Pendinginan pada Motor Listrik: Air atau Minyak?

Tidak ada jawaban satu kalimat untuk pertanyaan apakah pendingin air/glikol atau pendingin oli lebih baik untuk motor kendaraan listrik: air adalah pendingin yang lebih efisien, tetapi karena konduktivitas listriknya ia tidak boleh menyentuh motor; sementara oli, meskipun secara fisik merupakan fluida yang lebih lemah, justru menghasilkan motor yang lebih dingin dalam praktik karena dapat meresap ke tempat panas itu lahir. Karena itu unit penggerak modern semakin bergeser ke sisi oli, tetapi tidak sepenuhnya meninggalkan sirkuit air/glikol. Dalam artikel ini kami membandingkan prinsip kerja, perbedaan numerik, dan keputusan desain dari kedua strategi tersebut.

Mengapa Air/Glikol Pendingin yang Lebih Baik tetapi Tetangga yang Lebih Buruk?

Dari segi kapasitas pembawa panas, hampir tidak ada lawan yang bisa menyaingi air. Kapasitas panas spesifik dan konduktivitas termalnya jauh lebih tinggi daripada oli; artinya air yang mengalir dalam volume yang sama membuang panas lebih banyak dan lebih cepat daripada oli. Penambahan etilen glikol ke dalam campuran mengatur titik beku dan perilaku korosi, tanpa mengubah karakter termal dasar fluida tersebut.

Masalahnya terletak pada ketidakcocokan mendasar antara air dan dunia elektronik: campuran glikol menghantarkan listrik. Di setiap titik di mana permukaannya bersentuhan dengan belitan, konektor, atau elektronika dayan, muncul risiko korsleting dan korosi elektrolitik. Karena itu air/glikol hanya dapat digunakan di zona unit penggerak yang dipisahkan dari komponen listrik oleh dinding logam. Dalam praktiknya, batas ini adalah jaket air yang membungkus bagian luar stator.

Bagaimana Jaket Air Bekerja dan Di Mana Batasnya Mulai?

Jaket air secara konseptual mirip dengan saluran air pada mesin pembakaran internal klasik: campuran glikol-air bersirkulasi dalam rongga bodi tertutup yang membungkus permukaan luar paket stator dan membawa panas ke radiator di luar. Dengan demikian, panas yang dihasilkan belitan tembaga terlebih dahulu dikonduksikan ke permukaan luar melalui laminasi stator, lalu berpindah ke fluida. Sistem ini kokoh, aman secara elektrik, dan murah.

Titik lemahnya ada pada geometrinya. Rotor terpisah dari stator oleh celah udara sehingga tidak pernah bersentuhan dengan fluida; rotor beserta magnet permanennya pada dasarnya didinginkan melalui celah udara dan poros, yaitu secara konduksi dan tidak efisien. Dalam simulasi termal, rotor dan magnet muncul sebagai titik suhu paling kritis pada sistem air/glikol. Suhu motor dapat melampaui 200 °C pada beban tinggi; hal ini menyebabkan demagnetisasi parsial pada magnet permanen, penuaan isolasi yang dipercepat, dan penurunan daya kontinu.

Para insinyur meregangkan batas ini dengan cara yang kreatif. Audi telah menerapkan solusi yang menyasar rotor secara langsung dengan menambahkan saluran air yang melewati pusat rotor di samping jaket airnya; namun desain semacam ini merupakan pengecualian, dan aturannya adalah air tidak boleh masuk ke area listrik.

Penyemprotan Oli: Pendinginan di Tempat Panasnya Muncul

Keunggulan fisik oli dapat diringkas dalam satu kata: dielektrik. Oli yang bersifat isolator ini dapat bersentuhan langsung dengan gulungan, rotor, dan magnet; bahkan ia juga menjalankan tugas pelumasan. Panasa berpindah ke fluida bukan di ujung rantai konduksi, melainkan tepat di titik asalnya. Satu perbedaan ini mempersingkat seluruh rantai resistansi termal.

Perbedaan angkanya mencolok. Dalam perbandingan simulasi TotalEnergies dan EnginSoft, konfigurasi pendinginan oli langsung memberikan keunggulan 10 °C pada suhu rata-rata dan minimal 14 °C pada suhu gulungan - bahkan dalam kondisi perbandingan di mana debit oli dijaga tetap rendah. Pada skenario salipan dengan putaran tinggi, sekitar 10.000 rpm, perbedaannya mencapai 40 °C. Sebuah studi akademik independen juga menunjukkan arah yang sama: pada berkendara di jalan raya, suhu motor dengan pendinginan langsung tetap sekitar 30 °C lebih rendah dibandingkan motor dengan jaket air, dan hal ini berdampak langsung pada torsi maksimum serta daya.

Bagaimana oli diantarkan ke dalam motor?

Terdapat beberapa metode yang telah matang untuk pendinginan ujung gulungan:

• Pendinginan tetesan manifold: Cairan pendingin diteteskan secara presisi dan homogen ke ujung gulungan; membutuhkan lebih sedikit oli dibandingkan metode bak rotor.
• Penyemprotan bertekanan: Oli yang dipompa dengan tekanan disemprotkan langsung ke ujung gulungan dan memberikan pendinginan benturan tegak lurus.
• Penyemprotan rotor melalui poros berongga: Oli masuk dari salah satu sisi poros dan tersebar berkat struktur yang berputar; merupakan solusi yang umum pada PMSM dengan gulungan hairpin.
• Pendinginan rotor dengan saluran aksial: Saluran aksial di dalam rotor mengalirkan oli ke dekat titik-titik panas di ujung gulungan.

Gaya sentrifugal dari rotor mempermudah pekerjaan: bagian-bagian yang berputar berperan seperti pompa bantu untuk menyebarkan oli ke gulungan dan inti. Dalam arsitektur hibrida, kontribusi penyemprotan oli terhadap total kapasitas pendinginan berada di kisaran sekitar 80% - sisanya sebagian besar adalah tugas dari sisi air.

Bagaimana Tipe Motor Mengubah Beban Termal: PMSM dan Asinkron

Strategi pendinginan dimulai dengan definisi masalah yang berbeda tergantung pada tipe motornya. Pada motor sinkron magnet permanen (PMSM), medan magnet rotor disediakan bukan melalui induksi, melainkan oleh magnet yang tertanam di rotor; rugi rotor sangat rendah, dan hal ini mempermudah manajemen termal. Sebagai imbangannya adalah sensitivitas suhu magnet: rotor merupakan area termal paling rentan dalam sistem, dan risiko demagnetisasi menentukan batas panas desain.

Pada motor asinkron, karena arus diinduksikan ke rotor, rugi rotor secara struktural lebih tinggi dan efisiensinya berada di bawah PMSM. Sebagai gantinya, motor ini tidak memiliki risiko demagnetisasi magnet; batas termal dapat dikelola dengan lebih longgar. Inilah alasan rekayasa mengapa sebagian produsen memilih PMSM yang efisien untuk poros depan dan motor asinkron yang lebih toleran terhadap panas untuk poros belakang: setiap motor didinginkan sesuai karakter termalnya masing-masing.

Perbedaan termal ini juga menentukan dalam pemilihan fluida. Pada setiap motor yang rotor dan magnetnya berisiko mengalami panas berlebih, nilai minyak yang mampu menjangkau area yang tak terjangkau jaket air menjadi semakin penting. Capainya 50% pangsa pasar mobil listrik oleh motor berpendingin minyak pada paruh pertama 2022 adalah bukti nyata dari tren ini; pangsa pasar diperkirakan akan terus meningkat, namun motor berjaket air saja juga diprediksi akan tetap memegang posisi penting.

Bagaimana Pendingin Plaka Bekerja di Inverter?

Komponen rantai penggerak yang paling sensitif terhadap panas bukanlah motor, melainkan inverter. Sakelar silikon IGBT atau SiC MOSFET di dalamnya menghasilkan panas pada setiap pembukaan dan penutupan ampere, dan anggaran suhu semikonduktor sangat sempit. Karena itu, modul inverter hampir selalu didinginkan dengan pelat pendingin yang berisi air/glikol.

Prinsipnya adalah konduksi dasar: semikonduktor daya terhubung langsung ke pelat pendingin (pasta termal digunakan untuk menurunkan resistansi kontak), panas berpindah ke pelat melalui konduksi, dan cairan yang mengalir di dalam saluran pelat membawa panas tersebut bersama pompa ke penukar panas di tempat jauh. Karena cairan membawa panas jauh lebih cepat daripada udara, ia hampir menjadi satu-satunya pilihan dalam elektronika daya yang kompak. Desain pelat pendingin untuk modul IGBT terus menjadi isu kunci dalam meningkatkan performansi inverter.

Lalu mengapa inverter tidak didinginkan langsung dengan minyak? Jawabannya kembali lagi ke persoalan konduktivitas dan kompleksitas sirkuit: pertukaran sedang diteliti - proyek konsorsium yang bertujuan mendinginkan motor dan inverter dengan satu fluida tunggal (seperti SingleOilCnL yang melibatkan Dana, Diabatix, Lubrizol, Siemens, dan Flanders Make) dinilai menjanjikan - namun diperkirakan tidak akan menjadi strategi dominan dalam waktu dekat. Arsitektur tipikal saat ini bersifat hibrida: minyak dielektrik mendinginkan rotor dan stator, lalu menyerahkan panasnya ke sirkuit air/glikol di penukar panas; sedangkan glikol memasok pelat inverter dan radiator.

Mengapa Perbedaan antara Daya Puncak dan Daya Kontinu Tergantung pada Sistem Pendinginan?

Nilai kW pada brosur adalah daya puncak: keluaran maksimum motor dalam waktu singkat. Daya kontinu adalah daya yang dapat dipertahankan motor tanpa batas waktu tanpa panas berlebih, dan satu-satunya hal yang menentukan kesenjangan di antara keduanya adalah manajemen termal. Sistem pendinginan berfungsi sebagai penyangga termal: semakin baik pendinginannya, semakin lama daya puncak bertahan dan semakin tinggi level daya kontinu.

Mari kita buat konkret. Data dua motor komersial berat dengan dimensi luar yang serupa menunjukkan perbedaannya dengan jelas:

Pada motor berpendingin air, suhu lilitan pada keluaran puncak biasanya dapat melampaui batas dalam satu menit; sistem menorkan tork (pembatasan tork termal) dan kendaraan dipaksa mengurangi tenaga bila diperlukan. Pendinginan oli menghilangkan hambatan termal yang tidak perlu sehingga meningkatkan performa berkelanjutan: Pada tanjakan 10 kilometer dengan kemiringan 4%, motor berpendingin oli mempertahankan sekitar 20% tenaga berkelanjutan lebih tinggi dan 37,5% torsi berkelanjutan lebih tinggi. Perbedaan ini cukup besar untuk mengubah keputusan pembelian bagi pengguna truk atau kendaraan niaga berat, bukan kereta antarkota - dalam situasi di mana tanjakan panjang dan kecepatan rata-rata tinggi adalah kenyataan.

Pendinginan yang efisien juga memiliki manfaat tidak langsung: dengan anggaran termal yang sama, motor yang lebih kecil dan lebih bertenaga dapat dirancang, yang berarti penghematan berat dan biaya.

Kondisi Mana Mana yang Lebih Disukai?

Tabel merangkum kelebihan dan kekurangan kedua pendekatan:

Pilihan ini sebenarnya bukan persaingan, melainkan soal optimasi. Pendinginan oli dan air harus dipandang bukan sebagai alternatif satu sama lain, melainkan sebagai jawaban yang berbeda untuk siklus tugas yang berbeda: pada profil beban rendah dan menengah, di mana biaya dan kesederhanaan menjadi prioritas, jaket air biasanya sudah cukup. Pada aplikasi yang menuntut tanjakan panjang, kecepatan rata-rata tinggi dan putaran mesin tinggi, keunggulan pendinginan oli langsung menjadi jelas. Terlebih lagi, unit penggerak berpendingin oli umumnya tetap memiliki sirkuit su/glikol - inilah sirkuit yang membawa panas yang diserap oli ke atmosfer pada akhirnya dan juga menyuplai pelat inverter.

Selain itu, tren integrasi memperkuat posisi oli: seiring motor dan transmisi digabungkan dalam satu paket, penyelesaian pelumasan dan pendinginan motor dengan satu fluida menjadi kebutuhan praktis. Dalam formulasi fluida, manajemen termal diakui sebagai kriteria desain utama di samping performa pelumasan.

Kesimpulan: Perbandingan Fluida, Bukan Perbandingan Penempatan

Cara yang benar untuk membaca perbandingan ini bukanlah mencari pemenang, melainkan menempatkan istilah pada tempat yang tepat. Air adalah pendingin yang lebih baik di atas kertas; oli berada pada posisi yang lebih baik dalam praktik - karena ia adalah satu-satunya fluida yang dapat masuk ke titik di mana panas timbul. Selisih suhu rata-rata 10 °C, melebihi 14 °C pada belitan dan naik hingga 40 °C pada putaran tinggi, adalah hasil dari keunggulan kontak, bukan keunggulan fisik. Pada unit penggerak generasi berikutnya, sirkuit su/glikol akan bertahan masih beberapa waktu, namun pangsa oli di samping sumber panas akan terus bertumbuh. Saat memilih motor, jangan lihat tenaga puncak di brosur, melainkan tenaga berkelanjutan dan arsitektur pendinginan yang memungkinkannya: performansi sebenarnya tersimpan di sana.

Sumber

• 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