تبريد محرك السيارة الكهربائية 101: تبريد الزيت مقابل تبريد الماء لمحركات الجر - الاختيار والتكلفة

يحدد اختيار البنية المناسبة لتبريد محرك السيارة الكهربائية  ما إذا كان محرك الجر سيحافظ على ذروة عزم الدوران المستمر على المنحدرات الجبلية أو يعاني من انهيار العزل المتعرج بسبب الحمل الحراري الزائد. في حين أن سترات الجزء الثابت غير المباشرة من جليكول الماء تتعامل مع دورات العمل القياسية لسيارات الركاب بتكلفة معقولة، فإن السيارات الرياضية عالية الأداء والمركبات التجارية الثقيلة تتطلب تبريد زيت ناقل الحركة الأوتوماتيكي المباشر (ATF) لإزالة الحرارة مباشرة من اللفات النحاسية. ضمن لدينا سلسلة دليل هندسة الإدارة الحرارية للسيارات  ، تقارن هذه المقالة مسارات تبريد الزيت والماء، وطرق تصنيع المساكن، ومخاطر الختم، وعتبات كثافة الطاقة.

1. التحدي الحراري لمحرك الجر: اللفات الثابتة والطاقة المستمرة

يقوم محرك الجر الحديث للسيارة الكهربائية بتحويل الطاقة الكهربائية إلى عزم دوران ميكانيكي بأعلى كفاءة تزيد عن 95%. ومع ذلك، فإن ما تبقى من 3% إلى 7% من الفقد الكهربائي يظهر على شكل حرارة مهدرة مكثفة محاصرة داخل مكانين ضيقين: اللفات النحاسية للجزء الثابت وقلب الجزء المتحرك.

نظرًا لأن مهندسي مجموعة نقل الحركة يدفعون المحركات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم (PMSM) والمحركات الحثية إلى سرعات دوران أعلى (16000 إلى 22000 دورة في الدقيقة) ومعدلات عزم دوران مستمرة أعلى، فإن درجات حرارة النحاس المتعرجة تتجاوز بشكل روتيني 150 درجة مئوية إلى 180 درجة مئوية. إذا لم تتمكن الحرارة من الهروب من بطانات فتحة الجزء الثابت بالسرعة الكافية، فسيتحلل عزل الورنيش، وترتفع المقاومة الكهربائية، وتهدد إزالة المغناطيسية المغناطيس الدائم. تتطلب إدارة هذا الحاجز الحراري تكاملًا قويًا للإسكان عبر المنطقة TOP 30 من مكونات الإدارة الحرارية EV  المحددة في قائمة مكونات الصنف للمركبة.

1.1 عنق الزجاجة الحراري للجزء الثابت

في المحرك التقليدي غير المباشر الذي يتم تبريده بالماء، يجب أن تنتقل الحرارة المتولدة داخل مركز حزم الأسلاك النحاسية إلى الخارج من خلال طلاء المينا، وورق بطانة الفتحات، وصفائح الجزء الثابت من الحديد قبل أن تصل أخيرًا إلى غلاف التبريد الداخلي لغطاء الألومنيوم.

يخلق هذا الحاجز الصلب متعدد الطبقات مقاومة حرارية عالية. حتى عندما يتدفق جليكول الماء بنسبة 50/50 بسرعة عبر غلاف الغلاف الخارجي، يحدث انخفاض حاد في درجة الحرارة يتراوح بين 30 درجة مئوية إلى 50 درجة مئوية بين قلب الملف النحاسي الساخن وسائل التبريد. في حالة السحب المستمر أو السير على الطريق السريع، يجبر هذا الاختناق مصنعي المعدات الأصلية على تطبيق تخفيض عزم الدوران لحماية عزل الجزء الثابت.

1.2 ذروة الطاقة مقابل حدود الطاقة المستمرة

تستمر ذروة تسارع السيارة من 10 إلى 30 ثانية، حيث تمتص الكتلة الحرارية للجزء الثابت معظم الحرارة المتولدة. تتطلب القيادة المستمرة أو سحب المقطورة أو القيادة على المسار طردًا ثابتًا للحرارة حيث يساوي التوليد الداخلي إزالة السوائل.

· يعالج  التبريد غير المباشر بالماء والجليكول  ذروة عزم الدوران لفترات قصيرة ولكنه يحد من كثافة الطاقة المستمرة بسبب حاجز التوصيل الصلب في قلب الجزء الثابت؛ يعمل التبريد المباشر بالزيت  على إزالة هذا الحاجز عن طريق غسل السائل فوق اللفات النحاسية الفعلية.

·  قاعدة القرار 1:  تحديد التبريد المباشر للزيت عندما تتجاوز نسبة الطاقة المستمرة إلى الذروة للمحرك 0.65 أو عندما تتطلب متطلبات التحمل للقطر والمسار سرعات عالية مستدامة للعمود دون تخفيض الحرارة.

2. تبريد الزيت مقابل تبريد الماء: المبادئ واختلافات مسار الحرارة

يتطلب تقييم مسارات تبريد محرك الجر  مقارنة اثنين من ديناميكيات السوائل المتميزة وملامح التوافق الكيميائي.

2.1 سترات الجزء الثابت من جليكول الماء (التبريد غير المباشر)

يستخدم تبريد الجليكول المائي سترة مغلقة الحلقة مصبوبة أو مصنعة في المحيط الخارجي لغطاء المحرك المصنوع من الألومنيوم. لا يلمس سائل التبريد أجزاء المحرك الداخلية مطلقًا.

·  الإيجابيات:  يستخدم الحلقة الحرارية المركزية الموجودة في السيارة (مشتركة مع البطارية والعاكس)؛ صفر خطر حدوث ماس كهربائي متعرج؛ ختم خارجي بسيط على شكل O.

·  السلبيات:  مسار حراري أطول؛ مقاومة حرارية عالية عبر الصفائح الثابتة؛ انخفاض الحد الأقصى لكثافة تيار اللف المستمر.

2.2 زيت ناقل الحركة / رذاذ ATF والتبريد المجوف للدوار (التبريد المباشر)

يضخ تبريد الزيت المباشر سائل ناقل الحركة الأوتوماتيكي منخفض اللزوجة (ATF) مباشرة من خلال القنوات الداخلية داخل مبيت المحرك. يخرج السائل عبر فوهات رش دقيقة موجهة إلى اللفات الطرفية للجزء الثابت أو يغمر تجويف العضو الدوار من خلال عمود إدارة مجوف.

·  الإيجابيات:  يزيل حواجز التوصيل الصلبة عن طريق وضع السائل على اتصال مباشر بالنحاس. يزيل ما يصل إلى 4 أضعاف الحرارة لكل وحدة مساحة؛ يوفر المحمل الداخلي وتزييت التروس في وقت واحد.

·  السلبيات:  يتطلب مبادل حراري مخصص للزيت إلى الماء (مبرد)؛ يتطلب طلاء أسلاك المينا المتوافقة؛ يزيد من سحب السوائل (فقدان الرياح) بسرعات دوارة عالية جدًا تزيد عن 18,000 دورة في الدقيقة.

للحصول على منظور أوسع حول كيفية تأثير اختيار السوائل على إلكترونيات الطاقة والواجهات الحركية، قم بمراجعة التفاصيل الفنية الخاصة بنا تبريد السائل مقابل الهواء لإلكترونيات الطاقة EV.

3. تكامل السكن: سترات المياه الثابتة مقابل العبوات المباشرة المبردة بالزيت

تتغير الهندسة الفيزيائية لغطاء المحرك تمامًا اعتمادًا على ما إذا كنت تقوم بتوجيه جليكول الماء من خلال زعانف خارجية أو تحتوي على زيت ATF المتناثر.

3.1 تصميم سترة المياه الثابتة

عادةً ما يتم إنتاج غلاف المحرك المبرد بالماء على شكل صب أسطواني من الألومنيوم ذو جدران سميكة مع قنوات تبريد حلزونية أو محورية تعمل بين الغلاف الخارجي وتجويف الجزء الثابت الملائم للضغط.

نظرًا لأن تصنيع قنوات المياه الحلزونية الداخلية المعقدة يتطلب نوى رملية قابلة للطي في عمليات الصب التقليدية - أو تصميمات القشرة المنقسمة المختومة عن طريق اللحام - تعتمد الطبقة الأولى المتقدمة بشكل متزايد على صب القوالب عالي الضغط جنبًا إلى جنب مع اللحام بالتحريك الاحتكاكي (FSW)؛ استكشاف هندسة الإسكان الهيكلي على موقعنا الألواح الباردة والمبيتات المصبوبة . صفحة منتجات

3.2 تصميم مبيت وحوض محرك مبرد بالزيت

يجب أن يعمل غلاف المحرك المبرد بالزيت كقناة تبريد محكمة الضغط وحوض زيت ناقل الحركة المتكامل.

يتميز الغلاف بأحواض تنقيط داخلية، ومعارض لتجميع الزيت، ومنافذ ملولبة لفوهات الرش التي تغمر اللفات النحاسية الأمامية والخلفية. يعمل الجزء السفلي من الهيكل كخزان للسوائل مزود بسدادات تصريف مغناطيسية من النيوديميوم لاحتجاز جزيئات التآكل المجهرية من علبة التروس قبل سحب الزيت مرة أخرى من خلال مضخة خارجية ومبادل حراري من الزيت إلى سائل التبريد.

·  السترات المائية الثابتة غير المباشرة  مناسبة للمركبات الكهربائية القياسية للركاب وشاحنات التوصيل الحضرية التي تركز على تعقيد التصنيع المنخفض؛ تعد العلب المبردة بالزيت المباشر  أكثر ملاءمة للمحاور الإلكترونية عالية الأداء ثنائية المحرك والشاحنات التجارية الثقيلة التي تتطلب أقصى عزم دوران مستمر.

·  قاعدة القرار 2:  اختر سترات الجزء الثابت من جليكول الماء للمحركات ذات القدرة القصوى التي تقل عن 180 كيلو وات؛ الانتقال إلى تبريد زيت ATF المباشر للمحركات عالية الأداء التي تتجاوز 200 كيلووات أو 400 نيوتن متر من عزم الدوران المستمر.

4. المواد والتصنيع: صب الألومنيوم، وختم FSW، والواجهات النحاسية

يتطلب بناء مبيت تبريد محرك موثوق به مطابقة دقيقة للمعادن، وتفاوتات الضغط الميكانيكي، وعمليات الربط المانعة للتسرب.

4.1 سبائك الألومنيوم المبيتة: ADC12 مقابل 6061 مقابل 6063

تتحمل أغلفة المحرك قوى رد فعل عزم الدوران الميكانيكية الشديدة، والتدوير الحراري من -40 درجة مئوية إلى +140 درجة مئوية، والتعب الاهتزازي المستمر.

·  ADC12 وAlSi10Mg (الصب بالقالب عالي الضغط):  سيولة ممتازة لعلب المحركات المعقدة ذات الجدران الرقيقة مع أقواس تثبيت مدمجة وصنابير سائل التبريد. ومع ذلك، يجب التحكم بشكل صارم في مسامية الصب لمنع تسرب السوائل.

·  6061-T6 و6063-T6 (البثق والتصنيع باستخدام الحاسب الآلي):  موصلية حرارية فائقة (167 إلى 209 واط·م⁻¹·K⁻¹) وقوة الخضوع الهيكلية. تستخدم لأغطية المحرك المبثوقة عالية الأداء وسترات التبريد الآلية. للحصول على مقارنة معدنية كاملة بين جميع فئات السيارات العشرين، راجع دليلنا الخاص مواد الألومنيوم مقابل النحاس للسيارات.

4.2 إدارة تداخل الجزء الثابت اضغط على Fit

تتمثل إحدى خطوات التصنيع الحاسمة في تبريد المحرك في الضغط على الجزء الثابت من الحديد الرقائقي في تجويف غلاف الألومنيوم.

إذا كانت أداة الضغط فضفاضة للغاية، تتشكل فجوة هوائية بين القطر الخارجي للجزء الثابت والتجويف الداخلي للمبيت، مما يؤدي إلى تدمير التوصيل الحراري. إذا كان الضغط مناسبًا جدًا، فإن عدم تطابق التمدد الحراري أثناء التشغيل في درجات الحرارة المرتفعة يتسبب في تمدد غلاف الألومنيوم (CTE الأعلى) بعيدًا عن قلب الجزء الثابت الفولاذي (CTE السفلي)، مما يؤدي إلى إغلاق أو فتح فجوات التبريد بشكل غير متوقع.

يتحكم المصنعون في ذلك من خلال تصنيع تجاويف الإسكان الداخلية وفقًا لتفاوتات أسطوانية صارمة (درجة IT6/IT7) والتحقق من خشونة السطح واستدارته قبل تركيب الانكماش الحراري الآلي.

5. التكلفة وسلامة الختم والصيانة وتعقيد النظام

يجب على مديري المشتريات الذين يقومون بتقييم خيارات تبريد محرك السيارة الكهربائية  أن يزنوا تكلفة المكونات الأولية مقابل التغليف على مستوى السيارة ومخاطر الضمان.

5.1 مقارنة مكونات قائمة مكونات الصنف وتعقيد التصنيع

يقارن الجدول أدناه بين التبريد غير المباشر للمياه والتبريد المباشر بالزيت عبر المقاييس الاقتصادية والتشغيلية.

 

5.2 سلامة الختم ومخاطر انهيار العزل الكهربائي

الماء جليكول موصل للكهرباء. إذا فشل ختم الغلاف الداخلي داخل مبيت المحرك، فإن دخول سائل التبريد إلى ملفات الجزء الثابت يؤدي إلى حدوث دوائر قصيرة فورية وفشل دائم في العاكس.

يستخدم تبريد زيت ATF المباشر زيوت نقل عازلة اصطناعية متخصصة ذات جهد انهيار عازل عالي (> 35 كيلو فولت). حتى إذا تناثر الزيت عبر أجهزة الاستشعار الإلكترونية أو أسلاك التوصيل داخل تجويف المحرك، فسيتم التخلص فعليًا من خطر حدوث دائرة قصر، بشرط أن يتم الحفاظ على الزيت خاليًا من حطام تآكل الكربون الموصل من خلال الترشيح المغناطيسي المضمن.

6. قاعدة القرار: الاختيار حسب قوة المحرك والسرعة ودورة العمل

للتخلص من التخمين أثناء تجميد بنية منصة مجموعة نقل الحركة، قم بتطبيق الحدود الهندسية الخرسانية التالية:

·  اختر سترات Water-Glycol Stator  لسيارات الركاب، وسيارات الدفع الرباعي الحضرية، ومركبات الأسطول حيث تظل الطاقة المستمرة للمحرك أقل من 120 كيلووات، والسرعة القصوى أقل من 180 كم / ساعة، ويكون تحسين التكلفة أمرًا بالغ الأهمية.

·  اختر تبريد الزيت المباشر  للسيارات عالية الأداء، وسيارات السيدان الرياضية، وشبه الشاحنات الكهربائية حيث تتجاوز الطاقة المستمرة 150 كيلووات، وتتطلب الرحلات على الطرق السريعة أو سحب المقطورات عالية السرعة الاحتفاظ بعزم الدوران بنسبة 100% دون تخفيض الحرارة.

·  اختر التبريد الهجين (سترة مائية + رذاذ زيت عمود الدوار)  للمحاور الإلكترونية عالية الإنتاج حيث تتعامل سترات الجزء الثابت مع الحرارة المحيطة العامة بينما تعمل تغذية زيت العمود المجوف الداخلي على تبريد مغناطيس الدوار مباشرة ضد إزالة المغناطيسية.

نظرًا لأن متطلبات تبريد المحرك تختلف بشكل كبير عبر فئات المركبات، فإن الحصول على مصدر من شركة مصنعة ذات خبرة في كل من مصبوبات السترات المائية والمباني المغلقة بالزيت يمنع التحيز الهندسي. تأسست شركة Guangdong Winshare Thermal Technology Co., Ltd. في عام 2009 في دونغقوان، وتدير قاعدة تصنيع تبلغ مساحتها 60,000 متر مربع وتضم أكثر من 800 موظف وأكثر من 200 براءة اختراع بموجب أنظمة الجودة IATF 16949 وISO 9001 وISO 14001 وISO 45001. تحتوي على قوالب صب عالية الضغط، وتصنيع باستخدام الحاسب الآلي، والتقطيع الدقيق، واللحام بالتحريك الاحتكاكي، والنحاس الفراغي تحت سقف واحد - مع مصنع جديد في تشونبوري بتايلاند قيد الإنشاء - توفر Winshare أماكن تبريد متقدمة للمحركات وحلول حرارية لقادة العالم بما في ذلك BYD، وGeely، وChery، وXPeng، وLucid، وLi Auto، وSungrow، وDelta.

7. الاستنتاج

يتطلب إتقان تبريد محرك السيارة الكهربائية  مطابقة ملف الطاقة المستمر لسيارتك ودورة العمل مع مسار السوائل الصحيح ومسار تصنيع الهيكل:

·  اختر سترات الجزء الثابت من الجليكول المائي  لمركبات الركاب القياسية والمنصات الحساسة للتكلفة التي تقل قدرتها القصوى عن 150 كيلووات.

·  حدد تبريد زيت ATF المباشر  للمركبات الكهربائية عالية الأداء، والشاحنات التجارية الثقيلة، ومنصات القطر التي تتطلب عزم دوران مرتفعًا مستدامًا دون خفض الحرارة.

·  فرض بوابات جودة الإسكان الصارمة:  اطلب مراقبة الجودة IATF 16949، والصب بالقالب عالي الضغط بدون مسامية، وختم سترة FSW، واختبار التسرب بنسبة 100% للتخلص من مخاطر الضمان الميداني.

 

التعليمات

لماذا تستخدم المحركات الكهربائية عالية الأداء التبريد بالزيت بدلاً من التبريد المائي؟

يطبق تبريد الزيت السائل العازل مباشرة على اللفات النحاسية للعضو الثابت وداخل عمود الدوار، متجاوزًا كومة تصفيح الجزء الثابت العازلة بالكامل. يؤدي هذا الاتصال المباشر إلى خفض المقاومة الحرارية للملفات بنسبة تصل إلى 75%، مما يسمح للمحركات بالحفاظ على ضعف إنتاج الطاقة المستمر دون ارتفاع درجة حرارة عزل الملف.

هل يمكن استخدام مبرد الماء-جليكول بأمان داخل محرك كهربائي يتم تبريده بشكل مباشر؟

لا، الماء-جليكول موصل للكهرباء ويحتوي على الماء؛ إذا تسرب إلى اللفات الثابتة ذات الجهد العالي، فإنه يسبب دوائر قصيرة كارثية وفشل العاكس. يجب أن تستخدم أنظمة التبريد المباشرة زيوت نقل عازلة اصطناعية متخصصة (ATF) ذات جهد انهيار عازل عالي.

كيف يمكنك منع تسرب الزيت في مبيت المحرك الكهربائي المبرد بالزيت مباشرة؟

يتطلب منع تسرب الزيت دفاتر ختم عمود مصنوعة بدقة، وأختام عمود شعاعي من الفلوروكربون (FKM) ذات درجة الحرارة العالية، وخطوط تقسيم غلاف محكم الغلق على شكل حلقة O، واختبار مقاومة الهواء الجاف بنسبة 100% جنبًا إلى جنب مع فحص تسرب الهيليوم الآلي في غرفة التفريغ على كل صب مبيت قبل إدخال الجزء الثابت.

ما هو الانخفاض النموذجي في درجة الحرارة عبر ملف الجزء الثابت المبرد بالزيت مقابل التبريد المائي؟

في حين تعاني سترة الماء غير المباشرة من انخفاض في درجة الحرارة بمقدار 30 درجة مئوية إلى 50 درجة مئوية بين قلب الملف النحاسي وسائل التبريد بسبب الحواجز العازلة ذات الفتحات الصلبة، فإن رذاذ الزيت المباشر يقطع دلتا T الداخلية إلى 10 درجات مئوية إلى 15 درجة مئوية.

كيف تؤثر سرعة المحرك على تصميم تبريد الزيت المباشر؟

عند سرعات الدوار التي تزيد عن 18000 إلى 20000 دورة في الدقيقة، يؤدي تجمع الزيت المفرط داخل فجوة الهواء إلى حدوث سحب عالي للسوائل (فقدان الرياح) مما يقلل من كفاءة المحرك. تتطلب المحركات عالية السرعة المبردة بالزيت إدارة دقيقة لتدفق السوائل والتحقق الحراري، وحلقات مقلاع داخلية، ومعارض تصريف محسنة لتصريف الزيت المستهلك على الفور.

ما هي معايير الجودة التي يجب أن أطلبها عند شراء علب تبريد المحركات المصنوعة من الألومنيوم؟

تعمل المحركات تحت اهتزاز عزم الدوران عالي التردد المستمر والصدمة الحرارية. يجب أن يحمل الموردون شهادة IATF 16949 النشطة، وإجراء اختبار تسوس الضغط أو تسرب الهيليوم بنسبة 100% على سترات الغلاف، وتقديم تقارير فحص مسامية المسح الضوئي C أو الأشعة السينية بالموجات فوق الصوتية على المسبوكات عالية الضغط.