Il mercato dei veicoli elettrici continua a svilupparsi, non solo nelle vendite ma anche nella tecnologia. Un aspetto tecnologico critico per i veicoli elettrici è la gestione termica dei vari componenti per mantenere il funzionamento alla temperatura ottimale.
Il raffreddamento attivo con refrigeranti del tipo acqua-glicole è la strategia di gestione termica dominante per la batteria, ma che dire degli altri componenti della trasmissione, in particolare i motori e l’elettronica di potenza?
Anche questi componenti sono fondamentali per il funzionamento dei veicoli elettrici e hanno i loro requisiti termici.
La temperatura di funzionamento
Mentre la temperatura di funzionamento ottimale della batteria è simile a quella umana (~15-30° C), quella dei motori e dell’elettronica di potenza è più elevata, con un funzionamento spesso superiore a 60° C.
Ciò significa che i motori e l’inverter si trovano su un circuito di raffreddamento separato da quello della batteria, anche se possono interagire per trasferire il calore tra loro per ottimizzare l’efficienza del veicolo. Il modo in cui il calore viene gestito all’interno del motore varia da un produttore all’altro, con le opzioni generalmente segmentate in motori raffreddati ad acqua e glicole e/o ad olio.
La camicia d’acqua è un metodo comunemente utilizzato in cui il refrigerante acqua-glicole scorre in una camicia attorno all’esterno dello statore. Ciò contribuisce a raffreddare gli avvolgimenti di rame dello statore che generano i campi elettrici utilizzati per azionare il rotore. Alcuni hanno adottato geometrie alternative per il raffreddamento dell’acqua; ad esempio, Audi utilizza un canale raffreddato ad acqua attraverso il centro del rotore e la camicia d’acqua, consentendo un controllo termico più efficace del rotore. Il limite principale dell’acqua glicolata è la sua conducibilità elettrica, che ne limita l’uso e non può essere utilizzata a diretto contatto con i componenti elettrici. È qui che entra in gioco il raffreddamento a olio.
Gli olii
I veicoli a combustione tradizionali sono abituati a essere lubrificati con oli nella trasmissione. Questo può valere anche per i veicoli elettrici, ma l’olio può essere utilizzato anche all’interno del motore elettrico per raffreddare direttamente gli avvolgimenti del rotore o dello statore. Questo può essere fatto in alcune geometrie e la camicia d’acqua può rimanere, ma il vantaggio generale è che il contatto diretto significa che il calore può essere rimosso dai componenti interni del motore in modo più efficace e l’olio fornisce anche la lubrificazione. L’eliminazione della camicia d’acqua può anche portare a un motore più piccolo e quindi più potente. Nella prima metà del 2022, i motori con raffreddamento a olio sono diventati la forma dominante nel mercato delle auto elettriche, con una quota di mercato del 50%.
L’aspetto negativo del raffreddamento a olio è l’aggiunta di ulteriori componenti e, in genere, il circuito acqua-glicole esiste ancora per rimuovere il calore dall’olio e interagire con il resto del sistema termico del veicolo. Nonostante ciò, i vantaggi in termini di prestazioni superano la complessità. IDTechEx prevede che l’olio guadagnerà una quota di mercato ancora maggiore, mentre i motori raffreddati esclusivamente a camicia d’acqua rimarranno in modo significativo. L’ultimo rapporto di IDTechEx, “Gestione termica per veicoli elettrici 2023-2033“, fornisce una previsione decennale dei motori elettrici segmentati in base all’uso di raffreddamento ad aria, olio o acqua-glicole.
Inverter con raffreddamento a olio diretto?
Mentre il raffreddamento ad olio è oggi la strategia termica dominante per i motori elettrici, gli inverter Si IGBT o SiC MOSFET sono quasi sempre raffreddati da piastre fredde ad acqua e glicole su uno o entrambi i lati dei moduli dell’inverter. Tuttavia, si riscontra un certo interesse per il raffreddamento ad olio diretto dell’inverter. Poiché l’inverter è tipicamente imballato insieme al motore in un’unità di azionamento, si potrebbe immaginare che l’eliminazione della necessità di un circuito di raffreddamento ad acqua e glicole all’interno dell’unità di azionamento semplifichi il sistema di azionamento e fornisca comunque i vantaggi del raffreddamento diretto dell’olio all’interno del motore e dell’inverter.
In effetti, è stato costituito un consorzio che sta studiando questa strategia. Il progetto si chiama SingleOilCnL e mira a sviluppare sistemi di azionamento a più alta densità eliminando il sistema acqua-glicole e raffreddando il motore e l’inverter direttamente con l’olio di lubrificazione. Tale progetto comprende Dana, Diabatix, Lubrizol, Siemens e Flanders Make, è iniziato a settembre 2020 e durerà fino a febbraio 2023.
Il rapporto di IDTechEX
IDTechEx ritiene che si tratti di un approccio promettente, soprattutto perché il mercato dei veicoli elettrici continua a svilupparsi verso una trasmissione integrata più efficiente. Anche se questo approccio non è stato adottato e IDTechEx non prevede che diventi la strategia dominante nel prossimo futuro, è promettente. Nel suo rapporto “Gestione termica per veicoli elettrici 2023-2033“, IDTechEx include una previsione a 10 anni per gli inverter EV che utilizzano il raffreddamento ad aria, acqua o olio. IDTechEx prevede che i mercati dei veicoli elettrici terrestri, marini e aerei genereranno 2,6 trilioni di dollari entro il 2042; pertanto, anche se il raffreddamento ad olio rappresenta solo una piccola quota di mercato, può comunque offrire opportunità significative per i formulatori e i fornitori di materiali.
Il rapporto di IDTechEx sulla gestione termica dei veicoli elettrici si basa su informazioni provenienti da fonti primarie e secondarie del settore dei veicoli elettrici. La ricerca utilizza anche l’ampio database di IDTechEx sulle auto elettriche, che comprende oltre 450 varianti di modelli con i relativi dati di vendita per il periodo 2015-2022H1, la capacità della batteria, la strategia termica della batteria, la potenza del motore, la strategia di raffreddamento del motore e molte altre specifiche. Le quote di mercato e le previsioni sono fornite per le strategie di gestione termica delle batterie, dei motori e dell’elettronica di potenza, oltre alle previsioni sui materiali per immersione, TIM e protezione antincendio.
Per saperne di più su questo rapporto, comprese le pagine campione scaricabili, visitate il sito www.IDTechEx.com/TMEV.
