Acqua

La gestione termica delle generazioni precedenti di veicoli elettrici (EV) con elevata densità di potenza richiede strategie di raffreddamento diretto in cui il fluido di raffreddamento è a diretto contatto con i punti caldi del motore elettrico. In un motore sincrono a magneti permanenti (PMSM), l'avvolgimento dell'estremità dello statore e i magneti del rotore generano una certa quantità di calore che non può essere adeguatamente raffreddata da un convenzionale raffreddamento con camicia ad acqua. Da qui lo sviluppo della tecnologia di raffreddamento diretto dell'olio in cui l'olio del cambio viene utilizzato come refrigerante per il motore elettrico. Questa nuova architettura di raffreddamento implementa generalmente un albero rotore cavo in cui scorre l'olio della trasmissione. Inoltre, i fori situati su entrambi i bordi dell'albero del rotore consentono all'olio della trasmissione di schizzare sugli avvolgimenti finali grazie alla forza centrifuga. Il sistema di raffreddamento diretto dell'olio migliora significativamente il trasferimento di calore.

Questo cambiamento non è stato motivato dal fatto che un olio per trasmissioni ha proprietà di raffreddamento superiori rispetto a un liquido di raffreddamento a base d’acqua. Al contrario, l’acqua è spesso un fluido di raffreddamento ideale grazie alla sua elevata conduttività termica (fattore quattro rispetto all’olio), elevata capacità termica (fattore due) e bassa viscosità. Tuttavia, si è ritenuto che l’applicazione dell’acqua fosse irrealizzabile per due ragioni principali. In primo luogo, il fluido di raffreddamento interagisce direttamente con i componenti elettrici, dove si verificano correnti e tensioni elettriche elevate. Si richiede quindi una conducibilità elettrica molto bassa, che viene vantaggiosamente raggiunta dagli oli lubrificanti. In secondo luogo, il fluido entra in contatto diretto con ingranaggi e cuscinetti, poiché dovrebbe avere qualità lubrificanti, il che offre un altro vantaggio agli oli lubrificanti rispetto all'acqua.

Tutti questi aspetti possono essere migliorati attraverso la formulazione chimica dell’acqua. Il nostro obiettivo era sviluppare un lubrificante innovativo a base d'acqua che possedesse buone proprietà lubrificanti pur mantenendo l'eccezionale proprietà di raffreddamento dell'acqua. Il nostro WBL è in grado di soddisfare tutti i requisiti di un unico fluido progettato per la lubrificazione e il raffreddamento dell'unità di azionamento elettrica (EDU). L'uso di un WBL può persino superare gli oli lubrificanti in molte caratteristiche, soprattutto in termini di impatto ambientale, il che apre le porte a una rivoluzione nei settori dei lubrificanti e dell'automobile.

TotalEnergies ha sviluppato un flusso di lavoro di simulazione per studiare il raffreddamento del motore elettrico. I diversi strumenti di simulazione illustrati in Fig. 1 ci consentono di affrontare la modellazione termica del motore elettrico in modo completo.

Articolando il flusso di lavoro, è stata selezionata una condizione operativa tipica di una mappa di efficienza di un motore elettrico: 6000 giri al minuto con una coppia di 90 Nm. Rappresenta un'auto che guida costantemente a 70 km/h. Sono stati confrontati due fluidi nell'ambito dell'architettura di raffreddamento a liquido diretto: un lubrificante di riferimento a base di olio e un lubrificante a base di acqua TotalEnergies. Il sistema di raffreddamento a liquido diretto comprende un albero cavo e quattro canali situati sulla parte anteriore e posteriore dell'albero, come mostrato in Fig. 2. Il liquido viene spruzzato sugli avvolgimenti terminali attraverso i quattro canali grazie alla forza centrifuga fornita dalla rotazione del rotore. La temperatura di ingresso del fluido è di 60°C e la portata è di 5 L/min.

Abbiamo utilizzato Particleworks, un software CFD meshless basato sulla simulazione di particelle in movimento (MPS). Il metodo MPS è stato originariamente proposto dal professor Koshizuka per fornire modellazione e simulazione flessibili per problemi complessi di confini mobili.1 Grazie alla sua caratteristica meshless, è particolarmente adatto a gestire geometrie complesse come gli avvolgimenti dei motori elettrici o parti mobili come il rotore.

I risultati mostrati nelle Fig. 3 e Fig. 4 confermano che il lubrificante a base d'acqua di TotalEnergies fornisce un migliore raffreddamento del motore elettrico. Dal -16% negli avvolgimenti al -58% nell'albero, è stata calcolata una significativa riduzione della temperatura per ciascuna parte del motore elettrico. Anche con un valore di viscosità molto basso, tali riduzioni di temperatura non sarebbero state ottenute con un lubrificante a base di olio. La capacità superiore di trasferimento del calore dell'acqua consente al WBL di TotalEnergies di raggiungere queste eccezionali prestazioni di raffreddamento. Il raffreddamento diretto con un WBL ha aperto la strada a un motore elettrico con densità di potenza più elevata e a una strategia di raffreddamento ottimizzata.