Làm mát động cơ điện: Nước hay dầu?

Không có câu trả lời một câu cho câu hỏi làm mát nước/glicol hay làm mát dầu tốt hơn với động cơ xe điện: nước là chất làm mát hiệu quả hơn nhưng do tính dẫn điện nên không thể tiếp xúc trực tiếp với động cơ; còn dầu tuy là chất lỏng yếu hơn về mặt vật lý nhưng có thể thấm vào nơi nhiệt sinh ra nên thực tế lại tạo ra những động cơ mát hơn. Vì vậy các hệ truyền động hiện đại ngày càng nghiêng về phía dầu nhưng không hoàn toàn từ bỏ mạch nước/glicol. Trong bài viết này chúng ta so sánh nguyên lý hoạt động, sự khác biệt về số liệu và các quyết định thiết kế của hai chiến lược.

Tại sao Nước/Glicol là Chất làm mát Tốt hơn nhưng là Hàng xóm Tệ hơn?

Về khả năng truyền nhiệt, hầu như không có đối thủ nào sánh được với nước. Nhiệt dung riêng và độ dẫn nhiệt của nước cao hơn dầu một cách rõ rệt; nghĩa là cùng một thể tích nước chảy qua sẽ mang đi nhiệt nhanh hơn dầu. Việc thêm etylen glicol vào hỗn hợp điều chỉnh nhiệt độ đóng băng và đặc tính chống ăn mòn, nhưng không thay đổi đặc tính nhiệt cơ bản của chất lỏng.

Vấn đề nằm ở sự không tương thích căn bản giữa nước và thế giới điện tử: hỗn hợp glicol dẫn điện. Ở mọi điểm tiếp xúc bề mặt của cuộn dây, đầu nối hoặc điện tử công suất sẽ phát sinh nguy cơ đoản mạch và ăn mòn điện phân. Vì vậy nước/glicol chỉ có thể được sử dụng ở những khu vực trong hệ truyền động được ngăn cách với các thành phần điện bằng bức tường kim loại. Trong thực tế, ranh giới này chính là áo nước bao quanh phía ngoài stator.

Áo nước Hoạt động như thế nào và Ranh giới Bắt đầu từ đâu?

Áo nước về mặt khái niệm tương tự các kênh nước của động cơ đốt trong cổ điển: hỗn hợp glicol-nước tuần hoàn trong một khoang thân máy kín bao quanh bề mặt ngoài của khối stator và mang nhiệt tới bộ tản nhiệt bên ngoài. Như vậy nhiệt do các cuộn dây đồng tạo ra được truyền qua các lá thép stator tới bề mặt ngoài trước, rồi mới truyền sang chất lỏng. Hệ thống chắc chắn, an toàn về điện và có chi phí thấp.

Điểm yếu của nó nằm ở hình học. Rotor được tách khỏi stator bởi khe hở khí nên hoàn toàn không tiếp xúc với chất lỏng; rotor và nam châm vĩnh cửu trên đó về cơ bản được làm mát qua khe hở khí và trục, tức là bằng cách dẫn truyền và không hiệu quả. Trong các mô phỏng nhiệt, rotor và nam châm vĩnh cửu nổi lên là điểm nhiệt độ quan trọng nhất của các hệ nước/glicol. Nhiệt độ động cơ có thể vượt quá 200 °C khi tải cao; điều này dẫn đến khử từ cục bộ ở nam châm vĩnh cửu, lão hóa nhanh chóng của lớp cách điện và sự sụt giảm công suất liên tục.

Các kỹ sư đôi khi giãn giới hạn này một cách sáng tạo. Audi đã áp dụng một giải pháp nhắm trực tiếp vào roto bằng cách bổ sung một kênh nước đi qua tâm roto bên cạnh vỏ nước của họ; tuy nhiên kiểu thiết kế này là ngoại lệ, và quy tắc là nước không được xâm nhập vào các vùng điện.

Phun dầu: Làm mát ngay tại nơi sinh nhiệt

Ưu thế vật lý của dầu có thể tóm gọn trong một từ: chất điện môi. Dầu có tính cách điện có thể tiếp xúc trực tiếp với các cuộn dây, roto và nam châm; hơn nữa còn đảm nhận luôn nhiệm vụ bôi trơn. Nhiệt được truyền sang chất lỏng không ở cuối chuỗi dẫn nhiệt mà ngay tại điểm sinh ra. Chỉ riêng khác biệt này đã rút ngắn toàn bộ chuỗi trở kháng nhiệt.

Chênh lệch bằng số liệu rất ấn tượng. Trong so sánh mô phỏng của TotalEnergies và EnginSoft, cấu hình làm mát bằng dầu trực tiếp mang lại lợi thế 10 °C về nhiệt độ trung bình và ít nhất 14 °C về nhiệt độ cuộn dây - thậm chí trong điều kiện so sánh mà lưu lượng dầu được giữ ở mức thấp. Trong kịch bản vượt xe ở vòng tua cao, khoảng 10.000 rpm, chênh lệch đạt tới 40 °C. Một nghiên cứu học thuật độc lập cũng chỉ ra cùng hướng: khi lái trên đường cao tốc, động cơ làm mát trực tiếp có nhiệt độ thấp hơn khoảng 30 °C so với động cơ có vỏ nước, và điều này phản ánh trực tiếp vào mô-men xoắn cực đại cùng công suất.

Dầu được đưa vào trong động cơ bằng cách nào?

Có một số phương pháp đã trưởng thành để làm mát đầu cuộn dây:

• Nhỏ giọt qua manifold: Chất làm mát được nhỏ vào các đầu cuộn dây một cách chính xác và đồng đều; cần ít dầu hơn so với ngâm roto.
• Phun có áp suất: Dầu được bơm tạo áp suất phun trực tiếp vào các đầu cuộn dây, mang lại hiệu quả làm mát va chạm trực diện.
• Phun roto qua trục rỗng: Dầu đi vào từ một đầu trục và phân tán nhờ cấu trúc quay; đây là giải pháp phổ biến trên các động cơ PMSM có cuộn dây hairpin.
• Làm mát roto bằng kênh trục: Các kênh trục trong roto đưa dầu đến gần các điểm nóng tại đầu cuộn dây.

Lực ly tâm từ roto giúp công việc dễ dàng hơn: các bộ phận quay hành động như một bơm phụ trợ giúp phân tán dầu đến cuộn dây và lõi thép. Trong một kiến trúc hybrid, đóng góp của phun dầu vào tổng công suất làm mát vào khoảng 80% - phần còn lại chủ yếu là việc của phía nước.

Kiểu động cơ thay đổi gánh nặng nhiệt như thế nào: PMSM và không đồng bộ

Chiến lược làm mát bắt đầu bằng một xác định bài toán khác nhau tùy theo loại động cơ. Ở động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM), từ trường của roto được tạo ra không bằng cảm ứng điện từ mà bằng các nam châm nhúng trong roto; tổn thất roto rất thấp, và điều này giúp quản lý nhiệt trở nên dễ dàng. Đổi lại là độ nhạy nhiệt của nam châm: roto là vùng nhiệt dễ bị tổn thương nhất của hệ thống, và nguy cơ khử từ quyết định giới hạn nhiệt của thiết kế.

Ở động cơ không đồng bộ, vì dòng điện được cảm ứng vào roto nên tổn thất roto về bản chất cao hơn và hiệu suất thấp hơn PMSM. Ngược lại, động cơ không có nguy cơ khử từ nam châm; các giới hạn nhiệt có thể quản lý lỏng lẻo hơn. Đây chính là logic kỹ thuật khiến một số nhà sản xuất chọn PSM hiệu quả cho trục trước và động cơ không đồng bộ chịu nhiệt tốt hơn cho trục sau: mỗi động cơ được làm mát theo đặc tính nhiệt của riêng nó.

Sự chênh lệch nhiệt này cũng mang tính quyết định trong việc chọn chất lỏng. Với những động cơ có rôto và nam châm chịu rủi ro nhiệt, giá trị của dầu có khả năng thâm nhập vào những vùng mà áo nước không with tới càng được nâng cao. Việc động cơ làm mát bằng dầu đạt 50% thị phần xe ô tô điện trong nửa đầu năm 2022 là kết quả cụ thể của xu hướng này; thị phần được dự báo sẽ tiếp tục tăng, nhưng người ta cũng dự đoán các động cơ chỉ dùng áo nước vẫn sẽ giữ vị trí quan trọng.

Tấm Làm Mát Trong Biến Tắc Hoạt Động Như Thế Nào?

Bộ phận nhạy cảm với nhiệt nhất trong hệ truyền động không phải là động cơ mà là biến tắc. Các khóa silic IGBT hoặc SiC MOSFET bên trong sinh nhiệt mỗi lần bật tắt mỗi ampe, và dải nhiệt độ của chất bán dẫn rất hẹp. Vì vậy các mô-đun biến tắc gần như luôn luôn được làm mát bằng tấm làm mát chứa nước/glycol.

Nguyên tắc dựa trên sự dẫn truyền: các chất bán dẫn công suất được gắn trực tiếp vào tấm làm mát (keo nhiệt được dùng để giảm trở kháng tiếp xúc), nhiệt truyền sang tấm qua dẫn nhiệt và chất lỏng chảy trong các kênh bên trong tấm hấp thụ nhiệt này rồi bơm tới bộ trao đổi nhiệt ở xa. Vì chất lỏng dẫn nhiệt nhanh hơn không khí rất nhiều nên nó gần như là lựa chọn duy nhất trong điện tử công suất kompakt. Thiết kế tấm làm mát của các mô-đun IGBT vẫn là vấn đề then chốt trong việc cải thiện hiệu suất biến tắc.

Vậy tại sao biến tắc không được làm mát trực tiếp bằng dầu? Câu trả lời vẫn là vấn đề dẫn điện và độ phức tạp của mạch: sự trao đổi đang được nghiên cứu - các dự án liên minh nhằm làm mát động cơ và biến tắc bằng một chất lỏng duy nhất (như SingleOilCnL có sự tham gia của Dana, Diabatix, Lubrizol, Siemens và Flanders Make) được đánh giá là đầy hứa hẹn - nhưng không được kỳ vọng sẽ trở thành chiến lược thống trị trong tương lai gần. Ngày nay kiến trúc điển hình là kiểu lai: dầu điện môi làm mát rôto và stato, chuyển nhiệt sang mạch nước/glycol tại bộ trao đổi nhiệt; còn glycol cấp nước cho tấm biến tắc và bộ tản nhiệt.

Tại Sao Chênh Lệch Giữa Công Suất Đỉnh và Công Suất Liên Tục Phụ Thuộc Vào Hệ Thống Làm Mát?

Giá trị kW trong tờ thông số là công suất đỉnh: đầu ra tối đa của động cơ trong thời gian ngắn. Công suất liên tục là công suất mà động cơ có thể duy trì vô thời hạn mà không quá nhiệt, và thứ quyết định khoảng cách giữa hai giá trị này không gì khác chính là quản lý nhiệt. Hệ thống làm mát đóng vai trò như một bộ đệm nhiệt: làm mát càng tốt, công suất đỉnh duy trì càng lâu và công suất liên tục càng cao.

Hãy cụ thể hóa. Số liệu của hai động cơ thương mại hạng nặng có kích thước ngoài giống nhau cho thấy sự khác biệt rõ ràng:

Ở động cơ làm mát bằng nước, nhiệt độ cuộn dây tại đầu ra đỉnh thường có thể vượt giới hạn trong vòng một phút; hệ thống sẽ bị hạn chế mô-men xoắn (giới hạn mô-men nhiệt) và xe buộc phải giảm công suất nếu cần. Làm mát bằng dầu loại bỏ các trở ngại nhiệt không cần thiết nên nâng cao hiệu suất liên tục: Trên một đoạn dốc 4% dài 10 km, động cơ làm mát bằng dầu duy trì công suất liên tục cao hơn khoảng 20% và mô-men xoắn liên tục cao hơn 37,5%. Chênh lệch này đủ lớn để thay đổi quyết định mua xe đối với những ai lái xe tải hoặc xe thương mại hạng nặng - khi đường dốc dài và tốc độ trung bình cao là điều thực tế.

Làm mát hiệu quả còn mang lại lợi ích gián tiếp: với cùng ngân sách nhiệt, có thể thiết kế động cơ nhỏ gọn và mạnh mẽ hơn, nghĩa là tiết kiệm trọng lượng và chi phí.

Trường Hợp Nào Nên Ưu Tiên Loại Nào?

Bảng dưới đây tóm tắt ưu và nhược điểm của hai cách tiếp cận:

Việc lựa chọn thực chất không phải là sự cạnh tranh mà là bài toán tối ưu hóa. Nên nghĩ rằng làm mát bằng dầu và nước không phải là phương án thay thế cho nhau, mà là những giải pháp khác nhau cho các chu kỳ nhiệm vụ khác nhau: với các hồ sơ tải thấp và trung bình, khi ưu tiên chi phí và sự đơn giản, áo nước thường là đủ. Trong các ứng dụng đòi hỏi đường dốc dài, tốc độ trung bình cao và vòng tua cao, ưu thế của làm mát dầu trực tiếp trở nên rõ ràng. Hơn nữa, một cụm truyền động làm mát bằng dầu thường vẫn có mạch nước/glycol - đây chính là mạch cuối cùng mang nhiệt do dầu hấp thụ ra khí quyển và đồng thời cấp cho tấm biến tần.

Ngoài ra, xu hướng tích hợp đang củng cố vị thế của dầu: khi động cơ và hộp số được gộp vào cùng một khối, việc giải quyết cả bôi trơn và làm mát động cơ bằng một chất lỏng duy nhất trở thành yêu cầu thực tiễn. Trong công thức hóa chất lỏng, quản lý nhiệt được coi là tiêu chí thiết kế chính bên cạnh hiệu suất bôi trơn.

Kết luận: So Sánh Chất Lỏng Hay So Sánh Vị Trí

Cách đọc đúng so sánh này không phải là tìm ra người thắng cuộc, mà là đặt các thuật ngữ vào đúng vị trí của chúng. Nước là chất làm mát tốt hơn trên giấy tờ; còn dầu ở vị trí tốt hơn trong thực tế - vì đó là chất lỏng duy nhất có thể chạm đến nơi nhiệt sinh ra. Chênh lệch nhiệt độ trung bình 10 °C, vượt quá 14 °C tại cuộn dây và leo lên 40 °C ở vòng tua cao là kết quả của ưu thế tiếp xúc chứ không phải ưu thế vật lý. Ở các thế hệ cụm truyền động tiếp theo, mạch nước/glycol sẽ còn tồn tại thêm một thời gian, nhưng phần của chất dầu bên cạnh nguồn nhiệt sẽ tiếp tục tăng lên. Khi chọn động cơ, đừng chỉ nhìn công suất đỉnh trong tờ rơi, mà hãy xem công suất liên tục và kiến trúc làm mát giúp nó khả thi: hiệu suất thực sự nằm ở đó.

Nguồn tài liệu

• 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