das Wärmemanagement. Das Kühlsystem fungiert als thermischer Puffer: Je besser es kühlt, desto länger bleibt die Spitzenleistung erhalten und desto höher bleibt die Dauerleistung.

Veranschaulichen wir das an einem Beispiel. Die Daten zweier schwerer Nutzfahrzeugmotoren mit ähnlichen Außenmaßen zeigen den Unterschied deutlich:

Beim wassergekühlten Motor kann die Wicklungstemperatur an Steigungen den Grenzwert typischerweise innerhalb einer Minute überschreiten; das System drosselt das Drehmoment (thermische Drehmomentbegrenzung) und das Fahrzeug wird gegebenenfalls zu einer Leistungsreduzierung gezwungen. Die Ölkuhlung erhöht die Dauerleistung, da sie unnötige thermische Widerstände beseitigt: An einer 10 Kilometer langen Rampe mit 4 % Steigung hält der ölkühlte Motor etwa 20 % höhere Dauerleistung und 37,5 % höheres Dauerdrehmoment aufrecht. Dieser Unterschied ist eine Größenordnung, die die Kaufentscheidung für diejenigen verändern kann, die keine Fernzüge, sondern Lkw oder schwere Nutzfahrzeuge fahren - in Situationen, in denen lange Rampen und hohe Durchschnittsgeschwindigkeiten Realität sind.

Effiziente Kühlung hat auch einen indirekten Vorteil: Mit demselben thermischen Budget kann ein kleinerer und leistungsstärkerer Motor ausgelegt werden, was Gewicht und Kosten spart.

Welche Lösung sollte in welcher Situation bevorzugt werden?

Die Tabelle fasst die Stärken und Schwächen beider Ansätze zusammen:

Die Wahl ist eigentlich keine Frage der Konkurrenz, sondern der Optimierung. Öl- und Wasserkühlung sollten nicht als Alternativen zueinander, sondern als unterschiedliche Antworten auf unterschiedliche Lastzyklen betrachtet werden: Bei niedrigen und mittleren Lastprofilen, wo Kosten und Einfachheit im Vordergrund stehen, ist der Wassermantel meist ausreichend. Bei langen Steigungen, hohen Durchschnittsgeschwindigkeiten und Anwendungen, die hohe Drehzahlen erfordern, wird der Vorteil der direkten Ölkühlung deutlich. Zudem gibt es bei einem ölgekühlten Antriebseinheit meist dennoch einen Wasser/Glykol-Kreislauf - dies ist der Kreislauf, der die vom Öl aufgenommene Wärme schließlich an die Atmosphäre abführt und auch die Inverterplatte versorgt.

Der Integrationstrend stärkt zudem die Position des Öls: Je mehr Motor und Getriebe in einem Paket vereint werden, desto mehr wird es zu einer praktischen Notwendigkeit, Schmierung und Motorkühlung mit einem einzigen Fluid zu lösen. In der Fluidformulierung gilt das thermische Management neben der Schmierleistung als Hauptauslegungskriterium.

Fazit: Kein Fluidvergleich, sondern ein Vergleich der Platzierung

Der richtige Weg, diesen Vergleich zu lesen, besteht nicht darin, einen Gewinner zu suchen, sondern die Begriffe richtig einzuordnen. Wasser ist auf dem Papier der bessere Kühler; Öl befindet sich in der Praxis an der besseren Position - denn es ist das einzige Fluid, das dorthin vordringen kann, wo die Wärme entsteht. Der Temperaturunterschied von durchschnittlich 10 °C, der in den Wicklungen 14 °C übersteigt und bei hohen Drehzahlen auf 40 °C steigt, ist das Ergebnis einer Kontaktüberlegenheit, nicht einer physikalischen Überlegenheit. In der nächsten Generation von Antriebseinheiten wird der Wasser/Glykol-Kreislauf noch eine Weile bleiben, doch der Anteil des Öls neben der Wärmequelle wird weiter wachsen. Achten Sie bei der Motorwahl nicht auf die Spitzenleistung im Prospekt, sondern auf die Dauerleistung und die Kühlarchitektur, die diese ermöglicht: Die wahre Leistung liegt dort verborgen.

Quellen

• 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