Chłodzenie silników elektrycznych w samochodach elektrycznych
Silnik trakcyjny samochodu elektrycznego może mieć bardzo wysoką sprawność, a mimo to przy dużej mocy wytwarzać kilka kilowatów ciepła. Chłodzenie decyduje o tym, jak długo zespół napędowy może utrzymywać moment obrotowy i moc bez przekraczania limitów uzwojeń, magnesów, wirnika, łożysk, środka smarnego, falownika lub uszczelnień.
Skąd bierze się ciepło
Prąd przepływający przez uzwojenia stojana powoduje straty w miedzi proporcjonalne do kwadratu natężenia prądu i rezystancji uzwojenia. W stali elektrotechnicznej przy zmianach pola magnetycznego powstają dodatkowo straty na histerezę i prądy wirowe. Prądy wirowe mogą pojawiać się w magnesach trwałych i innych przewodzących częściach wirnika, natomiast klatka indukcyjna lub wirnik wzbudzany elektrycznie mają własne straty rezystancyjne.
Łożyska, uszczelnienia, koła zębate, pompy oleju, mieszanie oleju i opór powietrza zwiększają straty mechaniczne. Falownik oddzielnie wytwarza ciepło w półprzewodnikach i elementach pasywnych, często obok silnika w zintegrowanym zespole napędowym.
Rozkład strat zmienia się na mapie prędkości obrotowej i momentu. Duże natężenie prądu sprawia, że ciepło uzwojeń dominuje w wielu punktach o niskiej prędkości i wysokim momencie. Straty w żelazie i magnesach, straty aerodynamiczne, przełączania i mechaniczne zyskują na znaczeniu wraz ze wzrostem częstotliwości elektrycznej i prędkości obrotowej.
Moc szczytowa nie jest mocą ciągłą
Masa cieplna silnika może przyjąć krótką porcję ciepła, umożliwiając osiągnięcie mocy szczytowej podczas przyspieszania. Utrzymanie mocy ciągłej wymaga, aby układ chłodzenia odprowadzał ciepło równie szybko, jak zespół napędowy je wytwarza w określonych warunkach temperatury cieczy chłodzącej, temperatury powietrza i prędkości.
Gdy szacowana temperatura zbliża się do limitu, oprogramowanie sterujące zmniejsza natężenie prądu lub moc. To ograniczenie termiczne chroni izolację uzwojeń, koercję magnesów, konstrukcję wirnika, elektronikę mocy, środek smarny i łożyska. Dlatego dwa samochody elektryczne o tej samej mocy szczytowej w kilowatach mogą zachowywać się inaczej podczas wielokrotnego przyspieszania, długotrwałej jazdy z dużą prędkością, podjazdów, holowania przyczepy, jazdy po torze lub w upale.
Czujniki temperatury nie są w stanie monitorować każdego gorącego punktu. Sterowniki łączą pomiary z modelami termicznymi, które szacują temperaturę uzwojeń, wirnika, magnesów i złączy półprzewodnikowych. Model zachowawczy pozostawia część osiągów niewykorzystaną, natomiast model optymistyczny grozi przyspieszonym starzeniem lub awarią.
Chłodzenie powietrzem i płaszczem
Chłodzenie powietrzem usuwa ciepło z obudowy silnika za pomocą naturalnego lub wymuszanego przez wentylator przepływu powietrza. Jest proste i nie wymaga przewodów cieczy, ale zdolność powietrza do przenoszenia ciepła jest ograniczona. Rozwiązanie to lepiej nadaje się do maszyn o mniejszej mocy, silników pomocniczych lub cykli pracy z umiarkowanym obciążeniem ciągłym niż do kompaktowego, wysokowydajnego zespołu trakcyjnego.
Typowym kolejnym krokiem jest płaszcz wodno-glikolowy wokół obudowy stojana. Ciecz chłodząca przepływa przez odlewane lub obrabiane kanały i przekazuje ciepło do chłodnicy albo innego obiegu termicznego pojazdu. To sprawdzone rozwiązanie utrzymuje przewodzącą ciecz poza komorą elektryczną.
Jego słabością jest droga przepływu ciepła. Ciepło z miedzi musi przejść przez izolację, materiał impregnacyjny, pakiet blach stojana, powierzchnie styku obudowy i ściankę płaszcza. Lepszy styk i większa przewodność cieplna materiałów mogą pomóc, ale zewnętrzny płaszcz nadal jest fizycznie oddzielony od gorących punktów uzwojenia.
Chłodzenie olejem blisko źródła ciepła
Olej kompatybilny z układem elektrycznym można natryskiwać na czoła uzwojeń, kierować przez kanały stojana, przepuszczać przez drążony wał lub wykorzystywać do chłodzenia wirnika i łożysk. Zespół napędowy może używać tego samego płynu bazowego do smarowania przekładni i chłodzenia silnika, a obiegiem sterują pompy, dysze, układ odzysku, filtracja oraz wymiennik ciepła między cieczą chłodzącą a olejem.
Olej znajdujący się blisko miedzi skraca drogę przepływu ciepła i może zwiększyć dopuszczalną ciągłą gęstość prądu. Chłodzenie olejem wirnika jest szczególnie przydatne, gdy wirnik wytwarza dużo ciepła lub temperatura magnesów ma krytyczne znaczenie.
Bezpośrednie chłodzenie olejem powoduje również opory lepkości, pobór mocy przez pompy oraz stawia wymagania dotyczące napowietrzania, filtracji, uszczelnień i zgodności materiałowej. Przepływ musi docierać do wszystkich gorących obszarów bez zalewania części, w których powstawałyby nadmierne straty wskutek mieszania oleju. Właściwości elektryczne oleju i jego starzenie muszą pozostawać na akceptowalnym poziomie przez cały okres eksploatacji.
Bezpośrednie chłodzenie uzwojeń i żłobków
Bezpośrednie chłodzenie uzwojeń umieszcza wymiennik ciepła lub kanał cieczy chłodzącej w bezpośrednim kontakcie z przewodnikiem albo bardzo blisko niego. Rozwiązania obejmują wymienniki ciepła w żłobkach, olej przepływający przez uszczelnione kanały żłobkowe, przewodzące elementy chłodzące obok uzwojenia oraz drążone przewodniki, w których wnętrzu przepływa ciecz chłodząca.
Metody te omijają część oporu cieplnego izolacji i rdzenia stojana. Badania i prototypy pokazują duży potencjał zwiększenia gęstości prądu i gęstości mocy silnika, ale zakres wyzwań konstrukcyjnych się rozszerza: izolacja elektryczna, spadek ciśnienia, równomierny przepływ, korozja, wykrywanie wycieków, łączenie, tolerancje produkcyjne i naprawy stają się częścią projektu uzwojenia.
Drążone przewodniki zapewniają najkrótszą drogę od ciepła miedzi do cieczy chłodzącej, ale zmniejszają powierzchnię przekroju przewodzącego i wymagają niezawodnych połączeń cieczowych dla każdej równoległej drogi przepływu. Należy je traktować jako zaawansowaną architekturę, a nie standardowe wyposażenie współczesnych elektrycznych samochodów osobowych.
Chłodzenie wirnika i wału
Wirnik indukcyjny generuje straty w klatce, wirnik wzbudzany elektrycznie generuje straty w uzwojeniu wzbudzenia, a magnesy trwałe mogą wymagać ochrony przed ciepłem i stratami na prądy wirowe. Chłodzenie może docierać do wirnika przez olej w szczelinie powietrznej, wewnętrzne dysze, drążony wał lub dzięki przewodzeniu ciepła przez wał i łożyska.
Doprowadzenie cieczy chłodzącej do obracającego się zespołu stawia dodatkowe wymagania dotyczące odśrodkowego zachowania przepływu, uszczelnień obrotowych, wyważenia, ciśnienia i wytrzymałości zmęczeniowej. Korzyści termiczne muszą uzasadniać te koszty mechaniczne i związane z niezawodnością.
Zintegrowane zarządzanie temperaturą zespołu napędowego
Silnik, falownik, przekładnia i mechanizm różnicowy pracują najlepiej w różnych temperaturach i wykorzystują różne płyny. Kompaktowa oś elektryczna może łączyć obieg wodno-glikolowy dla obudowy stojana i falownika z obiegiem oleju dla kół zębatych, łożysk, wirnika i uzwojeń. Wymiennik ciepła łączy obiegi bez mieszania płynów.
Integracja skraca przewody i oszczędza miejsce, ale również łączy źródła ciepła. Gorący olej może inaczej wpływać na sprawność przekładni niż na uzwojenia silnika, a falownik może wymagać niższej temperatury cieczy chłodzącej niż obudowa silnika. Pompy, zawory, obejścia i oprogramowanie kierują ciepłem stosownie do potrzeb podczas rozgrzewania, jazdy, ładowania i dużego obciążenia.
Sam układ chłodzenia zużywa energię. Przy porównywaniu konstrukcji trzeba uwzględnić moc pomp i wentylatorów oraz opór oleju. Maksymalne chłodzenie przez cały czas rzadko jest najwydajniejszym rozwiązaniem; zmienny przepływ powinien zapewniać odprowadzanie ciepła wymagane przez bieżący cykl pracy.
Niezawodność i serwis
Zaawansowane chłodzenie przenosi część ryzyka z temperatury na przewody i materiały. Inżynierowie muszą uwzględnić trwałość uszczelnień, porowatość węży i odlewów, korozję galwaniczną, przewodność cieczy chłodzącej, utlenianie oleju, zatykanie filtrów, zanieczyszczenia, zużycie pomp, ochronę przed zamarzaniem, uszkodzenia powypadkowe i wykrywanie wycieków.
Silnik chłodzony bezpośrednio może wytwarzać większą moc ciągłą przy mniejszej ilości materiału aktywnego, ale serwis może być bardziej złożony, jeśli uzwojenie, wirnik i obieg oleju tworzą jeden nierozłączny zespół. Próby trwałości muszą obejmować cykle ciśnienia i temperatury, drgania, nadmierną prędkość obrotową, zanieczyszczenia oraz oddziaływania chemiczne między płynem, izolacją, klejami, magnesami i uszczelnieniami.
Co mogą wywnioskować kierowcy
Większość specyfikacji samochodów elektrycznych nie podaje przepływu cieczy chłodzącej, temperatury uzwojenia ani ciągłej mocy silnika. Powtarzalne testy przyspieszenia, zachowanie przy długotrwałej jeździe z dużą prędkością, limity holowania i wskazówki dotyczące jazdy po torze mogą ujawnić część strategii termicznej, ale nie pozwalają oddzielić chłodzenia silnika od ograniczeń akumulatora i falownika.
Najbardziej miarodajne dane producenta określałyby czas utrzymania mocy szczytowej, moc ciągłą przy zdefiniowanej temperaturze cieczy chłodzącej i otoczenia, maksymalną prędkość obrotową silnika, metodę chłodzenia oraz to, czy wartość dotyczy samego silnika, czy całego zespołu napędowego.
Wróć do Electric Motors and Drive Units.