Sistema de refrigeración de vehículos eléctricos: clasificación y tendencias de desarrollo

Causas y peligros del calentamiento del motor EV

El motor EV como sistema de conversión de energía con campo multifísico y fuerte acoplamiento, la eficiencia de conversión no es 100%, en el proceso de conversión de energía eléctrica en energía mecánica, perderá parte de la energía, la mayor parte de esta energía perdida se convierte en calor y causa el calentamiento del motor.

Las pérdidas en el interior del motor se deben principalmente a la resistencia de la bobina del devanado, la reluctancia del material magnético y la fricción mecánica entre las piezas del motor, que incluye principalmente la pérdida de cobre del devanado, la pérdida de hierro del rotor fijo y la pérdida mecánica.

Entre las superficies de contacto de componentes clave como los bobinados del motor, los estatores y la carcasa existen materiales con una conductividad térmica muy baja, como la pintura aislante, el papel aislante y el aire, lo que aumenta la resistencia térmica de contacto entre varios componentes del motor y reduce enormemente la eficiencia de los componentes clave del sistema de refrigeración del VE.

Los elevados aumentos de temperatura en el interior del sistema de refrigeración del VE no sólo acortarán la vida útil del material aislante del interior del sistema de refrigeración del VE, sino que también reducirán la eficiencia de funcionamiento del motor, aumentarán el calor, harán que la temperatura del motor siga aumentando, formando un círculo vicioso, afectando gravemente a la vida útil del motor y a la seguridad del funcionamiento del motor, afectando así al rendimiento del vehículo eléctrico, incluido el vehículo con batería del motor de curricán o batería de la sonda de pesca.

Según las estadísticas, entre 30% y 40% de los fallos de los motores de imanes permanentes se deben a un aumento excesivo de la temperatura del motor, por lo que el uso de un sistema de refrigeración EV eficiente y el control del aumento de la temperatura del motor son la clave para el desarrollo de una alta eficiencia, una alta estabilidad y una alta fiabilidad del motor.

La clasificación de los sistemas de refrigeración de VE se muestra en la siguiente figura, que incluye principalmente cuatro tipos: refrigeración por aire, refrigeración por líquido, refrigeración por evaporación y sistema de refrigeración de VE mejorado con circuito térmico adicional.

Sistema de refrigeración por aire

El sistema de refrigeración por aire suele estar equipado con aletas en la superficie de la carcasa para aumentar el área de transferencia de calor y mejorar la eficacia de la disipación térmica. Tiene las ventajas de un proceso de fabricación sencillo, bajo coste y alta fiabilidad, y se ha utilizado ampliamente en el campo de la disipación de calor para motores de pequeña densidad de potencia, como los de vehículos con power wheels batería.

El sistema de refrigeración por aire puede dividirse en refrigeración por aire natural y refrigeración por aire forzado en función de si se utilizan dispositivos adicionales para mejorar el flujo de aire. La refrigeración por aire natural no requiere dispositivos de potencia adicionales, y solo conduce el intercambio de calor por convección natural entre la carcasa y el aire circundante.

La refrigeración por aire forzado suele utilizar un sistema de ventiladores para mejorar el intercambio de calor entre el sistema de refrigeración del VE y el aire exterior. El sistema de ventilador adicional mejora la eficiencia de disipación de calor del sistema de refrigeración del VE, pero también aumenta en cierta medida el consumo de energía y el ruido del sistema de refrigeración del VE.

Según la trayectoria del flujo de aire, el sistema de refrigeración por aire forzado puede dividirse en dos tipos: ventilación externa y ventilación interna. El sistema de refrigeración por ventilación externa impulsa el flujo de aire de refrigeración en la superficie exterior de la carcasa a través del ventilador para refrigerar el motor.

Y el flujo de aire impulsado por el ventilador entra por la entrada de aire, enfría los componentes del motor a lo largo del canal de flujo de aire dentro del sistema de refrigeración EV, y luego sale por la salida de aire.

Sistema de refrigeración líquida

El sistema de refrigeración líquida es un sistema de refrigeración EV en el que un canal de circulación sellado está dispuesto dentro de la carcasa del motor o en el interior del motor, y un dispositivo de circulación se utiliza para conducir el medio de refrigeración para circular en el canal de flujo para el intercambio de calor. Según el medio de refrigeración, el sistema de refrigeración líquida puede dividirse en dos categorías: sistema de refrigeración por agua y sistema de refrigeración por aceite.

Sistema de refrigeración por agua

El sistema de refrigeración por agua es un sistema de refrigeración EV común, establecido principalmente en el interior del canal de circulación de la carcasa, la estructura del canal de flujo tiene principalmente tres tipos de circular, espiral y axial, y una pequeña parte de la estructura del canal de flujo compuesto, su estructura se muestra a continuación.

El canal de refrigeración circunferencial tiene una gran capacidad de disipación de calor, el canal de refrigeración en espiral tiene una pequeña pérdida de presión, y el canal de refrigeración axial tiene un pequeño gradiente de temperatura axial, lo que es adecuado para motores con una gran longitud axial.

Los medios acuosos tienen las ventajas de no contaminar, bajo coste y alta capacidad calorífica másica y conductividad térmica, por lo que se han utilizado ampliamente. Para superar las desventajas del alto punto de congelación y el bajo punto de ebullición del medio acuoso, en el uso real se suele utilizar una solución mixta de agua y etilenglicol para reducir el punto de congelación y mejorar la adaptabilidad medioambiental del sistema de refrigeración por agua.

Además, el sistema de refrigeración por agua es propenso a formar incrustaciones y corroer la carcasa durante la circulación a largo plazo, por lo que es necesario añadir aditivos anticorrosión y antiespumantes en las aplicaciones prácticas.

Sistema de refrigeración por aceite
El medio aceitoso tiene buenas propiedades aislantes, puede fluir por el interior del motor, intercambiar calor directamente con los componentes generadores de calor, como los bobinados del motor y los estatores, y también puede circular por el canal de flujo del interior de la carcasa. Estos dos métodos de refrigeración por aceite son la refrigeración directa por aceite y la refrigeración indirecta por aceite. La refrigeración directa por aceite puede dividirse en dos tipos: por inmersión en aceite y por inyección de aceite.

La refrigeración por aceite sumergido consiste en sumergir el estator y el rotor del motor en el aceite refrigerante, lo que tiene un buen efecto refrigerante y puede reducir el ruido de funcionamiento del motor, pero la viscosidad del aceite es relativamente alta, lo que aumenta la pérdida de energía cuando gira el rotor del motor. La refrigeración por aceite de tipo inyección de aceite consigue una disipación eficaz del calor del motor rociando aceite refrigerante sobre la superficie interior de la carcasa y el extremo del estator.

El medio de refrigeración de la refrigeración directa por aceite, especialmente la refrigeración por aceite inyectado, está en contacto directo con los componentes generadores de calor dentro del motor, lo que puede reducir significativamente la resistencia térmica de disipación de calor de los componentes de alta generación de calor, como los devanados del motor y los estatores, y tiene una eficiencia de disipación de calor extremadamente alta.

El sistema de refrigeración por aceite requiere un estricto sistema de filtración para filtrar el medio aceitoso y evitar que las impurezas del aceite dañen la capa aislante del interior del motor. El coste del sistema de refrigeración por aceite es elevado, por lo que su ámbito de aplicación no es tan amplio como el del sistema de refrigeración por agua.

Sistema de refrigeración por evaporación

El sistema de refrigeración por evaporación utiliza el ciclo de cambio de fase del medio refrigerante de bajo punto de ebullición para conseguir una refrigeración eficaz del motor.

Cuando el medio refrigerante con bajo punto de ebullición y alto coeficiente de aislamiento está en contacto con las piezas generadoras de calor en el motor, el medio refrigerante absorbe una gran cantidad de calor y se vaporiza, y el medio refrigerante gaseoso se transforma en estado líquido cuando se enfría en el condensador, y el cambio de fase gas-líquido del medio refrigerante se utiliza para realizar la disipación eficiente del calor del motor.

Según la temperatura de ebullición del medio refrigerante, el enfriamiento evaporativo puede dividirse en enfriamiento evaporativo por refrigeración a baja temperatura y enfriamiento evaporativo por refrigeración a temperatura normal. Según la estructura del sistema de refrigeración, la refrigeración evaporativa puede dividirse en refrigeración por tubos y refrigeración por inmersión.

Tanto si el sistema de circulación utiliza una bomba de impulsión como si no, la refrigeración evaporativa se divide en dos categorías: refrigeración evaporativa de autocirculación y refrigeración evaporativa de circulación forzada.

El sistema de refrigeración evaporativa desarrollado independientemente por China tiene las ventajas de una alta eficacia de refrigeración, un bajo consumo de energía y una alta fiabilidad, y se ha utilizado ampliamente en equipos turbogeneradores de clase megavatio. En la actualidad, la tecnología de refrigeración evaporativa sigue teniendo problemas en la selección del nuevo medio de refrigeración, las características del flujo bifásico gas-líquido y el cálculo de la transferencia de calor.

Desde el punto de vista de la protección del medio ambiente, los medios tradicionales a base de freón no pueden seguir utilizándose, y todavía hay que desarrollar nuevos medios de refrigeración con buenas propiedades físicas, químicas y aislantes. El problema de la transferencia de calor del flujo bifásico gas-líquido carece de una teoría madura, y aún no se ha formado un método completo de cálculo del diseño.

Además, la estructura del sistema de refrigeración por evaporación es compleja, y no existen casos de aplicación de equipos de motor de nivel de kilovatios que utilicen la tecnología de refrigeración por evaporación. La dirección de desarrollo de la tecnología de refrigeración evaporativa es desarrollar un medio de refrigeración respetuoso con el medio ambiente, mejorar la teoría de cálculo de la transferencia de calor bifásica y simplificar y miniaturizar la estructura del sistema.

Sistema de refrigeración mejorado con recorrido térmico adicional

El sistema mejorado de disipación de calor de la vía de calor adicional es un esquema mejorado de disipación de calor del motor que establece una vía de calor adicional de alta eficiencia sobre la base de los sistemas originales de refrigeración por aire y refrigeración por líquido del sistema de refrigeración del VE para mejorar la eficiencia de disipación de calor del sistema de refrigeración del VE.

Debido a la limitación de los materiales de baja conductividad térmica, como la pintura aislante, el papel aislante y el aire en el interior del motor, el calor generado por los componentes de calentamiento clave en el interior del motor, especialmente los devanados finales, no se puede transferir rápidamente a la carcasa de refrigeración, causando una gran cantidad de calor que se acumula en las partes clave del motor , formando una zona de alta temperatura local.

La construcción de un circuito térmico adicional entre los componentes clave generadores de calor del motor y la carcasa de refrigeración puede transferir rápidamente el calor a la carcasa, resolviendo el problema de disipación del calor de los componentes de alto calentamiento dentro del sistema de refrigeración del VE.

Materiales aislantes
Los materiales con alta conductividad térmica y buenas propiedades aislantes, como la resina termoconductora, el pegamento termoconductor y la cerámica termoconductora, son materiales de uso común para construir circuitos térmicos adicionales de los motores. Además, se puede proporcionar una ruta de conducción de calor adicional dentro de la ranura del estator o del núcleo del estator para mejorar la eficiencia de disipación de calor del motor.

Tecnología de gestión térmica por cambio de fase
En los últimos años, la tecnología de gestión térmica por cambio de fase se ha desarrollado rápidamente y se ha utilizado ampliamente en dispositivos electrónicos de alto flujo térmico, como los LED de alta potencia, los transistores bipolares de puerta aislada (IGBT), los ordenadores portátiles y los teléfonos inteligentes. La tecnología de gestión del calor por cambio de fase incluye principalmente dos categorías: la tecnología de almacenamiento de calor por cambio de fase y la tecnología de transferencia de calor por cambio de fase.

La tecnología de almacenamiento térmico por cambio de fase utiliza el calor latente de cambio de fase de los materiales de cambio de fase para almacenar una gran cantidad de calor, lo que puede aliviar el choque térmico y suprimir el aumento de temperatura. La parafina es un material de almacenamiento de calor por cambio de fase muy utilizado. La tecnología de transferencia de calor por cambio de fase utiliza el ciclo de cambio de fase gas-líquido del fluido de trabajo para realizar una tecnología de transferencia de calor de alta eficiencia.

El tubo de calor es uno de los dispositivos de transferencia de calor por cambio de fase más utilizados y es uno de los sistemas de refrigeración de los vehículos eléctricos. Consta principalmente de tres partes: la carcasa, el núcleo que absorbe el líquido y el fluido de trabajo. La carcasa del tubo de calor está sellada y envasada al vacío.

El núcleo que absorbe el líquido está unido a la pared interior de la carcasa. La sustancia se vaporiza y absorbe una gran cantidad de calor cuando se calienta en la sección de evaporación, lo que hace que aumente la presión del gas en la sección de evaporación e impulsa al fluido de trabajo a desplazarse a la sección de condensación. Tras la condensación, el fluido de trabajo vuelve a la sección de evaporación impulsado por el núcleo de aspiración.

Principio de funcionamiento del tubo de calor
La aplicación de la tecnología de gestión térmica por cambio de fase al sistema de refrigeración del VE puede prolongar eficazmente el tiempo de funcionamiento estable del motor, contener el aumento de temperatura del motor y conseguir una disipación eficaz del calor del motor mediante la construcción de una vía térmica adicional por cambio de fase entre las piezas de alto calentamiento y la carcasa de refrigeración.

Las piezas de cambio de fase crean vías de calor adicionales
El esquema de disipación de calor que utiliza piezas de cambio de fase para construir una vía de calor adicional es una nueva idea para el desarrollo de la alta eficiencia del sistema de refrigeración de los VE. El elemento de transferencia de calor de cambio de fase tiene las ventajas de una alta conductividad térmica, un bajo precio y la ausencia de energía externa, lo que puede transferir rápidamente el calor acumulado por las piezas de calentamiento del motor al medio de refrigeración y mejorar la eficiencia de disipación de calor del motor.

En la actualidad, la mayor parte de la investigación sobre el esquema de disipación de calor del motor de cambio de fase mejorado consiste en estudiar su influencia en el rendimiento del aumento de temperatura del motor, y hay una falta de investigación sistemática sobre la distribución del campo magnético, la eficiencia y la fiabilidad del motor.

Tendencia de desarrollo del sistema de refrigeración de VE

La refrigeración por aire, la refrigeración por líquido, la refrigeración por evaporación y el sistema de refrigeración EV mejorado con una vía de calor adicional tienen todos sus propias ventajas y escenarios de aplicación. En función de factores como la potencia del motor, el coste de producción y el espacio de instalación, la selección de una solución de refrigeración adecuada es la clave para mejorar la densidad de potencia del motor y la eficiencia operativa, la fiabilidad y la resistencia a entornos extremos.

En términos generales, a medida que el motor se desarrolla en la dirección de la alta densidad de potencia, la alta integración y la alta fiabilidad, el sistema de refrigeración del VE también se desarrolla gradualmente en la dirección de la alta eficiencia, la alta fiabilidad y el peso ligero.

El sistema de disipación de calor por refrigeración por aire tiene las ventajas de una estructura sencilla, alta fiabilidad y bajo coste, y se utiliza principalmente en motores de baja potencia con bajo poder calorífico y requisitos de alta fiabilidad. El sistema de refrigeración por líquido es el método de disipación de calor más utilizado para motores de potencia media a alta, y tiene una alta eficiencia de disipación de calor.

Sin embargo, el sistema de refrigeración líquida requiere un sistema adicional de circulación del refrigerante, lo que aumenta el coste del sistema del motor y reduce la fiabilidad general del sistema. El sistema de refrigeración por evaporación es un medio eficaz para resolver la disipación de calor de las unidades generadoras de alta potencia a escala de megavatio, pero su compleja composición de sistema limita su aplicación en el campo de la disipación de calor de motores a escala de kilovatio.

La optimización de la estructura del sistema de refrigeración evaporativa y la mejora de su integración son las principales direcciones de desarrollo del sistema de refrigeración evaporativa.

Para mejorar la eficiencia de refrigeración de los sistemas de disipación de calor por aire y líquido, los investigadores han llevado a cabo una gran cantidad de exploración y optimización. El uso de materiales o dispositivos de cambio de fase para mejorar la eficiencia de refrigeración de los sistemas de disipación de calor de refrigeración por aire y refrigeración líquida es una idea nueva en el campo de la refrigeración de motores.

Utilizando la conductividad térmica extremadamente alta del dispositivo de cambio de fase, el calor de las principales piezas generadoras de calor del motor puede transferirse rápidamente a la carcasa para evitar la acumulación de calor en las piezas clave del motor, lo que constituye un medio eficaz y una nueva dirección para lograr la disipación eficiente del calor del motor.

En la actualidad, la mayor parte de la investigación sobre el esquema mejorado de disipación de calor de la trayectoria térmica adicional se centra en su efecto de supresión del aumento de temperatura del motor. Sólo se ha verificado el efecto de disipación de calor de este esquema, y falta un diseño e investigación sistemáticos desde la fase de diseño del motor. Cabe señalar que el campo de temperatura del motor está estrechamente relacionado con el campo electromagnético.

El aumento de temperatura del motor con el esquema de disipación de calor mejorado del circuito térmico adicional se reduce significativamente, y su eficiencia electromagnética debe mejorarse.

Al mismo tiempo, el excelente efecto de refrigeración del esquema de refrigeración mejorado del circuito térmico adicional puede, en teoría, permitir que el motor funcione de forma estable durante mucho tiempo en determinadas condiciones de sobrecarga y mejorar la densidad de potencia del motor.

Por lo tanto, la dirección principal de su desarrollo es estudiar sistemáticamente la influencia del esquema de disipación de calor mejorado del circuito térmico adicional en la supresión del aumento de temperatura, la distribución del campo magnético y la eficiencia de funcionamiento del motor, así como verificar y mejorar su fiabilidad e integración.

La eficiencia es la principal dirección de desarrollo del sistema de refrigeración de los VE, y el esquema mejorado de disipación de calor de la ruta de calor adicional es una nueva dirección para realizar el desarrollo del sistema de disipación de calor del motor a una alta eficiencia.

Basándose en la fase de diseño del motor, el desarrollo de una solución de disipación de calor integrada en un circuito térmico adicional de alta fiabilidad no sólo puede mejorar la eficacia de disipación de calor del motor y suprimir el aumento de temperatura, sino también mejorar la integración del sistema del motor, de modo que éste evolucione hacia una alta densidad de potencia, una alta integración y una alta fiabilidad.