IDTechEx explora la transición al petróleo en la gestión térmica de los vehículos eléctricos

IDTechEx explora la transición al petróleo en la gestión térmica de los vehículos eléctricos
El mercado de los vehículos eléctricos sigue desarrollándose, no sólo en ventas, sino también en tecnología. Un aspecto tecnológico crítico de los VE es la gestión térmica de los distintos componentes para que todo funcione a la temperatura óptima. La refrigeración activa con refrigerantes de tipo agua-glicol es la estrategia de gestión térmica dominante para la batería, pero ¿qué ocurre con los demás componentes de la cadena cinemática, concretamente los motores y la electrónica de potencia? Estos componentes también son fundamentales para el funcionamiento del VE y tienen sus propios requisitos térmicos.
 
Mientras que la temperatura óptima de funcionamiento de la batería es similar a la de un ser humano (~15-30° C), la de los motores y la electrónica de potencia es superior, con un funcionamiento a menudo por encima de 60° C. Por lo general, esto significa que los motores y el inversor se encuentran en un circuito de refrigeración independiente del de la batería, aunque pueden interactuar para transferir calor entre ellos con el fin de optimizar la eficiencia del vehículo. La forma en que se gestiona el calor dentro del motor varía según los fabricantes, y las opciones suelen segmentarse en motores refrigerados por agua-glicol y/o aceite.
 
Una camisa de agua es un método comúnmente utilizado en el que el refrigerante agua-glicol fluye en una camisa alrededor del exterior del estator. Esto ayuda a refrigerar los devanados de cobre del estator que generan los campos eléctricos utilizados para accionar el rotor. Algunos han adoptado geometrías alternativas de refrigeración por agua; por ejemplo, Audi utiliza un canal refrigerado por agua que atraviesa el centro del rotor además de la camisa de agua, lo que permite un control térmico más eficaz del rotor. La principal limitación del agua glicolada es su conductividad eléctrica; esto limita su uso de forma que no puede utilizarse en contacto directo con componentes eléctricos. Aquí es donde entra en juego la refrigeración por aceite.
 
Los vehículos de combustión tradicionales están muy acostumbrados a lubricarse con aceites en la transmisión. Esto también puede ser cierto en un VE, pero el aceite también puede utilizarse dentro del motor eléctrico para refrigerar directamente el rotor o los bobinados del estator. Esto puede hacerse en algunas geometrías y la camisa de agua puede permanecer, pero el beneficio global es que el contacto directo significa que el calor puede ser eliminado de los componentes internos del motor con mayor eficacia, y el aceite también proporciona lubricación. Si se elimina la camisa de agua, el motor será más pequeño y, por tanto, más potente. En el primer semestre de 2022, los motores con refrigeración por aceite se convirtieron en la forma dominante en el mercado de los coches eléctricos, con una cuota de mercado del 50%.
 
La refrigeración por aceite se convirtió en la forma dominante de refrigeración del motor de los coches eléctricos en 2022. Fuente: IDTechEx - "Gestión térmica para vehículos eléctricos 2023-2033"
 
El inconveniente de la refrigeración por aceite es la adición de componentes adicionales y, normalmente, el circuito de agua-glicol sigue existiendo para eliminar el calor del aceite e interactuar con el resto del sistema térmico del vehículo. A pesar de ello, las ventajas de rendimiento compensan la complejidad. IDTechEx prevé que el aceite gane una cuota de mercado aún mayor y que los motores refrigerados exclusivamente por camisa de agua sigan teniendo un peso importante. El último informe de IDTechEx, "Gestión térmica para vehículos eléctricos 2023-2033", ofrece una previsión a 10 años de los motores eléctricos segmentados por el uso de refrigeración por aire, aceite o agua-glicol.
 
¿Inversores con refrigeración directa por aceite?
 
Mientras que la refrigeración por aceite es ahora la estrategia térmica dominante para los motores eléctricos, los IGBT de Si o los MOSFET de SiC del inversor casi siempre se refrigeran mediante placas frías de agua-glicol en uno o ambos lados de los módulos del inversor. Sin embargo, ha surgido cierto interés por la refrigeración directa por aceite del inversor. Dado que el inversor se suele instalar junto al motor en una unidad de accionamiento, se podría imaginar que la eliminación de la necesidad de un bucle de agua-glicol dentro de la unidad de accionamiento simplificaría el sistema de accionamiento y seguiría proporcionando las ventajas de la refrigeración directa por aceite dentro del motor y el inversor.
De hecho, se ha formado un consorcio que investiga esta estrategia. El proyecto se denomina SingleOilCnL y su objetivo es desarrollar sistemas de accionamiento de mayor densidad eliminando el sistema de agua-glicol y refrigerando el motor y el inversor directamente con el aceite lubricante. En este proyecto participan Dana, Diabatix, Lubrizol, Siemens y Flanders Make. El proyecto comenzó en septiembre de 2020 y está previsto que se prolongue hasta febrero de 2023.
 
IDTechEx cree que se trata de un enfoque prometedor, sobre todo porque el mercado de los vehículos eléctricos sigue evolucionando hacia una transmisión integrada más eficiente. Aunque este enfoque no se ha adoptado, e IDTechEx no espera que se convierta en la estrategia dominante en un futuro próximo, es prometedor. IDTechEx incluye una previsión a 10 años para los inversores de VE que utilizan refrigeración por aire, agua o aceite en su informe "Gestión térmica para vehículos eléctricos 2023-2033". IDTechEx predice que los mercados de vehículos eléctricos terrestres, marítimos y aéreos generarán 2,6 billones de dólares en 2042, por lo que, aunque la refrigeración por aceite sólo ocupe una cuota de mercado muy pequeña, puede presentar importantes oportunidades para los formuladores y proveedores de materiales.
 
El informe de IDTechEx sobre Gestión Térmica para VE obtiene información de fuentes primarias y secundarias de toda la industria de los VE. La investigación también utiliza la extensa base de datos de coches eléctricos de IDTechEx que consta de más de 450 variantes de modelos con sus cifras de ventas para 2015-2022H1, capacidad de la batería, estrategia térmica de la batería, potencia del motor, estrategia de refrigeración del motor, y muchas otras especificaciones. Se ofrecen cuotas de mercado y previsiones para estrategias de gestión térmica en baterías, motores y electrónica de potencia, además de previsiones de materiales para inmersión, TIM y protección contra incendios.
 
Para obtener más información sobre este informe, incluidas páginas de muestra descargables, visite www.IDTechEx.com/TMEV.