IDTechEx erforscht den Übergang zu Öl im EV-Wärmemanagement

Der Markt für Elektrofahrzeuge entwickelt sich weiter, nicht nur in Bezug auf den Absatz, sondern auch in Bezug auf die Technologie. Ein entscheidender technologischer Aspekt bei E-Fahrzeugen ist das Wärmemanagement der verschiedenen Komponenten, damit alles bei optimaler Temperatur arbeitet. Aktive Kühlung mit Wasser-Glykol-Kühlmitteln ist die vorherrschende Wärmemanagementstrategie für die Batterie, aber was ist mit den anderen Komponenten im Antriebsstrang, insbesondere den Motoren und der Leistungselektronik? Diese Komponenten sind ebenfalls entscheidend für den Betrieb eines Elektrofahrzeugs und haben ihre eigenen thermischen Anforderungen.

 

Während die optimale Betriebstemperatur für die Batterie ähnlich wie beim Menschen ist (~15-30° C), liegen die Motoren und die Leistungselektronik höher und werden oft bei über 60° C betrieben. Dies bedeutet im Allgemeinen, dass die Motoren und der Wechselrichter in einem separaten Kühlkreislauf zur Batterie liegen, obwohl diese zusammenwirken können, um die Wärme zwischen ihnen zu übertragen und so die Effizienz des Fahrzeugs zu optimieren. Die Art und Weise, wie die Wärme innerhalb des Motors gehandhabt wird, variiert von Hersteller zu Hersteller, wobei die Optionen im Allgemeinen in wasser- und/oder ölgekühlte Motoren unterteilt werden.

 

Ein Wassermantel ist eine häufig verwendete Methode, bei der Wasser-Glykol-Kühlmittel in einem Mantel um die Außenseite des Stators fließt. Dies trägt zur Kühlung der Kupferwicklungen im Stator bei, die die elektrischen Felder für den Antrieb des Rotors erzeugen. Einige haben alternative Wasserkühlungsgeometrien gewählt; Audi beispielsweise verwendet einen wassergekühlten Kanal in der Mitte des Rotors sowie den Wassermantel, was eine effektivere thermische Kontrolle des Rotors ermöglicht. Der größte Nachteil von Wasserglykol ist seine elektrische Leitfähigkeit, die eine Verwendung in direktem Kontakt mit elektrischen Bauteilen unmöglich macht. An dieser Stelle kommt die Ölkühlung ins Spiel.

 

Herkömmliche Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor sind sehr daran gewöhnt, dass das Getriebe mit Öl geschmiert wird. Dies kann auch in einem Elektrofahrzeug der Fall sein, aber das Öl kann auch innerhalb des Elektromotors verwendet werden, um den Rotor oder die Statorwicklungen direkt zu kühlen. Dies ist in einigen Geometrien möglich, und der Wassermantel kann bestehen bleiben, aber der übergeordnete Vorteil besteht darin, dass durch den direkten Kontakt die Wärme effektiver von den internen Komponenten des Motors abgeführt werden kann und das Öl auch für die Schmierung sorgt. Der Wegfall des Wassermantels kann auch zu einem kleineren und damit leistungsstärkeren Motor führen. In der ersten Hälfte des Jahres 2022 werden Motoren mit Ölkühlung mit einem Marktanteil von 50 % die dominierende Form auf dem Elektroautomarkt sein.

 

 

Der Nachteil der Ölkühlung ist die Hinzufügung zusätzlicher Komponenten, und in der Regel ist der Wasser-Glykol-Kreislauf immer noch vorhanden, um die Wärme aus dem Öl abzuführen und mit dem übrigen thermischen System des Fahrzeugs zu interagieren. Trotzdem überwiegen die Leistungsvorteile die Komplexität. IDTechEx geht davon aus, dass Öl einen noch größeren Marktanteil gewinnen wird, wobei rein wassergekühlte Motoren weiterhin eine bedeutende Rolle spielen werden. Der neueste Bericht von IDTechEx, "Wärmemanagement für Elektrofahrzeuge 2023-2033", enthält eine 10-Jahres-Prognose für Elektromotoren, die nach der Verwendung von Luft-, Öl- oder Wasser-Glykol-Kühlung segmentiert sind.

 

 

Während die Ölkühlung heute die vorherrschende thermische Strategie für Elektromotoren ist, werden die Si IGBTs oder SiC MOSFETs des Wechselrichters fast immer durch Wasser-Glykol-Kühlplatten auf einer oder beiden Seiten der Wechselrichtermodule gekühlt. Es gibt jedoch auch ein gewisses Interesse an einer direkten Ölkühlung des Umrichters. Da der Umrichter in der Regel zusammen mit dem Motor in einer Antriebseinheit untergebracht ist, könnte man sich vorstellen, dass der Verzicht auf einen Wasser-Glykol-Kreislauf innerhalb der Antriebseinheit das Antriebssystem vereinfachen und dennoch die Vorteile einer direkten Ölkühlung innerhalb des Motors und des Umrichters bieten würde.

 

Es hat sich sogar ein Konsortium gebildet, das diese Strategie untersucht. Das Projekt trägt den Namen SingleOilCnL und zielt darauf ab, Antriebssysteme mit höherer Dichte zu entwickeln, indem das Wasser-Glykol-System abgeschafft wird und Motor und Umrichter direkt mit dem Schmieröl gekühlt werden. An diesem Projekt sind Dana, Diabatix, Lubrizol, Siemens und Flanders Make beteiligt. Das Projekt begann im September 2020 und soll bis Februar 2023 laufen.

 

IDTechEx ist der Meinung, dass dies ein vielversprechender Ansatz ist, insbesondere da sich der Markt für Elektrofahrzeuge in Richtung eines effizienteren integrierten Antriebsstrangs entwickelt. Auch wenn sich dieser Ansatz noch nicht durchgesetzt hat und IDTechEx nicht davon ausgeht, dass er in naher Zukunft die vorherrschende Strategie sein wird, ist dieser Ansatz vielversprechend. IDTechEx gibt in seinem Bericht "Wärmemanagement für Elektrofahrzeuge 2023-2033" eine 10-Jahres-Prognose für EV-Wechselrichter mit Luft-, Wasser- oder Ölkühlung. IDTechEx prognostiziert, dass die Märkte für Elektrofahrzeuge zu Lande, zu Wasser und in der Luft bis 2042 ein Volumen von 2,6 Billionen US-Dollar erreichen werden. Selbst wenn die Ölkühlung nur einen sehr geringen Marktanteil einnimmt, kann sie also immer noch erhebliche Chancen für Materialentwickler und -lieferanten bieten.

 

Der IDTechEx-Bericht über "Wärmemanagement für Elektrofahrzeuge 2023-2033" basiert auf Informationen aus primären und sekundären Quellen aus der gesamten Elektrofahrzeugbranche. Die Forschung nutzt auch IDTechEx's umfangreiche Elektroauto-Datenbank, die aus über 450 Modellvarianten mit ihren Verkaufszahlen für 2015-2022H1, Batteriekapazität, Batterie-Wärmestrategie, Motorleistung, Motorkühlungsstrategie und vielen anderen Spezifikationen besteht. Es werden Marktanteile und Prognosen für Wärmemanagementstrategien in Batterien, Motoren und Leistungselektronik sowie Materialprognosen für Immersion, TIMs und Brandschutz gegeben.

 

Weitere Informationen zu diesem Bericht, einschließlich Beispielseiten zum Herunterladen, finden Sie unter www.IDTechEx.com/TMEV.