Az elektromos járművek teljesítményének és hatótávjának növeléséért eszközölt innovációk szíve és lelke a hatékonyság emelése. A mai elektromos hajtásláncok az akkumulátor energiájának 85 százalékát mechanikaivá alakítja, miközben a belső égésű motorok legjobb esetben is 40 százalék körüli hatásfokkal dolgoznak. Ahhoz, hogy ilyen szintű, és ilyen előnyöket kínáló hatékonyságot érjünk el elektromosan, sok tényezőnek kell összedolgoznia, mégis kiemelkedik a termikus menedzsment kérdése.

A mai villanymotorok már átlagosan 25 ezer fordulat/percen üzemelnek, míg mindössze 10 évvel ezelőtt csak 15 ezer volt a megszokott, és minden hajtáselemen egyre csak nő a terhelés, ahogyan a fejlődés halad előre. Ezt a folyamatos hatékonyságbeli javulást köszönhetjük a jobb konstrukcióknak és alapanyagoknak, valamint a jobb alkatrészek közötti integrációnak, mégis az egyik főhős a hőmérsékletek jobb megzabolázása.
Miért számít a hőmenedzsment?

A hőmérséklet tulajdonképpen egy anyag részecskéi közötti átlagos mozgási energia mértékét, a részecskék sebességét reprezentálja. Az elektromos alkatrészek, mint vezetékek esetében ez azt jelenti, hogy a részecskéik jobban rezegnek a hőmérséklet növekedésével, ami által a részecskék az elektromos áramot alkotó szabad elektronokkal nagyobb eséllyel ütköznek, ezért megnő az ellenállás, rontva például a villanymotor hatásfokát.

Hiába tartalmaznak jóval kevesebb mozgó alkatrészt, mint a belső égésű motorok, az elektromos járművek villanymotorjai jelentős hőt termelnek működés közben. Ez betudható a belső elektromos ellenállásoknak, örvényáramoknak és mechanikai hőnek egyaránt, és mivel a hőterheléssel romlik a hatásfok, ugyanakkora munka elvégzéséhez nagyobb teljesítmény kell, könnyen egy öngerjesztő, hatékonyságot romboló spirálba kerülhetnek a villanymotorok.

Ha a legalapvetőbben közelítünk a kérdéshez, egy zárt rendszerben elvesztett hőenergia pazarlás, mert az az energia más formában, máshol még hasznos lehetne, például az autó sokszor grammra kiszámított hatótávjának növelésére. Éppen ezért olyan fontos a hőmenedzsment, mint a hatékonyságnövelés egyik fő eszközének folyamatos fejlesztése.

Általában ahhoz, hogy megmaradjon a jó hatásfok és a hosszú élettartam, a mérnökök 185 Celsius-foknál alacsonyabban próbálják tartani a villanymotorok hőmérsékletét, amit közvetlen vagy közvetett hűtéssel érnek el.
Közvetett hűtés

A közvetett módon történő hűtés során a hűtőközeg közvetlenül nem érintkezik a villanymotorral vagy más hőforrással, hanem egy leválasztott, zárt rendszerben közlekedik, és egy hőcserélőn keresztül adja le a felesleges hőenergiát. Ilyen elven működik a belső égésű motorok hűtése is.

Az elektromos járművekben is a közvetett hűtés volt az előnyben részesített megoldás, építve a több évtizednyi tudásra, amit a belső égésű motorokkal halmozott fel az ipar. Egy jellemző közvetett hűtési konfiguráció egy víztér kialakítása a villanymotor állórészében (sztátor), amelyben glikoltartalmú hűtőfolyadék kering, passzívan hűtve a réztekercseket, megvédve őket a túlmelegedéstől. Ez egy egyszerű, megbízható és költséghatékony módja a hűtésnek, de a passzív mivolta azt is jelenti, hogy nem tudja követni teljesítményével a kiugró hőmérsékleteket. Nagyobb problémát jelent viszont, hogy a forgórészt (rotor) és a többi mozgó alkatrészt értelemszerűen nem lehet ilyen módon hűteni.

Mindez azt eredményezte, hogy sokkal nagyobb hangsúly került az új, közvetlen hűtési módszerek fejlesztésére az elektromos járművek számára, főleg a nagyteljesítményű hajtásláncokra fókuszálva.
Közvetlen hűtés

Az elnevezés kevés magyarázatra szorul, ebben az esetben közvetlenül érintkezik a hűtőközeg a hűtendő alkatrészekkel. Mivel a víz vezeti az elektromos áramot, olajalapú folyadékkal kell dolgozni a villanymotor komponensein. A közvetlen hűtés jelentős előnye, hogy a forgó-mozgó alkatrészeket és a motor házának belsejét is el tudja érni, valamint szabályozható a hűtés teljesítménye a hőterhelés függvényében, például egy emelkedőn felfelé haladva.

A közvetlen hűtésnek is vannak fajtái, egyesek aktív autóipari használatban, mások még fejlesztés alatt. Létezik például olyan megoldás, ahol precízen és egyenletesen hűtőfolyadékot permeteznek a villanymotor tekercseinek tetejére. Ahelyett, hogy a forgórész olajban futna, és ezzel megnőne a mechanikai ellenállás az egységen, csak minimális mennyiségű, de célzott és hatékony hűtőközeg-ellátást kap a motor ezen része. A hátrány az, hogy nagyobb nyomású olajszivattyúra van szükség a megfelelő sugár kialakításához.

Egy másik módszer a centrifugális hűtés, melynek keretében a forgórész tengelyén helyeznek el fúvókákat, amelyekből olaj spriccel ki, amikor a tengely forog. Amikor a rotor normál, teljes sebességgel forog, ezzel a módszerrel egyenletesen lehet hűteni annak belsejét, kiváló eredményeket elérve, alacsony sebességnél viszont nem látja el teljesen a funkcióját, és még valamennyi mechanikai ellenállást is képez a motorban.

A kulcsmondat a villanymotor belsejének hűtése, és mivel erre a közvetett módszer nem képes, a közvetlen hűtési módok fejlesztése jelentősen megugrott. Ez az irány jelzi az e-járművek szektorának általános érését is, mivel a belső égésű motoroktól átvett közvetett hűtési technológiával kezd szakítani, és a célnak jobban megfelelőekkel áll elő. A részegységek és alkatrészek, mint például az olajpumpák további kicsinyítésével és integrálásával még vonzóbb lehet a közvetlen hűtés, a nagy, közvetlen hűtőkörök elhagyásával pedig könnyebb, nagyobb teljesítményű és megfizethetőbb hajtásláncok megjelenése várható.
Modellezés és digitalizáció

A hűtési módszerek villámgyors fejlesztése mellett az elektromos járművek hőmenedzsmentjének világában a technológiát a jobb termikus hatékonyságú járműarchitektúrák tervezéséhez is felhasználják. A mesterséges intelligencia (MI) és egyéb digitális technológiák rendkívül hasznos elemei a mérnöki eszköztáraknak, jelentősen felgyorsítják a rendszerek tesztelését és fejlesztését.

Az egyik legjobb módszer a strukturális, termikus és áramlástani teljesítmény matematikai modellezésére a végeselem-módszert (VEM) használó eszközök bevetése. Az MI-forradalommal olcsóbbá és hatékonyabbá váló számítási kapacitások segítségével a mérnököknek egyszerűbb dolguk van, mint valaha, amikor az elektromosjármű-komponensek termikusan optimális elhelyezéséről és konfigurációjáról van szó.

Az MI segítségével tovább gyorsítható a fejlesztési és tesztelési folyamat. Ahelyett, hogy manuálisan kéne elemezni az adott ügyfél számára legoptimálisabb opciókat, az MI percek vagy másodpercek alatt megbízhatóan összeállítja a legjobb konfigurációt az igények alapján. A technológia a tervezőknek, a folyamatokban részt vevő mérnököknek és az ügyfeleknek is segít modellezni és megérteni, mire is van szükségük az adott elvárások alapján, és az esetleges hátrányokkal is segít megbirkózni, amik a különböző közvetlen és közvetett hűtési technikákkal járnak együtt – olvasható az SAE International írásában.

Forrás: autopro.hu/Fotó: Bosch Media Service US