Vergeleken met luchtkoeling is een efficiënt koelsysteem cruciaal voor het garanderen van batterijprestaties en veiligheid bij de ontwikkeling van EV-voertuigen. De koude plaat staat bekend als een kernkoelcomponent binnen het thermische beheersysteem en speelt een cruciale rol in het koelsysteem van het EV-voertuig. Dit artikel gaat in op het verbeteren van de thermische geleidbaarheid van koude platen door middel van ontwerpoptimalisatie, waarbij strategieën worden onderzocht zoals het optimaliseren van de lay-out en het aantal koelkanalen, het selecteren van materialen met een hoge thermische geleidbaarheid, het toepassen van geavanceerde oppervlaktebehandelingstechnologieën, het optimaliseren van thermische interfacematerialen (TIM), en met behulp van simulatie en modelanalyse voor voorspellende optimalisatie. Deze benaderingen verhogen de koelefficiëntie van nieuwe energievoertuigen en verlengen de levensduur van de batterij, waardoor de voertuigveiligheid en betrouwbaarheid worden vergroot. De gedetailleerde verkenning van deze strategieën biedt diepgaande technische inzichten in het ontwerpen en optimaliseren van koelsystemen voor EV-voertuigen.
Deel 1: Sleuteltechnologieën van vloeistofkoelplaten voor warmteafvoer
Deel 1 A: Ontwerpoptimalisatie via meerdere kanalen
Optimalisatie van kanaalindeling
In de zoektocht naar verbeterde thermische beheersystemen in EV-voertuigen is het optimaliseren van de lay-out van koelkanalen in koellichamen of vloeistofkoelplaten een cruciale strategie. De indeling van de koelkanalen heeft een directe invloed op het thermische geleidingspad en heeft vervolgens invloed op de thermische weerstand en de algehele efficiëntie van de warmtewisseling van het koelsysteem. Van de verschillende kanaalgeometrieën (recht, spiraalvormig en vertakt) biedt elk unieke voordelen en overwegingen in termen van warmteverdeling, productiecomplexiteit en vloeistofdynamica-gedrag.
- Rechte kanaalkoude platen:
Met zijn eenvoudige ontwerp en productiegemak wordt de rechte kanaalindeling veel gebruikt. Deze lay-out biedt een direct koelpad, waardoor de koelvloeistof snel door het batterijpakket kan stromen, waardoor het geschikt is voor batterijpakketten die een uniforme warmteafvoer vereisen en relatief lage thermische belastingen hebben. In nieuwe energievoertuigen is de rechte kanaalindeling bijzonder geschikt voor compacte en eenvoudige batterijpakketten, zoals die in kleine elektrische voertuigen of hybride auto's, waar efficiënte warmteafvoer nodig is, maar de ruimte en de kosten beperkt zijn.
De Chevrolet Volt, geclassificeerd als Plug-in Hybrid Electric Vehicle (PHEV), is bijvoorbeeld het batterijpakketontwerp van de Chevrolet Volt dat een efficiënt koelmechanisme bevat om de batterij in optimale conditie te houden. Het koelsysteem kan gebruik maken van rechte kanalen om het koelproces te vereenvoudigen en de ruimtebezetting te minimaliseren om de thermische prestaties te verbeteren.
-Spiraalkanalen Koude platen:
Spiraalvormige kanalen verbeteren de efficiëntie van de thermische uitwisseling door het stroompad van het koelmiddel te verlengen en de contacttijd tussen de vloeistof en de kanaalwanden te vergroten. Dit ontwerp is bijzonder geschikt voor toepassingen met hoge thermische belastingen of toepassingen die een efficiënte thermische geleiding vereisen. Bijvoorbeeld,spiraalvormige kanaalkoudeplatenbereiken ook een meer uniforme warmteoverdracht, waardoor de hoge warmtebelasting voor de warmteafvoer van EV-voertuigen wordt verminderd. Dit ontwerp kan echter leiden tot een hogere stromingsweerstand, waardoor sterkere pompen nodig zijn om de stroming op peil te houden. Daarom is de keuze voor spiraalkanalen geschikt als het systeem een hoger energieverbruik kan verdragen en hoge eisen stelt aan de koelefficiëntie.
-Vertakte kanaalkoude platen:
De lay-out van de vloeistofkoelplaten met vertakt kanaal verdeelt het hoofdkanaal in meerdere takken, waardoor het koelmiddel gelijkmatiger over verschillende delen van de accupakketten kan worden verdeeld. Dit ontwerp is geschikt voor accupakketten met onregelmatige vormen of een ongelijkmatige verdeling van de warmtebelasting. Het optimaliseert de stroom van het koelmiddel en zorgt ervoor dat zelfs gebieden binnen de accupakketten met hogere warmtebelasting voldoende koeling krijgen. De vertakte kanaalindeling is toepasbaar voor toepassingen die een hoge uniformiteit in temperatuur vereisen, zoals in grote elektrische voertuigen en hoogwaardige elektrische sportwagens. Deze batterijpakketten hebben een nauwkeurige temperatuurregeling voor elke batterijcel nodig om optimale prestaties en veiligheid te garanderen.
De Porsche Taycan is bijvoorbeeld een krachtige elektrische sportwagen, bekend om zijn uitzonderlijke rijprestaties en snelle oplaadmogelijkheden. Om de prestaties van de batterij te behouden en de levensduur ervan te verlengen, kan de Taycan een complex koelsysteemontwerp gebruiken, inclusief een vertakte kanaalindeling, om een uniforme temperatuurverdeling binnen de batterijpakketten te bereiken.
Het belangrijkste voordeel van deze aanpak is dat de koelvloeistof wordt geïsoleerd van de accucellen/modules, waardoor een potentieel veiligheidsrisico wordt geëlimineerd. De module-indeling van de Taycan is verdeeld in bovenste en onderste lagen, dus het waterkoelingssysteem is ook verdeeld in bovenste en onderste lagen, in totaal 13 koeltakken. Elke koudeplatentak met buizen heeft twee parallelle waterkoelingspijpen met 10 parallelle stroomkanalen, en de afmeting van elk kanaal is 3 mm * 2 mm; de gehele koelpijp heeft een dikte van ongeveer 4 mm en een breedte van ongeveer 35 mm.
Kanaalgrootte en distributiestrategie
De keuze van de kanaalgrootte speelt een cruciale rol bij het ontwerp van vloeibare koelplaten voor EV-voertuigen en heeft ook invloed op de algehele prestaties van het secundaire koelsysteem. Zowel grote als kleine gaten in koude platen hebben hun toepassingen gebaseerd op de specifieke behoeften en het ontwerp van de EV-voertuigen.
-Grote kanaalkoude platen:
Koude platen met grote kanalen verwijzen naar platen met een grotere binnendiameter, variërend van 5 - 10 millimeter, die worden beschouwd als een effectieve keuze voor het verbeteren van de stroomprestaties van het vloeibare koelmiddel vanwege hun lage druk in de stroomsnelheid. Dit ontwerp maakt het gebruik van een pomp zonder hoog vermogen mogelijk, waardoor het energieverbruik van het systeem wordt verminderd. Grote kanaalindelingen zijn geschikt voor nieuwe energievoertuigen met een relatief uniforme verdeling van de warmtebelasting en hogere energie-efficiëntie-eisen. EV-voertuigen die bedoeld zijn voor woon-werkverkeer in de stad zouden bijvoorbeeld de voorkeur kunnen geven aan grote kanaalontwerpen om een redelijke koelefficiëntie te bereiken en een lager energieverbruik in de richting van elektronica met hoog vermogen.
In die EV-voertuigen waar de warmtebelasting relatief gelijkmatig verdeeld is en er een grote vraag is naar energie-efficiëntie, zijn koelplaten met groot kanaal bijzonder geschikt voor EV-componenten. Sommige stadsbussen hebben bijvoorbeeld de neiging om ontwerpen met grote kanalen te gebruiken om een redelijke koelefficiëntie en een lager energieverbruik te bereiken. Maar er is meer ruimte nodig bij gebruik van een vloeistofkoudeplaat met groot kanaal. Dit is de reden waarom we zelden een vloeibare koelplaat met groot kanaal zien in particuliere EV-voertuigen, omdat EV-auto's zich tijdens het ontwerp vaak meer richten op ruimtegebruik en de algehele compactheid van het voertuig om te voldoen aan de behoeften van consumenten op het gebied van rijervaring.
-Kleine kanalen koude platen:
In tegenstelling tot,kleine kanaalkoudeplaten(Ongeveer een diameter van ongeveer 5 millimeter) kan een hoog niveau van efficiëntie bieden bij het overbrengen van warmte voor krachtige EV-auto's en gewone particuliere EV-voertuigen, omdat ze het oppervlak tussen het koelmiddel en de kanaalwanden vergroten voor contact, waardoor de stroom wordt versneld snelheid van de interne koelvloeistof. Bovendien bieden koude platen met kleine kanalen meer stroompaden op hun montageoppervlak binnen een beperkte ruimte die kleine platen niet kunnen maken.
Daarnaast moeten ook de ideale oplossing, het debiet en de doelstellingen voor thermisch beheer in overweging worden genomen. Jij kanneem contact op met onze ingenieurvoor meer technisch advies.
Deel1 B: Materiaalkeuze en toepassing
-Selectie van geschikte materialen:
Het lijdt geen twijfel dat we bij het overwegen hebben gekozen voor een aluminium koude plaat en een koperen warmtepijp voor warmteafvoerwarmtegeleidingsvermogen van aluminium en koperen kosten. Vanaf februari 2024 bedraagt de prijs van koper per ton $7,600,00 samen met $3500-4000 aluminiumlegering. Het is dus een kosteneffectieve manier om aluminium te kopen in plaats van een koperlegering.
Bovendien is het volume ook het belangrijkste punt bij de productie van vloeibare EV-koudeplaten. Zoals geïllustreerd neemt 1 ton aluminiumlegering een aanzienlijk groter volume in dan een koperlegering vanwege de lagere dichtheid van aluminium, wat betekent dat aluminium een geschikt materiaal is om het bovenoppervlak te vervaardigen vanwege het lichte gewicht en koper om warmtepijpen te vervaardigen vanwege de goede thermische prestaties. We weten bijvoorbeeld dat de accupakketten van de Audi e-Tron 5 kg wegen en 700 kg van de lithiumbatterijpakketten, wat betekent dat de vloeistofkoelplaat slechts 0,7% van het totale gewicht in beslag nam. Maar als je de koperen koelplaat gebruikt, neemt deze ruim 2,5% van het totale gewicht in beslag (circa 7,5 kg).
-Relatie tussen thermische geleidbaarheidsprestaties en materiaaldikte:
De dikte van een materiaal beïnvloedt de efficiëntie van de warmtewisselaar. Dikke materialen kunnen resulteren in een verhoogde thermische weerstand, terwijl dunne materialen mechanisch niet sterk genoeg zijn en vervolgens ernstige problemen veroorzaken, zoals thermische penetratie.
De eerste grafiek laat zien dat het duidelijk is dat de mechanische sterkte van grafeen aanzienlijk hoger is dan die van aluminium en koper, en dat deze vrijwel niet verandert met de dikte. De mechanische sterkte van aluminium en koper neemt lichtjes toe naarmate de dikte toeneemt. De tweede grafiek toont de relatie tussen materiaaldikte en thermische weerstand. De thermische weerstand van grafeen is zeer laag en wordt vrijwel niet beïnvloed door de dikte, terwijl de thermische weerstand van aluminium en koper lineair toeneemt met een toename van de dikte.
De derde grafiek hieronder toont de combinatie van mechanische sterkte, materiaaldikte en thermische weerstand. We kunnen zien dat de {{0}}.08m aluminiumlegering de beste treksterkte en lage thermische weerstand (0,36 graden W) heeft.
Deel 2: Technologie voor thermisch beheer in vloeistofgekoelde koude platen
Deel 2 A: Technologieën voor oppervlaktebehandeling
-Deklaag:
Thermisch geleidende coatings zijn gespecialiseerde oppervlaktebehandelingen die zijn ontworpen om de efficiëntie van de warmtewisseling van waterkoelplaten te verbeteren. Deze coatings werken door de contactkwaliteit op het thermische grensvlak te verbeteren of de thermische stralingsmogelijkheden te verbeteren, waarbij doorgaans materialen met een hoge thermische geleidbaarheid zoals zilver, koper en aluminium worden gebruikt, evenals nanomaterialen zoals koolstofnanobuisjes (CNT's) en grafeen. Deze coatings verbeteren niet alleen de thermische efficiëntie, maar bieden ook een zekere mate van bescherming tegen corrosie en slijtage, waardoor de levensduur van de vloeistofkoelplaten wordt verlengd.
-Oppervlakverwerking:
Door de oppervlaktebehandeling van de waterkoelingsplaat kan het warmtewisselingsoppervlak worden vergroot, waardoor de efficiëntie van de warmteoverdracht wordt verbeterd. Deze methode verbetert de warmte-uitwisselingscapaciteit tussen de vloeistof en het oppervlak van de basisplaat door de oppervlakteruwheid te vergroten. Zoals op de afbeelding te zien is, kunnen we bijvoorbeeld de vloeistofkoelplaat buigen om ervoor te zorgen dat de koelvloeistof door elk deel van de batterij stroomt, waardoor de thermische prestaties van de koude platen worden verbeterd. Kaixin Aluminium is toegewijd aan het leveren van op maat gemaakte vloeistofkoelplaten en het bewerken van aluminium koellichamen als uw vereiste.
Kaixin Aluminium kan diverse oppervlaktebewerkingen voor uw aluminium koelplaat verzorgen, bijvoorbeeld CNC-bewerking, anodiseren, poedercoaten, buigen, enz... Of bekijk onze blog "een kosteneffectieve oplossing voor het op maat maken van aluminium koellichamen en vloeibare koude platen" om te leren hoe u geld kunt besparen bij de productie van aluminium koude platen en koellichamen.
Deel 2 B: Optimalisatie van thermisch interfacemateriaal (TIM):
-Selectie en toepassing van thermische interfacematerialen:
Thermal Interface Materials (TIM's) zijn stoffen die tussen twee oppervlakken worden gebruikt om de thermische geleiding te verbeteren. Ze worden gebruikt tussen twee oppervlakken om de thermische geleiding te verbeteren. Veel voorkomende typen TIM's zijn onder meer thermische pasta's, pads, tapes en vloeibare metalen, elk geschikt voor verschillende toepassingen op basis van hun thermische geleidbaarheid, gebruiksgemak en duurzaamheid.
Deel 2 C: Simulatie en modelanalyse-Toepassing van CFD- en thermische simulatiesoftware:
Het kan de thermische geleidbaarheidsefficiëntie van op maat gemaakte koude platen effectief voorspellen en optimaliseren door gebruik te maken van Computational Fluid Dynamics (CFD) en thermische simulatiesoftware, wat betekent dat de ontwerper het volledige koelsysteem kan analyseren, zoals de circulatie van het koelmiddel, de lay-out van warmte bronnen, koudebruggen of gebieden met een hoge thermische weerstand, waardoor een verbeterd ontwerp vóór massaproductie mogelijk is.
Wanneer u simulaties met CFD uitvoert, moet u gedetailleerde specificaties van uw koelsysteem verstrekken aan de Kaixin Aluminium-ingenieur. Dit omvat de geometrische gegevens van de waterkoelplaat en zijn componenten, materiaaleigenschappen (thermische geleidbaarheid, dichtheid, soortelijke warmte), randvoorwaarden (zoals inlaat- en uitlaattemperaturen en debiet) en warmteopwekkingsgegevens uit warmtebronnen. Bovendien kan het specificeren van uw specifieke doelen of prestatiecriteria voor de simulatie zeer nuttig zijn.Neem contact op met de technische ingenieurs van Kaixin Aluminiumen wij bieden u graag de ideale oplossing voor op maat gemaakte koelplaten.