NEV Powertrain Thermal Mgmt: Aluminiowe płytowo-żebrowe wymienniki ciepła

Werdykt: Technologia aluminiowych płyt i żeberek zapewnia nowoczesne chłodzenie NEV

Dążąc do maksymalizacji zasięgu, gęstości mocy i niezawodności, nowe zespoły napędowe pojazdów energetycznych nie mogą sobie pozwolić na kompromisy termiczne. Aluminiowe płytowo-żebrowe wymienniki ciepła stały się inżynieryjnym szkieletem tych wysiłków, ponieważ zapewniają wyjątkową równowagę wysokie współczynniki przenikania ciepła (do 5000 W/m²K po stronie powietrza) z redukcja masy ciała o 30–40%. w porównaniu z tradycyjnymi konstrukcjami z miedzi i mosiądzu lub żebrami rurowymi. Ich konstrukcja z lutowanego aluminium zapewnia cienkie żebra, dużą gęstość powierzchniową i konstrukcje w pełni nadające się do recyklingu, bezpośrednio wspierając agresywne cele w zakresie efektywności energetycznej i zmniejszania masy pojazdów elektrycznych akumulatorowych, hybrydowych typu plug-in i ogniw paliwowych. W tym artykule zbadano powody techniczne, produkcyjne i systemowe, dla których aluminiowe wymienniki ciepła z płytami żebrowymi są preferowanym rozwiązaniem, poparte danymi dotyczącymi wydajności i wzorcami integracji w świecie rzeczywistym.

Wyzwania termiczne charakterystyczne dla układów napędowych NEV

Układy napędowe NEV wytwarzają ciepło przez wiele komponentów – akumulatory, silniki elektryczne, falowniki, przetwornice DC-DC i ładowarki pokładowe – często w ciasno upakowanych przestrzeniach pod maską lub podwoziem deskorolki. W przeciwieństwie do silników spalinowych, które mogą sobie pozwolić na wyższe temperatury płynu chłodzącego i mają duże powierzchnie chłodnicy z przodu, pojazdy NEV muszą utrzymywać półprzewodniki i ogniwa litowo-jonowe w wąskich przedziałach temperatur. Na przykład wiele ogniw akumulatorowych o dużej gęstości energii wymaga maksymalnej temperatury roboczej poniżej 45°C , podczas gdy złącza energoelektroniki muszą znajdować się znacznie poniżej 175°C . Wymaga to kompaktowych wymienników ciepła, które poradzą sobie z wieloma pętlami cieczy (woda-glikol, czynnik chłodniczy, olej dielektryczny) przy niskim spadku ciśnienia i wysokiej efektywności, czyli dokładnie w trybie, w którym wyróżniają się geometrie płytowo-żebrowe.

Ciasne opakowanie i wymagania dotyczące wielu obwodów

Typowy pojazd elektryczny z akumulatorem 400 V lub 800 V może zawierać połączony obwód chłodzenia silnika, falownika i akumulatora, często z pętlą agregatu chłodniczego do klimatyzacji kabiny. Płytowo-żebrowe wymienniki ciepła można zaprojektować jako wieloprzebiegowe jednostki wielopłynowe w ramach jednego lutowanego rdzenia, dzięki czemu pojedynczy element może obsługiwać trzy różne strumienie płynu jednocześnie. Zmniejsza to liczbę punktów połączeń, potencjalnych ścieżek wycieków i przestrzeni montażowej w porównaniu do klastra dyskretnych jednostek płaszczowo-rurowych lub żeberek rurowych.

Dlaczego aluminiowa geometria płytkowo-żebrowa przewyższa alternatywy

Architektura płytowo-żebrowa składa się z płaskich arkuszy oddzielających oddzielonych falistymi żebrami, a całość jest lutowana w monolityczny blok. Tworzy to gęstość powierzchniową pierwotnej powierzchni wymiany ciepła wynoszącą 800–1500 m²/m³ , nawet dziesięciokrotnie większa niż w przypadku konwencjonalnego wymiennika płaszczowo-rurowego. Stopy aluminium z serii 3xxx (np. 3003, z okładziną lutowaną 4004 lub 4045) charakteryzują się doskonałą przewodnością cieplną (ok. 160 W/m·K ), odporność na korozję przy odpowiednim składzie chłodziwa i wysoka ciągliwość przy tłoczeniu skomplikowanych wzorów żeberek. Żaluzjowe lub przesunięte żebra paskowe dodatkowo przerywają warstwy graniczne, radykalnie zwiększając współczynnik po stronie powietrza lub oleju.

Dane potwierdzają, że aluminiowe rdzenie płytowo-żebrowe osiągają wiodący w swojej klasie stosunek gęstości przenikania ciepła do masy, przy jednoczesnym zachowaniu parytetu kosztów lub przewadze dzięki zautomatyzowanemu lutowaniu twardemu i minimalnemu zużyciu materiału. Konstrukcje mikrokanałowe mogą nieznacznie przewyższać żeberka płytowe pod względem czysto objętościowym, ale ich większy spadek ciśnienia po stronie powietrza często wymaga większych wentylatorów i większej mocy pasożytniczej, co pogarsza wydajność systemu netto w pojeździe.

Bezpośredni wpływ na zarządzanie temperaturą akumulatora

Zapobieganie niekontrolowanej utracie ciepła i zachowanie żywotności akumulatora zależy od równomiernego odprowadzania ciepła. Aluminiowe płyty chłodzące z żebrami, zintegrowane z podstawami modułów lub pomiędzy układami ogniw, zapewniają równomierność temperatury wewnątrz ±2°C w poprzek opakowania, jeśli został zaprojektowany ze zoptymalizowaną gęstością żeber i rozkładem przepływu. Ten poziom izotermii może wydłużyć żywotność cyklu nawet o 20% w porównaniu z mniej jednolitymi strategiami chłodzenia, jak wynika z testów przyspieszonego starzenia przeprowadzonych na ogniwach pryzmatycznych NMC. Płyty chłodzące z żebrami płytowymi, wykorzystujące podziałkę żeberek 1,0–1,5 mm i ścieżki mikrokanałowe, obsługują również chłodzenie zanurzeniowe płynem dielektrycznym przy minimalnym oporze cieplnym poniżej 0,05 K/W .

• Niska bezwładność cieplna wynikająca z masy aluminiowej umożliwia szybkie schładzanie podczas szybkiego ładowania, pomagając utrzymać szczytową moc ładowania powyżej 250 kW przez dłuższy czas.
• Kompatybilność z niepalnymi płynami dielektrycznymi o niskiej przewodności zmniejsza ryzyko zwarcia bez utraty przenoszenia ciepła.
• Konstrukcja z lutowanego aluminium eliminuje uszczelki, zmniejszając ryzyko wycieku płynu chłodzącego do komory akumulatora wysokiego napięcia.

Integracja chłodzenia silnika i elektroniki mocy

Elektryczne jednostki napędowe łączą silnik, skrzynię biegów i falownik w jedną obudowę, co wymaga wspólnego interfejsu termicznego. Aluminiowe chłodnice oleju z żebrami płytowymi zintegrowane z obudową silnika lub zewnętrzne pętle obejściowe odprowadzają ciepło zarówno z uzwojeń stojana, jak i łożysk wirnika. Zastosowanie konstrukcji płytowo-żebrowej o średnicach hydraulicznych 2–4 mm po stronie oleju pojedyncza kompaktowa jednostka może odrzucić 8 kW ciepła, utrzymując temperaturę wylotową oleju poniżej 85°C w wysokowydajnym zespole napędowym o mocy 200 kW. W przypadku modułów mocy bezpośrednio łączone aluminiowe płyty bazowe z wewnętrznymi kanałami w płycie i żebrach zmniejszają opór cieplny złącza do chłodziwa do poniżej 0,15 K/W , umożliwiając stosowanie tańszych krzemowych IGBT poprzez utrzymywanie temperatur złączy poniżej 150°C nawet przy szczytowym obciążeniu.

Równoważenie spadku ciśnienia i mocy pompy

Krytycznym wyborem projektowym jest gęstość żeber w zależności od spadku ciśnienia. Po stronie cieczy typowa płyta chłodząca akumulatora płytowo-żebrowego z 12 żeberek na cal (FPI) powoduje spadek ciśnienia chłodziwa o około 15 kPa przy przepływie 10 l/min, utrzymując pasożytniczy pobór pompy elektrycznej poniżej 50 W . Ta niska kara pozwala pojazdowi skierować więcej energii akumulatora na przyczepność. Dostosowanie ząbkowania żeberek i długości przesunięcia może zmniejszyć spadek ciśnienia o kolejne 20% bez uszczerbku dla wymiany ciepła, a elastyczność geometrii żeberek nie może się równać.

Korzyści z produkcji, kosztów i zrównoważonego rozwoju

Proces jednoetapowego lutowania próżniowego stosowany w przypadku aluminiowych rdzeni z płytkami i żebrami jest z natury skalowalny, a nowoczesne linie produkują ponad 500 000 sztuk rocznie na piec. Zużycie materiału przekracza 95% , ponieważ skrawki płetw są bezpośrednio poddawane recyklingowi w celu uzyskania nowego arkusza. Typowa płyta chłodząca akumulatora EV wykonana z aluminium platerowanego 3003/4045 może zapewnić całkowity koszt produkcji poniżej 25 dolarów za sztukę objętościowo, znacznie niższa niż równoważna wydajność jednostki miedziano-mosiężnej. Brak pozostałości topnika i minimalne czyszczenie po lutowaniu również zmniejszają wpływ na środowisko, co jest zgodne z celami w zakresie redukcji śladu węglowego w całym cyklu życia.

1. Tłoczenie żeberek, blach dzielących i prętów bocznych z zwojów aluminium platerowanego.
2. Układanie i mocowanie z precyzyjną kontrolą szczeliny dla wysokości płetwy.
3. Lutowanie próżniowe w temperaturze ~600°C, tworzące wiązania metalurgiczne w każdym punkcie styku.
4. Testowanie szczelności i spadku ciśnienia, a następnie integracja z modułami chłodzącymi.

Integracja na poziomie systemu i gotowość na przyszłość

Platformy NEV nowej generacji konsolidują pętle termiczne w zintegrowane systemy zarządzania ciepłem (ITMS) z wykorzystaniem architektur pomp ciepła. Aluminiowe płytowo-żebrowe wymienniki ciepła służą jako wewnętrzne skraplacze, parowniki i zewnętrzne pompy ciepła ze względu na ich zdolność do pracy z czynnikami chłodniczymi o niskim współczynniku GWP, takimi jak R-1234yf i R-290. Ich sztywność konstrukcyjna i odporność na korozję umożliwiają bezpośredni montaż w modułach czołowych bez ciężkich wsporników. Stosując agregaty chłodnicze z żebrami płytowymi, które łączą obieg czynnika chłodniczego i chłodziwa, pojazd może odzyskać do 2,5 kW ciepła odpadowego z układu napędowego do ogrzewania kabiny w zimne dni, zwiększając zasięg w zimie o 10–15% zgodnie z symulacjami systemowymi. Ta wszechstronność sprawia, że ​​aluminiowa architektura płytowo-żebrowa jest nie tylko elementem termicznym, ale strategicznym czynnikiem umożliwiającym optymalizację zużycia energii w całym pojeździe.