Système de refroidissement des véhicules électriques - classification et tendances futures

Causes et dangers de l'échauffement du moteur d'un véhicule électrique

Le moteur du véhicule électrique est un système de conversion d'énergie avec un champ physique multiple et un couplage fort, l'efficacité de conversion n'est pas de 100%, dans le processus de conversion de l'énergie électrique en énergie mécanique, il perdra une partie de l'énergie, la plupart de cette énergie perdue est convertie en chaleur et provoque l'échauffement du moteur.

Les pertes à l'intérieur du moteur sont principalement dues à la résistance de la bobine d'enroulement, à la réluctance du matériau magnétique et au frottement mécanique entre les pièces du moteur, ce qui inclut principalement la perte de cuivre de l'enroulement, la perte de fer du rotor fixe et la perte mécanique.

Des matériaux à très faible conductivité thermique, tels que la peinture isolante, le papier isolant et l'air, existent entre les surfaces de contact des composants clés tels que les enroulements du moteur, les stators et la coque, ce qui augmente la résistance thermique de contact entre les différents composants du moteur et réduit considérablement l'efficacité des composants clés du système de refroidissement du véhicule électrique.

Les fortes hausses de température à l'intérieur du système de refroidissement du véhicule électrique ne réduisent pas seulement la durée de vie du matériau isolant à l'intérieur du système de refroidissement du véhicule électrique, mais réduisent également l'efficacité de fonctionnement du moteur, augmentent la chaleur, provoquent une nouvelle hausse de la température du moteur, formant un cercle vicieux, affectant sérieusement la durée de vie du moteur et la sécurité de son fonctionnement, affectant ainsi les performances du véhicule électrique, y compris du véhicule équipé d'un système de refroidissement du véhicule électrique. batterie du moteur de pêche à la traîne ou batterie pour détecteur de poissons.

Selon les statistiques, 30% à 40% des pannes de moteurs à aimant permanent sont dues à une augmentation excessive de la température du moteur. Par conséquent, l'utilisation d'un système de refroidissement EV efficace et le contrôle de l'augmentation de la température du moteur sont la clé du développement d'un moteur à haut rendement, à haute stabilité et à haute fiabilité.

La classification des systèmes de refroidissement des véhicules électriques est présentée dans la figure ci-dessous. Elle comprend principalement quatre types : le refroidissement par air, le refroidissement par liquide, le refroidissement par évaporation et le système de refroidissement des véhicules électriques amélioré par un circuit thermique supplémentaire.

Système de refroidissement par air

Le système de refroidissement par air est généralement équipé d'ailettes sur la surface du boîtier afin d'augmenter la surface de transfert de chaleur et d'améliorer l'efficacité de la dissipation thermique. Il présente les avantages d'un processus de fabrication simple, d'un faible coût et d'une grande fiabilité, et a été largement utilisé dans le domaine de la dissipation de la chaleur pour les moteurs de faible densité de puissance, tels que les véhicules à moteur à combustion interne. batterie power wheels.

Le système de refroidissement par air peut être divisé en deux catégories : le refroidissement par air naturel et le refroidissement par air forcé, en fonction de l'utilisation ou non de dispositifs supplémentaires pour améliorer le flux d'air. Le refroidissement par air naturel ne nécessite pas de dispositifs d'alimentation supplémentaires et conduit uniquement l'échange de chaleur par convection naturelle entre le boîtier et l'air environnant.

Le refroidissement par air forcé utilise généralement un système de ventilateur pour améliorer l'échange de chaleur entre le système de refroidissement du véhicule électrique et l'air extérieur. Le système de ventilation supplémentaire améliore l'efficacité de la dissipation de la chaleur du système de refroidissement du véhicule, mais augmente également la consommation d'énergie et le bruit du système de refroidissement du véhicule dans une certaine mesure.

En fonction de la trajectoire du flux d'air, le système de refroidissement par air forcé peut être divisé en deux types : la ventilation externe et la ventilation interne. Le système de refroidissement par ventilation externe entraîne le flux d'air de refroidissement sur la surface extérieure du boîtier par l'intermédiaire du ventilateur pour refroidir le moteur.

Le flux d'air entraîné par le ventilateur entre par l'entrée d'air, refroidit les composants du moteur le long du canal de circulation d'air à l'intérieur du système de refroidissement EV, puis sort par la sortie d'air.

Système de refroidissement liquide

Le système de refroidissement liquide est un système de refroidissement pour véhicules électriques dans lequel un canal de circulation étanche est placé à l'intérieur du carter du moteur ou à l'intérieur du moteur, et un dispositif de circulation est utilisé pour faire circuler le fluide de refroidissement dans le canal d'écoulement pour l'échange de chaleur. En fonction du fluide de refroidissement, le système de refroidissement liquide peut être divisé en deux catégories : le système de refroidissement à l'eau et le système de refroidissement à l'huile.

Système de refroidissement par eau

Le système de refroidissement à l'eau est un système de refroidissement EV courant, principalement situé à l'intérieur du canal de circulation du boîtier, la structure du canal d'écoulement comporte principalement trois types de canaux circulaires, en spirale et axiaux, ainsi qu'une petite partie de la structure du canal d'écoulement composé, dont la structure est illustrée ci-dessous.

Le canal de refroidissement circonférentiel a une forte capacité de dissipation de la chaleur, le canal de refroidissement en spirale a une faible perte de pression et le canal de refroidissement axial a un faible gradient de température axial, ce qui convient aux moteurs ayant une grande longueur axiale.

Les milieux aqueux présentent l'avantage de ne pas être polluants, d'être peu coûteux et d'avoir une capacité thermique massique et une conductivité thermique élevées, c'est pourquoi ils ont été largement utilisés. Afin de surmonter les inconvénients du point de congélation élevé et du point d'ébullition bas de l'eau, une solution mixte eau-éthylène glycol est souvent utilisée pour abaisser le point de congélation et améliorer l'adaptabilité environnementale du système de refroidissement à l'eau.

En outre, le système de refroidissement par eau est susceptible de s'entartrer et de corroder le boîtier lors d'une circulation à long terme. Il est donc nécessaire d'ajouter des additifs anticorrosion et antimousse dans les applications pratiques.

Système de refroidissement de l'huile
L'huile possède de bonnes propriétés d'isolation, peut circuler à l'intérieur du moteur, échanger directement de la chaleur avec les composants générateurs de chaleur tels que les enroulements du moteur et les stators, et peut également circuler dans le canal d'écoulement à l'intérieur du carter. Ces deux méthodes de refroidissement de l'huile sont le refroidissement direct de l'huile et le refroidissement indirect de l'huile. Le refroidissement direct de l'huile peut être divisé en deux types : le type à immersion d'huile et le type à injection d'huile.

Le refroidissement par immersion d'huile consiste à immerger le stator et le rotor du moteur dans l'huile de refroidissement, ce qui a un bon effet de refroidissement et peut réduire le bruit de fonctionnement du moteur, mais la viscosité de l'huile est relativement élevée, ce qui augmente la perte d'énergie lorsque le rotor du moteur tourne. Le refroidissement par injection d'huile permet de dissiper efficacement la chaleur du moteur en pulvérisant de l'huile de refroidissement sur la surface intérieure du carter et sur l'extrémité du stator.

Le fluide de refroidissement de l'huile directe, en particulier l'huile injectée, est en contact direct avec les composants générateurs de chaleur à l'intérieur du moteur, ce qui permet de réduire considérablement la résistance thermique de dissipation de la chaleur des composants générateurs de chaleur tels que les enroulements et les stators du moteur, et d'obtenir une efficacité de dissipation de la chaleur extrêmement élevée.

Le système de refroidissement à l'huile nécessite un système de filtration strict pour filtrer l'huile afin d'empêcher les impuretés de l'huile d'endommager la couche d'isolation à l'intérieur du moteur. Le coût du système de refroidissement à l'huile étant élevé, son champ d'application n'est pas aussi large que celui du système de refroidissement à l'eau.

Système de refroidissement par évaporation

Le système de refroidissement par évaporation utilise le cycle de changement de phase du fluide de refroidissement à bas point d'ébullition pour refroidir efficacement le moteur.

Lorsque le fluide de refroidissement ayant un point d'ébullition bas et un coefficient d'isolation élevé est en contact avec les pièces génératrices de chaleur du moteur, le fluide de refroidissement absorbe une grande quantité de chaleur et se vaporise, et le fluide de refroidissement gazeux est transformé en un état liquide lorsqu'il est refroidi dans le condenseur, et le changement de phase gaz-liquide du fluide de refroidissement est utilisé pour réaliser une dissipation efficace de la chaleur du moteur.

En fonction de la température d'ébullition du fluide de refroidissement, le refroidissement par évaporation peut être divisé en refroidissement par évaporation à basse température et en refroidissement par évaporation à température normale. Selon la structure du système de refroidissement, le refroidissement par évaporation peut être divisé en refroidissement par tube et refroidissement par immersion.

Que le système de circulation utilise ou non une pompe d'entraînement, le refroidissement par évaporation se divise en deux catégories : le refroidissement par évaporation à autocirculation et le refroidissement par évaporation à circulation forcée.

Le système de refroidissement par évaporation développé indépendamment par la Chine présente les avantages d'une grande efficacité de refroidissement, d'une faible consommation d'énergie et d'une grande fiabilité, et a été largement utilisé dans les équipements des turbogénérateurs de la classe des mégawatts. À l'heure actuelle, la technologie de refroidissement par évaporation rencontre encore des problèmes en ce qui concerne la sélection d'un nouveau fluide de refroidissement, les caractéristiques de l'écoulement biphasique gaz-liquide et le calcul du transfert de chaleur.

Du point de vue de la protection de l'environnement, les fluides traditionnels à base de fréon ne peuvent plus être utilisés, et de nouveaux fluides de refroidissement dotés de bonnes propriétés physiques, chimiques et isolantes doivent encore être mis au point. Le problème du transfert de chaleur de l'écoulement diphasique gaz-liquide n'a pas de théorie mûre, et une méthode complète de calcul de la conception n'a pas encore été élaborée.

En outre, la structure du système de refroidissement par évaporation est complexe, et il n'existe pas de cas d'application d'équipement moteur de niveau kilowatt utilisant la technologie de refroidissement par évaporation. L'orientation du développement de la technologie de refroidissement par évaporation consiste à mettre au point un moyen de refroidissement respectueux de l'environnement, à améliorer la théorie de calcul du transfert de chaleur en deux phases et à simplifier et miniaturiser la structure du système.

Système de refroidissement amélioré avec chemin de chaleur supplémentaire

Le système amélioré de dissipation de la chaleur du chemin de chaleur supplémentaire est un schéma amélioré de dissipation de la chaleur du moteur qui établit un chemin de chaleur supplémentaire à haut rendement sur la base des systèmes originaux de refroidissement par air et par liquide du système de refroidissement du véhicule électrique pour améliorer l'efficacité de la dissipation de la chaleur du système de refroidissement du véhicule électrique.

En raison de la limitation des matériaux à faible conductivité thermique tels que la peinture isolante, le papier isolant et l'air à l'intérieur du moteur, la chaleur générée par les principaux composants chauffants à l'intérieur du moteur, en particulier les enroulements finaux, ne peut pas être rapidement transférée à la coque de refroidissement, ce qui entraîne l'accumulation d'une grande quantité de chaleur dans les principales parties du moteur, formant ainsi une zone locale à haute température.

La construction d'un circuit thermique supplémentaire entre les principaux composants générateurs de chaleur du moteur et le boîtier de refroidissement permet de transférer rapidement la chaleur vers le boîtier, ce qui résout le problème de la dissipation de la chaleur des composants à forte chaleur à l'intérieur du système de refroidissement du véhicule électrique.

Matériaux d'isolation
Les matériaux présentant une conductivité thermique élevée et de bonnes propriétés d'isolation, tels que la résine thermoconductrice, la colle thermoconductrice et la céramique thermoconductrice, sont couramment utilisés pour construire des circuits thermiques supplémentaires dans les moteurs. En outre, un chemin de conduction thermique supplémentaire peut être prévu à l'intérieur de la fente du stator ou du noyau du stator pour améliorer l'efficacité de la dissipation thermique du moteur.

Technologie de gestion thermique à changement de phase
La technologie de gestion thermique à changement de phase comprend principalement deux catégories : la technologie de stockage de la chaleur à changement de phase et la technologie de transfert de la chaleur à changement de phase.

La technologie du stockage de chaleur à changement de phase utilise la chaleur latente des matériaux à changement de phase pour stocker une grande quantité de chaleur, ce qui permet d'atténuer les chocs thermiques et de supprimer l'augmentation de la température. La paraffine est un matériau de stockage de chaleur à changement de phase couramment utilisé. La technologie de transfert de chaleur à changement de phase utilise le cycle de changement de phase gaz-liquide du fluide de travail pour réaliser une technologie de transfert de chaleur à haute efficacité.

Le caloduc est l'un des dispositifs de transfert de chaleur à changement de phase les plus courants et il est largement utilisé comme l'un des systèmes de refroidissement des véhicules électriques. Il comprend principalement trois parties : l'enveloppe, le noyau absorbant les liquides et le fluide de travail. L'enveloppe du caloduc est scellée et mise sous vide.

Le noyau absorbant les liquides est fixé à la paroi intérieure de l'enveloppe. La substance est vaporisée et absorbe une grande quantité de chaleur lorsqu'elle est chauffée dans la section d'évaporation, ce qui entraîne une augmentation de la pression du gaz dans la section d'évaporation et pousse le fluide de travail à se déplacer vers la section de condensation. Après condensation, le fluide de travail liquide retourne dans la section d'évaporation sous l'effet du noyau d'aspiration.

Principe de fonctionnement du caloduc
L'application de la technologie de gestion thermique à changement de phase au système de refroidissement du véhicule électrique peut prolonger efficacement la durée de fonctionnement stable du moteur, limiter l'augmentation de la température du moteur et réaliser une dissipation thermique efficace du moteur en construisant un chemin thermique à changement de phase supplémentaire entre les parties à haute température et l'enveloppe de refroidissement.

Les pièces à changement de phase créent des chemins de chaleur supplémentaires
Le schéma de dissipation de la chaleur utilisant des éléments à changement de phase pour construire un chemin de chaleur supplémentaire est une nouvelle idée pour le développement d'un système de refroidissement à haute efficacité pour les véhicules électriques. L'élément de transfert de chaleur à changement de phase présente les avantages d'une conductivité thermique élevée, d'un prix peu élevé et d'une absence d'énergie externe, ce qui permet de transférer rapidement la chaleur accumulée par les pièces chauffantes du moteur vers le milieu de refroidissement et d'améliorer l'efficacité de la dissipation de la chaleur du moteur.

À l'heure actuelle, la plupart des recherches sur le schéma de dissipation thermique du moteur à changement de phase visent à étudier son influence sur les performances du moteur en matière d'élévation de température, et il n'existe pas de recherche systématique sur la distribution du champ magnétique, l'efficacité et la fiabilité du moteur.

Tendance de développement du système de refroidissement des véhicules électriques

Le refroidissement par air, le refroidissement par liquide, le refroidissement par évaporation et l'amélioration du système de refroidissement des véhicules électriques par un chemin de chaleur supplémentaire ont tous leurs propres avantages et scénarios d'application. En fonction de facteurs tels que la puissance du moteur, le coût de production et l'espace d'installation, le choix d'une solution de refroidissement appropriée est la clé de l'amélioration de la densité de puissance du moteur et de l'efficacité opérationnelle, de la fiabilité et de la résistance aux environnements extrêmes.

D'une manière générale, alors que le moteur évolue vers une densité de puissance, une intégration et une fiabilité élevées, le système de refroidissement des véhicules électriques évolue lui aussi progressivement vers une efficacité, une fiabilité et une légèreté accrues.

Le système de dissipation thermique par refroidissement par air présente les avantages d'une structure simple, d'une grande fiabilité et d'un faible coût. Il est principalement utilisé pour les moteurs de faible puissance ayant un faible pouvoir calorifique et des exigences élevées en matière de fiabilité. Le système de refroidissement par liquide est la méthode de dissipation thermique la plus couramment utilisée pour les moteurs de puissance moyenne à élevée, et présente une efficacité de dissipation thermique élevée.

Cependant, le système de refroidissement par liquide nécessite un système de circulation du liquide de refroidissement supplémentaire, ce qui augmente le coût du système de moteur et réduit la fiabilité globale du système. Le système de refroidissement par évaporation est un moyen efficace de résoudre le problème de la dissipation de la chaleur des groupes électrogènes de grande puissance à l'échelle du mégawatt, mais sa composition complexe limite son application dans le domaine de la dissipation de la chaleur des moteurs à l'échelle du kilowatt.

L'optimisation de la structure du système de refroidissement par évaporation et l'amélioration de son intégration sont les principaux axes de développement du système de refroidissement par évaporation.

Pour améliorer l'efficacité de refroidissement des systèmes de dissipation thermique à air et à liquide, les chercheurs ont effectué de nombreux travaux d'exploration et d'optimisation. L'utilisation de matériaux ou de dispositifs à changement de phase pour améliorer l'efficacité de refroidissement des systèmes de dissipation thermique à air et à liquide est une idée nouvelle dans le domaine du refroidissement des moteurs.

Grâce à la conductivité thermique extrêmement élevée du dispositif à changement de phase, la chaleur des principales parties du moteur générant de la chaleur peut être rapidement transférée vers le boîtier afin d'éviter l'accumulation de chaleur dans les parties clés du moteur, ce qui constitue un moyen efficace et une nouvelle orientation pour parvenir à une dissipation efficace de la chaleur du moteur.

À l'heure actuelle, la plupart des recherches sur le schéma de dissipation thermique améliorée du chemin de chaleur supplémentaire se concentrent sur son effet de suppression sur l'augmentation de la température du moteur. Seul l'effet de dissipation thermique de ce système a été vérifié, et il n'y a pas de conception et de recherche systématiques dès le stade de la conception du moteur. Il convient de noter que le champ de température du moteur est étroitement lié au champ électromagnétique.

L'augmentation de la température du moteur avec le schéma de dissipation thermique amélioré du circuit thermique supplémentaire est considérablement réduite, et son efficacité électromagnétique doit être améliorée.

Parallèlement, l'excellent effet de refroidissement du circuit thermique supplémentaire peut théoriquement permettre au moteur de fonctionner de manière stable pendant une longue période dans certaines conditions de surcharge et d'améliorer la densité de puissance du moteur.

Par conséquent, l'orientation principale de son développement est d'étudier systématiquement l'influence du circuit thermique supplémentaire sur la suppression de l'élévation de température, la distribution du champ magnétique et l'efficacité de fonctionnement du moteur, ainsi que de vérifier et d'améliorer sa fiabilité et son intégration.

L'efficacité est le principal axe de développement du système de refroidissement des véhicules électriques, et le schéma de dissipation thermique amélioré du chemin de chaleur supplémentaire est un nouvel axe pour réaliser le développement du système de dissipation thermique du moteur à haute efficacité.

Sur la base de l'étape de conception du moteur, le développement d'une solution de dissipation thermique intégrée à circuit thermique supplémentaire très fiable peut non seulement améliorer l'efficacité de la dissipation thermique du moteur et supprimer l'augmentation de la température, mais aussi améliorer l'intégration du système du moteur, de sorte que le moteur évoluera vers une haute densité de puissance, une haute intégration et une haute fiabilité.