Wczesne trendy na rynku zarządzania temperaturą w pojazdach elektrycznych koncentrowały się głównie wokół wdrażania aktywnego chłodzenia akumulatorów. Obecnie jest to standard branżowy. Jednak akumulatory, silniki i elektronika mocy w pojazdach elektrycznych nadal ewoluują. Zarządzanie temperaturą staje się więc jednym z kluczowych problemów.

IDTechEx opracowała raport analizujący rynek pojazdów elektrycznych oraz metody zarządzania temperaturą stosowane przez producentów OEM i ich dostawców. Uwzględniono w nim kluczowe trendy  technologiczne dotyczące metod stosowanych w akumulatorach, silnikach, elektronice mocy i zarządzaniu temperaturą w kabinie. Informacje te pochodzą z pierwotnych i wtórnych źródeł branży pojazdów elektrycznych. W badaniu wykorzystano również obszerną bazę danych IDTechEx obejmującą samochody elektryczne, w tym ponad 700 wariantów modeli wraz z danymi dotyczącymi sprzedaży w latach 2015…2024 oraz specyfikacjami technicznymi, takimi jak pojemność akumulatora, własności termiczne akumulatora, moc silnika, metody chłodzenia silnika i wiele innych. Podano udziały rynkowe dla istniejących metod zarządzania temperaturą (powietrze, olej, woda, immersja) i stosowanych płynów (mieszanka woda-glikol, olej, immersja) dla akumulatora, silnika i falownika w pojazdach elektrycznych, wraz z prognozami rynkowymi do 2036 roku.

Ewoluująca architektura termiczna i czynniki chłodnicze

Współdziałanie elementów układu napędowego i kabiny w zakresie zarządzania temperaturą ma kluczowe znaczenie. Rynek zmierza w kierunku większej integracji, wykorzystując pompy ciepła i zintegrowane moduły zarządzania temperaturą. Niektórzy producenci OEM przenoszą zarządzanie temperaturą i rozwój komponentów do swoich zakładów, aby poprawić ogólną wydajność systemu i skrócić łańcuch dostaw. W raporcie omówiono przykłady architektur termicznych pojazdów elektrycznych oraz najważniejsze zapowiedzi rynkowe dotyczące kluczowych komponentów zarządzania temperaturą (wysokonapięciowe podgrzewacze płynu chłodzącego, skraplacze, pompy, moduły zintegrowane itp.). Raport zawiera również przegląd kluczowych dostawców systemów termicznych poziomu pierwszego oraz ich wielkość.

Do działania pojazdów elektrycznych niezbędnych jest wiele płynów, w tym czynniki chłodnicze, oleje i mieszaniny wody z glikolem. Płyny te są ciągle modyfikowane, podążając za nowymi wymaganiami stawianymi pojazdom elektrycznym, takimi jak niższa przewodność elektryczna, odporność na korozję miedzi, także inne właściwości. Konieczny będzie wybór pomiędzy czynnikami chłodzącymi R134a, R1234yf, R744, R290 lub nowymi mieszankami alternatywnymi. W raporcie zawarto analizę pojemności chłodziwa i czynnika chłodniczego w pojazdach elektrycznych wraz z prognozami do 2036 r. dotyczącymi mieszaniny wody i glikolu, czynnika chłodniczego (podzielonego według typu), olejów i płynów immersyjnych.

Presja regulacyjna odsuwa branżę od R134a i R1234yf. Źródło: IDTechEx

Akumulator: ogniwo-pakiet, materiały termoprzewodzące, ochrona przeciwpożarowa i immersja

Dążenie do zwiększenia gęstości energii i obniżenia kosztów doprowadziło do powstania konstrukcji typu „cell-to-pack” lub „cell-to-body/chassis”. Konstrukcja typu „cell-to-pack” eliminuje obudowy modułów, umożliwiając bezpośrednie układanie ogniw w stosy. Projekty firm BYD, Tesla, CATL i innych trafiły już na drogi, a kolejne są w przygotowaniu. W raporcie IDTechEx rozważa, jak ten trend wpłynie na zarządzanie temperaturą.

Jedną z głównych zmian jest zastosowanie materiałów termoprzewodzących (TIM), co sprzyja stosowaniu klejów termoprzewodzących do tworzenia połączeń strukturalnych, a nie typowych wypełniaczy szczelin stosowanych w wielu istniejących projektach. W raporcie zawarto prognozę popytu na materiały termoprzewodzące (TIM) do akumulatorów pojazdów elektrycznych do 2036 roku pod względem masy i przychodów, w podziale na podkładki termoprzewodzące, wypełniacze szczelin i kleje termoprzewodzące.

Wielu dostawców materiałów dostosowuje swoje materiały pod kątem zapewnienia wielu funkcji, w tym ochrony przeciwpożarowej. Uzyskuje się ją bez znaczącego wpływu na gęstość energetyczną pakietu. Należą do nich materiały międzykomórkowe zapewniające kompresję, izolację termiczną i ochronę przeciwpożarową. W raporcie zawarto przegląd dostępnych materiałów wraz z prognozą do 2035 roku.

Chłodzenie zanurzeniowe (immersyjne) to temat, który wciąż cieszy się zainteresowaniem na rynku pojazdów elektrycznych, ze względu na większą jednorodność termiczną, która oferuje korzyści takie jak szybsze ładowanie i większe bezpieczeństwo. Technologia ta jest wciąż na wczesnym etapie komercjalizacji w branży motoryzacyjnej, ale zyskuje coraz większą popularność na rynkach pojazdów terenowych. W raporcie dokonano dogłębnej analizy technologii chłodzenia zanurzeniowego przez porównanie płynów i dostawców.

Silniki

Ważnym zagadnieniem w przypadku silników elektrycznych jest utrzymywane w optymalnym zakresie temperatur roboczych magnesów zastosowanych w wirniku i uzwojeniu stojana. Zastosowany w płaszczu wodnym silnika układ chłodzenia glikolem był standardową metodą zarządzania temperaturą silników elektrycznych w pojazdach elektrycznych. W ostatnich latach znacznie jednak wzrosło zastosowanie bezpośredniego chłodzenia olejowego silnika. Dzięki temu zapewniono lepszą wydajność cieplną, a w niektórych przypadkach możliwe jest wyeliminowanie płaszcza wodnego, zmniejszając tym samym całkowitą wielkość silnika. Chłodzenie olejowe stało się dominującą formą chłodzenia silników elektrycznych w pierwszej połowie 2022 roku, ale nie oznacza to, że płaszcze wodne zanikają. Często stosuje się je w połączeniu z chłodzeniem olejem, a płyn chłodniczy na bazie glikolu wodnego jest zazwyczaj stosowany do odprowadzania ciepła z oleju i może być zintegrowany ze strategią zarządzania temperaturą pojazdu jako całości. IDTechEx przedstawia prognozy na lata 2015…2036 dla silników elektrycznych, podzielonych ze względu na zastosowanie chłodzenia powietrzem, olejem lub glikolem wodnym.

Chłodzenie olejem stało się dominującą strategią zarządzania temperaturą silnika. Źródło: IDTechEx

Elektronika mocy

Wdrażanie SiC to najważniejszy trend w wiadomościach dotyczących elektroniki mocy pojazdów elektrycznych, co znajduje swoje uzasadnienie. Miało to wpływ na konstrukcję obudów elektroniki mocy. Trwają prace nad materiałami TIM, łączeniem przewodów, mocowaniem matryc i materiałami podłoża, głównie w celu poprawy niezawodności obudów. Raport zawiera analizę tych trendów i czynników przyspieszających wdrażanie tego rozwiązania.

Inwertery IGBT lub SiC MOSFET są chłodzone głównie za pomocą mieszaniny wody i glikolu. Stosowane są jednak zarówno jednostronne, jak i dwustronne opcje chłodzenia, z których każda ma swoje zalety. Wzrosło również zainteresowanie wykorzystaniem oleju do chłodzenia elektroniki mocy, aby wyeliminować znaczną część komponentów wodno-glikolowych w elektrycznym układzie napędowym, wykorzystując ten sam olej do silników i falownika. Chociaż obecnie na rynku nie przyjęto tego podejścia, IDTechEx dostrzega w nim potencjał i przedstawia 10-letnią prognozę dla inwerterów pojazdów elektrycznych z chłodzeniem powietrznym, wodnym lub olejowym.

Rozwój konstrukcji elektroniki mocy stwarza nowe możliwości w zakresie komponentów materiałowych. Źródło: IDTechEx

Źródło: IDTechEX