Im Vergleich zur Luftkühlung ist ein effizientes Kühlsystem entscheidend für die Gewährleistung der Batterieleistung und -sicherheit bei der Entwicklung von Elektrofahrzeugen. Die Kühlplatte ist als zentrale Kühlkomponente im Wärmemanagementsystem bekannt und spielt eine wichtige Rolle im Kühlsystem des Elektrofahrzeugs. Dieser Artikel befasst sich mit der Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit von Kühlplatten durch Designoptimierung. Dabei werden Strategien wie die Optimierung des Layouts und der Anzahl von Kühlkanälen, die Auswahl von Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit, die Anwendung fortschrittlicher Oberflächenbehandlungstechnologien und die Optimierung von thermischen Schnittstellenmaterialien (TIM) untersucht Verwendung von Simulation und Modellanalyse zur prädiktiven Optimierung. Diese Ansätze steigern die Kühleffizienz von New-Energy-Fahrzeugen und verlängern die Batterielebensdauer, wodurch die Fahrzeugsicherheit und -zuverlässigkeit erhöht wird. Die detaillierte Untersuchung dieser Strategien bietet tiefe technische Einblicke in die Gestaltung und Optimierung von Kühlsystemen für Elektrofahrzeuge.
Teil 1: Schlüsseltechnologien der Flüssigkeitskühlplatte zur Wärmeableitung
Teil 1 A: Mehrkanal-Designoptimierung
Optimierung des Kanallayouts
Bei der Suche nach verbesserten Wärmemanagementsystemen in Elektrofahrzeugen ist die Optimierung der Anordnung der Kühlkanäle innerhalb von Kühlkörpern oder Flüssigkeitskühlplatten eine entscheidende Strategie. Die Anordnung der Kühlkanäle hat direkten Einfluss auf den Wärmeleitungspfad und wirkt sich anschließend auf den Wärmewiderstand und die gesamte Wärmeaustauscheffizienz des Kühlsystems aus. Unter den verschiedenen Kanalgeometrien – gerade, spiralförmig und verzweigt – bietet jede einzelne einzigartige Vorteile und Überlegungen im Hinblick auf Wärmeverteilung, Herstellungskomplexität und Fluiddynamikverhalten.
-Kälteplatten mit geradem Kanal:
Aufgrund seines einfachen Designs und der einfachen Herstellung ist das gerade Kanallayout weit verbreitet. Dieses Layout bietet einen direkten Kühlpfad, der es der Kühlflüssigkeit ermöglicht, schnell durch das Batteriepaket zu strömen, wodurch es für Batteriepakete geeignet ist, die eine gleichmäßige Wärmeableitung erfordern und relativ geringe thermische Belastungen aufweisen. In Fahrzeugen mit neuer Energie eignet sich die gerade Kanalanordnung besonders gut für kompakte und einfache Batteriepakete, beispielsweise in kleinen Elektrofahrzeugen oder Hybridautos, bei denen eine effiziente Wärmeableitung erforderlich ist, aber Platz und Kosten begrenzt sind.
Beispielsweise ist der Chevrolet Volt als Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeug (PHEV) klassifiziert. Das Batteriepaketdesign des Chevrolet Volt verfügt über einen effizienten Kühlmechanismus, um die Batterie in ihrem optimalen Betriebszustand zu halten. Sein Kühlsystem kann gerade Kanäle verwenden, um den Kühlprozess zu vereinfachen und den Platzbedarf zu minimieren, um seine thermische Leistung zu verbessern.
-Spiralkanäle Kühlplatten:
Spiralkanäle verbessern die Effizienz des Wärmeaustauschs, indem sie den Strömungsweg des Kühlmittels verlängern und die Kontaktzeit zwischen der Flüssigkeit und den Kanalwänden erhöhen. Dieses Design eignet sich besonders für Anwendungen mit hohen thermischen Belastungen oder solchen, die eine effiziente Wärmeleitung erfordern. Zum Beispiel,Spiralkanal-KühlplattenAußerdem wird eine gleichmäßigere Wärmeübertragung erreicht, wodurch hohe Wärmelasten für die Wärmeableitung von Elektrofahrzeugen reduziert werden. Diese Konstruktion kann jedoch zu einem höheren Strömungswiderstand führen, sodass stärkere Pumpen erforderlich sind, um den Durchfluss aufrechtzuerhalten. Daher ist die Entscheidung für Spiralkanäle sinnvoll, wenn das System einen höheren Energieverbrauch verträgt und hohe Anforderungen an die Kühleffizienz stellt.
-Verzweigte Kanalkühlplatten:
Die Anordnung der Flüssigkeitskühlplatten mit verzweigten Kanälen unterteilt den Hauptkanal in mehrere Zweige, wodurch das Kühlmittel gleichmäßiger auf verschiedene Teile der Batteriepakete verteilt werden kann. Dieses Design eignet sich für Akkupacks mit unregelmäßigen Formen oder ungleichmäßiger Wärmelastverteilung. Es optimiert den Kühlmittelfluss und stellt sicher, dass auch Bereiche innerhalb der Batteriepakete mit höherer Wärmebelastung ausreichend gekühlt werden. Das verzweigte Kanallayout eignet sich für Anwendungen, die eine hohe Gleichmäßigkeit der Temperatur erfordern, beispielsweise in großen Elektrofahrzeugen und hochwertigen Elektrosportwagen. Diese Akkupacks benötigen eine präzise Temperaturkontrolle für jede Akkuzelle, um optimale Leistung und Sicherheit zu gewährleisten.
Der Porsche Taycan beispielsweise ist ein leistungsstarker Elektrosportwagen, der für seine außergewöhnliche Fahrleistung und Schnellladefähigkeit bekannt ist. Um die Batterieleistung aufrechtzuerhalten und ihre Lebensdauer zu verlängern, kann der Taycan ein komplexes Kühlsystemdesign verwenden, einschließlich einer verzweigten Kanalanordnung, um eine gleichmäßige Temperaturverteilung innerhalb der Batteriepakete zu erreichen.
Der größte Vorteil dieses Ansatzes besteht darin, dass er das Kühlmittel von den Batteriezellen/-modulen isoliert und so ein potenzielles Sicherheitsrisiko eliminiert. Der Modulaufbau des Taycan ist in Ober- und Unterschichten unterteilt, so dass auch sein Wasserkühlsystem in Ober- und Unterschichten unterteilt ist, was insgesamt 13 Kühlzweige ergibt. Jeder Kühlplattenzweig mit Rohren verfügt über zwei parallele Wasserkühlungsrohre mit 10 parallelen Strömungskanälen, und die Größe jedes Kanals beträgt 3 mm x 2 mm. Das gesamte Kühlrohr hat eine Dicke von etwa 4 mm und eine Breite von etwa 35 mm.
Kanalgröße und Vertriebsstrategie
Die Wahl der Kanalgröße spielt eine entscheidende Rolle bei der Gestaltung von Flüssigkeitskühlplatten für Elektrofahrzeuge und beeinflusst auch die Gesamtleistung des Sekundärkühlsystems. Sowohl große als auch kleine Löcher in der Kühlplatte finden je nach den spezifischen Anforderungen und dem Design der Elektrofahrzeuge Anwendung.
-Große Kanalkühlplatten:
Unter Kühlplatten mit großem Kanal versteht man solche mit einem größeren Innendurchmesser im Bereich von 5 - 10 Millimetern, die aufgrund ihres niedrigen Drucks in der Durchflussrate als wirksame Wahl zur Verbesserung der Fließleistung des flüssigen Kühlmittels gelten. Diese Konstruktion ermöglicht den Einsatz einer Pumpe ohne große Leistung und reduziert dadurch den Energieverbrauch des Systems. Große Kanallayouts eignen sich für New-Energy-Fahrzeuge mit relativ gleichmäßiger Wärmelastverteilung und höheren Energieeffizienzanforderungen. Beispielsweise bevorzugen Elektrofahrzeuge, die für den Stadtverkehr gedacht sind, möglicherweise große Kanaldesigns, um eine angemessene Kühleffizienz und einen geringeren Energieverbrauch für Hochleistungselektronik zu erreichen.
In Elektrofahrzeugen, bei denen die Wärmelast relativ gleichmäßig verteilt ist und ein hoher Bedarf an Energieeffizienz besteht, eignen sich Kühlplatten mit großen Kanälen besonders für Elektrofahrzeugkomponenten. Einige Stadtbusse verwenden beispielsweise tendenziell große Kanalkonstruktionen, um eine angemessene Kühleffizienz und einen geringeren Energieverbrauch zu erreichen. Bei Verwendung einer Flüssigkeitskühlplatte mit großem Kanal wird jedoch mehr Platz benötigt. Aus diesem Grund sehen wir in privaten Elektrofahrzeugen selten Flüssigkeitskühlplatten mit großen Kanälen, da bei der Konstruktion von Elektrofahrzeugen häufig mehr Wert auf die Raumnutzung und die Gesamtkompaktheit des Fahrzeugs gelegt wird, um den Bedürfnissen der Verbraucher nach Fahrerlebnis gerecht zu werden.
-Kühlplatten mit kleinen Kanälen:
Im Gegensatz,kleine Kanalkühlplatten(ungefähr ein Durchmesser von etwa 5 Millimetern) können ein hohes Maß an Effizienz bei der Wärmeübertragung für leistungsstarke Elektroautos und gewöhnliche private Elektrofahrzeuge bieten, da sie die Oberfläche zwischen dem Kühlmittel und den Kanalwänden für den Kontakt vergrößern und dadurch den Fluss beschleunigen Rate des inneren Kühlmittels. Darüber hinaus bieten Kühlplatten mit kleinen Kanälen auf ihrer Montagefläche mehr Strömungswege auf engstem Raum, was bei kleinen Platten nicht möglich ist.
Darüber hinaus müssen auch die ideale Lösung, die Durchflussrate und die Ziele des Wärmemanagements berücksichtigt werden. Du kannstKontaktieren Sie unseren Ingenieurfür weitere technische Beratung.
Teil 1 B: Materialauswahl und Anwendung
-Auswahl geeigneter Materialien:
Es besteht kein Zweifel, dass wir uns bei unserer Überlegung für eine Aluminium-Kühlplatte und ein Kupfer-Wärmerohr zur Wärmeableitung entschieden habenWärmeleitfähigkeit von Aluminium und Kupferund Kosten. Im Februar 2024 beträgt der Preis für Kupfer pro Tonne 7,600,00 $ zusammen mit $3500-4000 Aluminiumlegierung. Daher ist es eine kostengünstige Möglichkeit, Aluminium anstelle einer Kupferlegierung zu kaufen.
Darüber hinaus ist das Volumen auch der entscheidende Punkt für die Herstellung von EV-Flüssigkeitskühlplatten. Wie dargestellt, nimmt 1 Tonne Aluminiumlegierung aufgrund der geringeren Aluminiumdichte ein deutlich größeres Volumen ein als eine Kupferlegierung. Dies bedeutet, dass Aluminium aufgrund seines geringen Gewichts ein geeignetes Material für die Herstellung der oberen Oberfläche und Kupfer aufgrund seiner guten thermischen Leistung für die Herstellung von Wärmerohren geeignet ist. Wir wissen beispielsweise, dass die Batteriepakete des Audi e-Tron 5 kg und die Lithiumbatteriepakete 700 kg wiegen, was bedeutet, dass die Flüssigkeitskühlplatte nur 0,7 % des Gesamtgewichts ausmachte. Wenn Sie jedoch die Kupferkühlplatte verwenden, nimmt diese über 2,5 % des Gesamtgewichts ein (ungefähr 7,5 kg).
-Zusammenhang zwischen Wärmeleitfähigkeit und Materialstärke:
Die Dicke eines Materials beeinflusst die Effizienz des Wärmetauschers. Dicke Materialien können zu einem erhöhten Wärmewiderstand führen, während dünne Materialien möglicherweise nicht mechanisch stark genug sind und dann schwerwiegende Probleme wie thermisches Eindringen verursachen.
Die erste Grafik zeigt, dass die mechanische Festigkeit von Graphen deutlich höher ist als die von Aluminium und Kupfer und sich mit der Dicke nahezu nicht ändert. Die mechanische Festigkeit von Aluminium und Kupfer nimmt mit zunehmender Dicke leicht zu. Die zweite Grafik zeigt den Zusammenhang zwischen Materialstärke und Wärmewiderstand. Der Wärmewiderstand von Graphen ist sehr gering und wird von der Dicke nahezu nicht beeinflusst, wohingegen der Wärmewiderstand von Aluminium und Kupfer mit zunehmender Dicke linear zunimmt.
Die dritte Grafik unten zeigt die Kombination aus mechanischer Festigkeit, Materialstärke und thermischer Beständigkeit. Wir können sehen, dass die {{0}}.08m-Aluminiumlegierung die beste Zugfestigkeit und einen geringen thermischen Widerstand (0,36 Grad W) aufweist.
Teil 2: Wärmemanagementtechnologie in flüssigkeitsgekühlten Kühlplatten
Teil 2 A: Oberflächenbehandlungstechnologien
-Oberflächenbeschichtung:
Wärmeleitende Beschichtungen sind spezielle Oberflächenbehandlungen, die die Wärmeaustauscheffizienz von Wasserkühlplatten verbessern sollen. Diese Beschichtungen wirken, indem sie die Kontaktqualität an der Wärmeschnittstelle verbessern oder die Wärmeabstrahlungsfähigkeiten verbessern. Dabei werden typischerweise Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit wie Silber, Kupfer und Aluminium sowie Nanomaterialien wie Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) und Graphen verwendet. Diese Beschichtungen verbessern nicht nur die thermische Effizienz, sondern bieten auch einen gewissen Schutz vor Korrosion und Verschleiß und verlängern so die Lebensdauer der Flüssigkeitskühlplatten.
-Oberflächenbearbeitung:
Durch die Oberflächenbearbeitung der Wasserkühlplatte kann die Wärmeaustauschfläche vergrößert und dadurch die Wärmeübertragungseffizienz verbessert werden. Dieses Verfahren erhöht die Wärmeaustauschkapazität zwischen der Flüssigkeit und der Oberfläche der Grundplatte durch Erhöhung der Oberflächenrauheit. Wie im Bild gezeigt, können wir beispielsweise die Flüssigkeitskühlplatte biegen, um sicherzustellen, dass das Kühlmittel durch jeden Teil der Batterie fließt, wodurch die Wärmeleistung der Kühlplatten verbessert wird. Kaixin Aluminium widmet sich der Bereitstellung kundenspezifischer Flüssigkeitskühlplatten und der Bearbeitung von Aluminium-Kühlkörpern nach Ihren Anforderungen.
Kaixin Aluminium kann verschiedene Oberflächenbearbeitungen für Ihre Aluminium-Kühlplatte anbieten, zum Beispiel CNC-Bearbeitung, Eloxieren, Pulverbeschichten, Biegen usw. Oder schauen Sie sich bitte unseren Blog an.eine kostengünstige Lösung für die individuelle Anpassung von Aluminium-Kühlkörpern und Flüssigkeitskühlplatten" Erfahren Sie, wie Sie bei der Herstellung von Kühlplatten und Kühlkörpern aus Aluminium Geld sparen können.
Teil 2 B: Optimierung des thermischen Schnittstellenmaterials (TIM):
-Auswahl und Anwendung von thermischen Schnittstellenmaterialien:
Thermal Interface Materials (TIMs) sind Substanzen, die zwischen zwei Oberflächen eingesetzt werden, um die Wärmeleitung zu verbessern. Sie werden zwischen zwei Oberflächen eingesetzt, um die Wärmeleitung zu verbessern. Zu den gängigen Arten von TIMs gehören Wärmeleitpasten, Pads, Bänder und Flüssigmetalle, die sich aufgrund ihrer Wärmeleitfähigkeit, einfachen Anwendung und Haltbarkeit jeweils für unterschiedliche Anwendungen eignen.
Teil 2 C: Simulation und Modellanalyse-Anwendung von CFD- und thermischer Simulationssoftware:
Mithilfe von Computational Fluid Dynamics (CFD) und thermischer Simulationssoftware kann die Wärmeleitfähigkeitseffizienz kundenspezifischer Kühlplatten effektiv vorhergesagt und optimiert werden. Dies bedeutet, dass der Designer das gesamte Kühlsystem analysieren kann, z. B. die Zirkulation des Kühlmittels und die Wärmeverteilung Quellen, Wärmebrücken oder Bereiche mit hohem Wärmewiderstand, was ein verbessertes Design vor der Massenproduktion ermöglicht.
Wenn Sie Simulationen mit CFD durchführen, müssen Sie dem Kaixin Aluminium-Ingenieur detaillierte Spezifikationen Ihres Kühlsystems zur Verfügung stellen. Dazu gehören die Geometriedaten der Wasserkühlplatte und ihrer Komponenten, Materialeigenschaften (Wärmeleitfähigkeit, Dichte, spezifische Wärme), Randbedingungen (wie Ein- und Austrittstemperaturen und Durchflussrate) sowie Daten zur Wärmeerzeugung aus Wärmequellen. Darüber hinaus kann es von großem Nutzen sein, Ihre spezifischen Ziele oder Leistungskriterien für die Simulation anzugeben.Kontaktieren Sie die technischen Ingenieure von Kaixin Aluminiumund wir freuen uns, Ihnen die ideale Lösung für kundenspezifische Kühlplatten anbieten zu können.