У порівнянні з повітряним охолодженням, ефективна система охолодження має вирішальне значення для забезпечення продуктивності акумулятора та безпеки при розробці електромобілів. Холодна пластина, відома як основний охолоджуючий компонент у системі керування температурою, відіграє важливу роль у системі охолодження електромобіля. У цій статті йдеться про підвищення теплопровідності холодних пластин за допомогою оптимізації конструкції, яка досліджує такі стратегії, як оптимізація компонування та кількості каналів охолодження, вибір матеріалів з високою теплопровідністю, застосування передових технологій обробки поверхні, оптимізація матеріалів термоінтерфейсу (TIM) і використання моделювання та аналізу моделі для прогнозної оптимізації. Ці підходи підвищують ефективність охолодження транспортних засобів з новими джерелами енергії та продовжують термін служби батареї, підвищуючи безпеку та надійність автомобіля. Детальне вивчення цих стратегій пропонує глибоке технічне розуміння проектування та оптимізації систем охолодження для електромобілів.
Частина 1: Ключові технології пластини рідинного охолодження для розсіювання тепла
Частина 1 A: Оптимізація багатоканального дизайну
Оптимізація макета каналу
У пошуках вдосконалених систем управління температурою в автомобілях EV, оптимізація розташування каналів охолодження в радіаторах або пластинах рідинного охолодження є ключовою стратегією. Компонування каналів охолодження безпосередньо впливає на шлях теплопровідності, згодом впливаючи на тепловий опір і загальну ефективність теплообміну системи охолодження. Серед різних геометрій каналів — прямих, спіральних і розгалужених — кожен має унікальні переваги та міркування з точки зору розподілу тепла, складності виробництва та поведінки динаміки рідини.
-Прямі канальні холодні плити:
Завдяки простому дизайну та простоті виготовлення, макет прямого каналу широко використовується. Таке розташування забезпечує прямий шлях охолодження, дозволяючи охолоджуючій рідині швидко проходити через акумуляторний блок, що робить його придатним для акумуляторних блоків, які потребують рівномірного розсіювання тепла та мають відносно низькі теплові навантаження. У нових енерготранспортних засобах компонування з прямим каналом особливо добре підходить для компактних і простих акумуляторних блоків, наприклад, у невеликих електромобілях або гібридних автомобілях, де потрібне ефективне розсіювання тепла, але простір і вартість обмежені.
Наприклад, Chevrolet Volt, класифікований як Plug-in Hybrid Electric Vehicle (PHEV), — це конструкція акумуляторної батареї Chevrolet Volt, яка включає в себе ефективний механізм охолодження для підтримки батареї в оптимальному робочому стані. Його система охолодження може використовувати прямі канали для спрощення процесу охолодження та мінімізації зайнятості простору для покращення теплових характеристик.
-Спіральні канали холодних пластин:
Спіральні канали підвищують ефективність теплообміну, розширюючи шлях потоку теплоносія та збільшуючи час контакту між рідиною та стінками каналу. Ця конструкція особливо підходить для застосувань із високими тепловими навантаженнями або тих, що потребують ефективної теплопровідності. Наприклад,спіральні канальні холодні пластинитакож досягти більш рівномірного теплообміну, зменшуючи високі теплові навантаження для розсіювання тепла автомобіля EV. Однак така конструкція може призвести до більшого опору потоку, що потребує потужніших насосів для підтримки потоку. Тому вибір спіральних каналів є доцільним, коли система може витримати більш високе споживання енергії та має високі вимоги до ефективності охолодження.
-Холодні плити з розгалуженим каналом:
Компонування пластин рідинного охолодження з розгалуженим каналом ділить основний канал на кілька гілок, що дозволяє більш рівномірно розподіляти охолоджуючу рідину між різними частинами акумуляторних блоків. Ця конструкція підходить для акумуляторів неправильної форми або нерівномірного розподілу теплового навантаження. Він оптимізує потік охолоджуючої рідини, забезпечуючи адекватне охолодження навіть у ділянках батарейних блоків із високим тепловим навантаженням. Схема розгалуженого каналу застосовна для застосувань, які вимагають високої рівномірності температури, наприклад, у великих електромобілях і висококласних електричних спортивних автомобілях. Ці акумуляторні блоки потребують точного контролю температури для кожного акумуляторного елемента, щоб забезпечити оптимальну продуктивність і безпеку.
Наприклад, Porsche Taycan — це високопродуктивний електричний спортивний автомобіль, відомий своїми винятковими ходовими якостями та можливістю швидкої зарядки. Щоб підтримувати ефективність батареї та продовжити термін її служби, Taycan може використовувати складну конструкцію системи охолодження, включаючи розгалужену схему каналів, щоб досягти рівномірного розподілу температури всередині акумуляторних блоків.
Найсуттєвішою перевагою цього підходу є те, що він ізолює охолоджуючу рідину від елементів/модулів батареї, усуваючи потенційну загрозу безпеці. Компонування модуля Taycan поділено на верхній і нижній шари, тому його система водяного охолодження також розділена на верхній і нижній шари, що складається з 13 гілок охолодження. Кожна трубчаста гілка холодних пластин має дві паралельні труби водяного охолодження з 10 паралельними каналами потоку, а розмір кожного каналу становить 3 мм * 2 мм; вся труба охолодження має товщину приблизно 4 мм і ширину приблизно 35 мм.
Розмір каналу та стратегія розповсюдження
Вибір розміру каналу відіграє вирішальну роль у дизайні рідинних холодних пластин для електромобілів, також впливаючи на загальну продуктивність вторинної системи охолодження. Як великі, так і малі отвори в холодній пластині мають своє застосування в залежності від конкретних потреб і конструкції електромобілів.
-Великі канальні холодні плити:
Холодні пластини з великим каналом мають більший внутрішній діаметр від 5 - 10 міліметрів, які вважаються ефективним вибором для покращення продуктивності рідинного теплоносія через низький тиск у швидкості потоку. Така конструкція дозволяє використовувати насос без великої потужності, тим самим знижуючи енергоспоживання системи. Розташування великих каналів підходить для нових транспортних засобів із відносно рівномірним розподілом теплового навантаження та вищими вимогами до енергоефективності. Наприклад, електромобілі, призначені для поїздок по місту, можуть віддавати перевагу конструкціям з великими каналами для досягнення розумної ефективності охолодження та меншого споживання енергії в порівнянні з потужною електронікою.
У тих електромобілях, де теплове навантаження розподілене відносно рівномірно та є високий попит на енергоефективність, великоканальні холодні пластини особливо підходять для компонентів електромобілів. Наприклад, деякі міські автобуси, як правило, використовують великоканальні конструкції для досягнення розумної ефективності охолодження та меншого споживання енергії. Але при використанні пластини для охолодження рідини з великим каналом потрібно більше місця. Це причина, чому ми рідко бачимо пластину холодної рідини з великим каналом у приватних автомобілях EV, тому що EV-автомобілі часто більше зосереджуються на використанні простору та загальній компактності автомобіля під час проектування, щоб задовольнити потреби споживачів у водінні.
-Малі канали холодних плит:
У контрасті,невеликі канальні холодні пластини(Діаметр приблизно 5 міліметрів) може забезпечити високий рівень ефективності передачі тепла для високопродуктивних електромобілів і звичайних приватних електромобілів, оскільки вони збільшують площу поверхні між охолоджуючою рідиною та стінками каналу для контакту, тим самим прискорюючи потік швидкість внутрішнього теплоносія. Крім того, невеликі канальні холодні пластини забезпечують більше шляхів потоку на їхній монтажній поверхні в межах обмеженого простору, який маленькі не можуть зробити.
Крім того, також необхідно розглянути ідеальне рішення, швидкість потоку та цілі управління температурою. Ти можешзв'яжіться з нашим інженеромдля додаткової технічної консультації.
Частина 1 B: Вибір і застосування матеріалу
-Вибір відповідних матеріалів:
Немає сумніву, що ми вибрали алюмінієву холодну пластину та мідну теплову трубку для розсіювання тепла при розглядітеплопровідність алюмінію і мідіі вартість. Станом на лютий 2024 року ціна міді за тонну становить $7,600,00 разом із $3500-4000 алюмінієвим сплавом. Таким чином, це економічно ефективний спосіб придбати алюміній замість мідного сплаву.
Крім того, об’єм також є ключовим моментом для виробництва рідинних холодних пластин EV. Як показано на малюнку, 1 тонна алюмінієвого сплаву займає значно більший об’єм, ніж мідний сплав, через меншу щільність алюмінію, що означає, що алюміній є придатним матеріалом для виготовлення верхньої поверхні через свою легкість, а мідь для виготовлення теплової трубки для її хороших теплових характеристик. Наприклад, ми знаємо, що батареї Audi e-Tron важать 5 кг, а літієві 7{4}}0 кг, що означає, що пластина рідинного охолодження займає лише 0,7% від загальної ваги. Але якщо ви використовуєте мідну холодну плиту, вона займає більше 2,5% від загальної ваги (приблизно 7,5 кг).
-Зв'язок між показниками теплопровідності та товщиною матеріалу:
Товщина матеріалу впливає на ефективність теплообмінника. Товсті матеріали можуть спричинити підвищений термічний опір, тоді як тонкі матеріали можуть бути недостатньо механічно міцними та спричинити серйозні проблеми, такі як теплове проникнення.
Перший графік показує, що очевидно, що механічна міцність графену значно вища, ніж у алюмінію та міді, і вона майже не змінюється з товщиною. Механічна міцність алюмінію і міді трохи підвищується зі збільшенням товщини. Другий графік демонструє залежність між товщиною матеріалу та термічним опором. Термічний опір графену дуже низький і майже не залежить від товщини, тоді як термічний опір алюмінію та міді зростає лінійно зі збільшенням товщини.
Третій графік, показаний нижче, показує комбінацію механічної міцності, товщини матеріалу та термічного опору. Ми бачимо, що алюмінієвий сплав {{0}}.08m має найкращу міцність на розрив і низький термічний опір (0,36 градуса Вт).
Частина 2: Технологія управління температурою в холодних плитах з рідинним охолодженням
Частина 2 A: Технології обробки поверхні
-Поверхневе покриття:
Теплопровідні покриття — це спеціальна обробка поверхні, призначена для підвищення ефективності теплообміну пластин водяного охолодження. Ці покриття працюють, покращуючи якість контакту на термічній межі або покращуючи можливості теплового випромінювання, як правило, містять матеріали з високою теплопровідністю, такі як срібло, мідь та алюміній, а також наноматеріали, такі як вуглецеві нанотрубки (ВНТ) і графен. Ці покриття не тільки підвищують теплову ефективність, але й забезпечують певний захист від корозії та зношування, подовжуючи тим самим термін служби пластин рідинного охолодження.
-Обробка поверхні:
Завдяки обробці поверхні пластини водяного охолодження площа теплообміну може бути збільшена, тим самим покращуючи ефективність теплопередачі. Цей метод підвищує здатність теплообміну між рідиною та площею поверхні базової плити за рахунок збільшення шорсткості поверхні. Наприклад, як показано на малюнку, ми можемо зігнути пластину рідинного охолодження, щоб охолоджуюча рідина проходила через кожну частину батареї, тим самим покращуючи теплові характеристики холодних пластин. Kaixin Aluminium спеціалізується на забезпеченні індивідуальних пластин рідинного охолодження та обробки алюмінієвих радіаторів відповідно до ваших вимог.
Kaixin Aluminium може забезпечити кілька видів обробки поверхні для вашої алюмінієвої холодної плити, наприклад, обробку з ЧПУ, анодування, порошкове покриття, згинання тощо... Або перегляньте наш блог "економічно ефективне рішення для індивідуального замовлення алюмінієвого радіатора та пластини для охолодження рідини" щоб дізнатися, як заощадити гроші на виробництві алюмінієвої холодної пластини та радіатора.
Частина 2 B: Оптимізація матеріалу термоінтерфейсу (TIM):
-Вибір і застосування матеріалів для термоінтерфейсу:
Термоінтерфейсні матеріали (TIM) – це речовини, які використовуються між двома поверхнями для покращення теплопровідності. Вони використовуються між двома поверхнями для покращення теплопровідності. Поширені типи TIM включають термопасти, прокладки, стрічки та рідкі метали, кожен з яких підходить для різних застосувань на основі їх теплопровідності, простоти застосування та довговічності.
Частина 2 C: Моделювання та аналіз моделі-Застосування CFD та програмного забезпечення для теплового моделювання:
Він може ефективно передбачити й оптимізувати ефективність теплопровідності спеціальних холодних пластин за допомогою обчислювальної гідродинаміки (CFD) і програмного забезпечення для теплового моделювання, що означає, що розробник може проаналізувати всю систему охолодження, наприклад циркуляцію теплоносія, розподіл тепла джерел, теплових мостів або зон з високим тепловим опором, що дозволяє покращити конструкцію перед масовим виробництвом.
Під час моделювання за допомогою CFD вам потрібно надати детальні характеристики вашої системи охолодження для інженера Kaixin Aluminium. Це включає геометричні дані пластини водяного охолодження та її компонентів, властивості матеріалу (теплопровідність, щільність, питома теплоємність), граничні умови (такі як температури на вході та виході та швидкість потоку) і дані про теплогенерацію від джерел тепла. Крім того, визначення ваших конкретних цілей або критеріїв продуктивності для моделювання може бути дуже корисним.Зверніться до технічних інженерів Kaixin Aluminiumі ми раді надати вам ідеальне рішення для холодних тарілок на замовлення.