NEV Powertrain Thermal Mgmt: مبدل های حرارتی صفحه ای-فین آلومینیومی

حکم: فناوری صفحه-فین آلومینیومی خنک کننده مدرن NEV را تقویت می کند

در تلاش برای به حداکثر رساندن برد، چگالی توان و قابلیت اطمینان، پیشرانه های خودروهای انرژی جدید نمی توانند مصالح حرارتی را تحمل کنند. مبدل های حرارتی صفحه-پره آلومینیومی به ستون مهندسی این تلاش تبدیل شده اند، زیرا به طور منحصر به فردی متعادل می شوند ضرایب انتقال حرارت بالا (تا 5000 W/m²K در سمت هوا) با کاهش وزن 30 تا 40 درصد بیش از طرح های مسی- برنجی یا لوله ای سنتی. ساختار آلومینیوم لحیم کاری شده آنها باله‌های نازک، چگالی سطح بالا و ساختارهای کاملاً قابل بازیافت را امکان‌پذیر می‌کند و مستقیماً از اهداف تهاجمی انرژی و وزن سبک خودروهای الکتریکی باتری، هیبریدی پلاگین و سلول‌سوختی پشتیبانی می‌کند. این مقاله دلایل فنی، تولیدی و سطح سیستم را بررسی می‌کند که چرا مبدل‌های حرارتی با پره‌های آلومینیومی راه‌حل ترجیحی هستند، که توسط داده‌های عملکرد و الگوهای یکپارچه‌سازی در دنیای واقعی پشتیبانی می‌شوند.

چالش های حرارتی منحصر به فرد برای پیشرانه های NEV

پیشرانه‌های NEV گرما را در چندین قطعه تولید می‌کنند - بسته‌های باتری، موتورهای الکتریکی، اینورترها، مبدل‌های DC-DC، و شارژرهای داخلی - اغلب در فضاهای بسته‌بندی محکم زیر شاسی یا اسکیت‌برد. برخلاف موتورهای احتراق داخلی که می توانند دمای خنک کننده بالاتری داشته باشند و دارای مناطق بزرگ رادیاتور جلویی هستند، NEV ها باید نیمه هادی ها و سلول های لیتیوم یونی را در پنجره های باریک دمایی نگه دارند. به عنوان مثال، بسیاری از سلول‌های باتری با چگالی انرژی بالا به حداکثر دمای عملیاتی زیر نیاز دارند 45 درجه سانتی گراد ، در حالی که اتصالات الکترونیک قدرت باید بسیار پایین تر بمانند 175 درجه سانتی گراد . این به مبدل‌های حرارتی فشرده نیاز دارد که بتواند حلقه‌های سیال متعدد (آب گلیکول، مبرد، روغن دی‌الکتریک) را با افت فشار کم و اثربخشی بالا اداره کند، دقیقاً رژیمی که هندسه‌های باله صفحه در آن برتری دارند.

بسته بندی تنگ و تقاضای چند مداری

یک خودروی الکتریکی با باتری 400 ولت یا 800 ولت ممکن است یک مدار خنک کننده ترکیبی برای موتور، اینورتر و باتری، اغلب با یک حلقه چیلر برای تهویه مطبوع کابین، یکپارچه کند. مبدل های حرارتی پره صفحه ای را می توان به عنوان واحدهای چند گذری و چند سیال در یک هسته منفرد طراحی کرد که امکان کارکردن یک قطعه واحد را فراهم می کند. سه جریان سیال مجزا به طور همزمان این امر نقاط اتصال، مسیرهای نشت احتمالی و فضای مونتاژ را در مقایسه با مجموعه‌ای از واحدهای پوسته و لوله یا لوله باله کاهش می‌دهد.

چرا هندسه صفحه-فین آلومینیومی بهتر از گزینه های جایگزین عمل می کند؟

معماری باله صفحه ای ورق های جداکننده مسطح را که با باله های موجدار از هم جدا شده اند، روی هم می چیند که همگی به صورت یک بلوک یکپارچه لحیم شده اند. این یک چگالی سطح انتقال حرارت اولیه ایجاد می کند 800–1500 متر مربع/ مترمربع ، تا ده برابر بیشتر از یک مبدل پوسته و لوله معمولی است. آلیاژهای آلومینیوم از سری 3xxx (به عنوان مثال، 3003، با روکش بریز 4004 یا 4045) هدایت حرارتی عالی را ارائه می دهند (حدود 160 W/m·K مقاومت در برابر خوردگی با شیمی خنک کننده مناسب و شکل پذیری بالا برای مهر زدن الگوهای باله پیچیده. باله های نواری لوور شده یا افست لایه های مرزی را بیشتر قطع می کنند و ضریب سمت هوا یا سمت روغن را به طور چشمگیری افزایش می دهند.

داده‌ها تأیید می‌کنند که هسته‌های آلومینیومی باله‌های صفحه‌ای به نسبت چگالی انتقال حرارت به جرم دست می‌یابند، در حالی که برابری هزینه یا مزیت را از طریق لحیم کاری خودکار و حداقل استفاده از مواد حفظ می‌کنند. طرح‌های میکروکانال می‌توانند در معیارهای حجمی خالص کمی از باله صفحه بیرون بیایند، اما افت فشار بیشتر سمت هوای آن‌ها اغلب به فن‌های بزرگ‌تر و قدرت انگلی بیشتری نیاز دارد و کارایی سیستم خالص را در یک خودرو کاهش می‌دهد.

تاثیر مستقیم بر مدیریت حرارتی باتری

جلوگیری از فرار حرارتی بسته باتری و حفظ طول عمر به حذف یکنواخت حرارت بستگی دارد. صفحات سرد ورق با باله آلومینیومی که در پایه های ماژول یا بین آرایه های سلولی ادغام شده اند، به یکنواختی دما در داخل می رسند. ± 2 درجه سانتیگراد در سراسر بسته زمانی که با تراکم باله و توزیع جریان بهینه طراحی شده باشد. این سطح ایزوترمالیت می تواند عمر چرخه را تا 20% در مقایسه با استراتژی‌های خنک‌کننده کمتر یکنواخت، با توجه به آزمایش‌های پیری سریع روی سلول‌های منشوری NMC. صفحات سرد پره صفحه ای با استفاده از مسیرهای ریز باله 1.0 تا 1.5 میلی متری نیز خنک کننده غوطه وری سیال دی الکتریک را با حداقل مقاومت حرارتی در زیر انجام می دهند. 0.05 K/W .

• اینرسی حرارتی کم به دلیل جرم آلومینیوم، خنک شدن سریع را در طول شارژ سریع امکان پذیر می کند و به حفظ حداکثر توان شارژ بالای 250 کیلو وات برای مدت طولانی تری کمک می کند.
• سازگاری با سیالات دی الکتریک با رسانایی کم و غیر قابل اشتعال، خطر اتصال کوتاه را بدون به خطر انداختن انتقال حرارت کاهش می دهد.
• ساختار آلومینیوم لحیم کاری شده واشرها را از بین می برد و خطر نشت مایع خنک کننده به محفظه باتری ولتاژ بالا را کاهش می دهد.

ادغام خنک کننده موتور و پاور

واحدهای محرک الکتریکی، موتور، گیربکس و اینورتر را در یک محفظه واحد ترکیب می‌کنند و به یک رابط حرارتی مشترک نیاز دارند. خنک‌کننده‌های روغن صفحه باله آلومینیومی که در محفظه موتور یا حلقه‌های بای پس خارجی ادغام شده‌اند، گرما را از سیم‌پیچ‌های استاتور و یاتاقان‌های روتور دفع می‌کنند. با استفاده از طرح باله صفحه ای با قطرهای هیدرولیکی از 2-4 میلی متر در سمت روغن، یک واحد جمع و جور منفرد می تواند رد شود 8 کیلو وات گرما در حالی که دمای خروجی روغن را در زیر حفظ می کند 85 درجه سانتی گراد در یک واحد محرک 200 کیلوواتی با کارایی بالا. برای ماژول‌های قدرت، صفحات پایه آلومینیومی با پیوند مستقیم با کانال‌های داخلی باله‌ای، مقاومت حرارتی اتصال به خنک‌کننده را به زیر کاهش می‌دهند. 0.15 K/W ، استفاده از IGBT های سیلیکونی ارزان تر را با نگه داشتن دمای محل اتصال در زیر امکان پذیر می کند 150 درجه سانتی گراد حتی در اوج بار

متعادل کننده افت فشار و قدرت پمپ

یک انتخاب حیاتی طراحی، چگالی باله در مقابل افت فشار است. در سمت مایع، یک صفحه معمولی باطری پره صفحه سرد با 12 باله در هر اینچ (FPI) افت فشار مایع خنک کننده در حدود 15 کیلو پاسکال در جریان 10 لیتر در دقیقه، کشش انگلی الکتروپمپ را در زیر نگه می دارد 50 وات . این جریمه کم به خودرو اجازه می دهد تا انرژی باتری بیشتری را به سمت کشش هدایت کند. تنظیم دندانه‌های باله و طول‌های آفست می‌تواند افت فشار را تا 20 درصد دیگر بدون به خطر انداختن انتقال حرارت کاهش دهد، هندسه‌های انعطاف‌پذیری باله لوله نمی‌توانند مطابقت داشته باشند.

مزایای تولید، هزینه و پایداری

فرآیند لحیم کاری خلاء تک شات که برای هسته های آلومینیومی ورق-پره استفاده می شود، ذاتاً مقیاس پذیر است، با خطوط مدرن که بیش از حد تولید می شوند. 500000 واحد در سال در هر کوره استفاده از مواد بیش از 95% ، زیرا ضایعات باله مستقیماً در ورق جدید بازیافت می شوند. یک صفحه سرد باتری EV معمولی با استفاده از آلومینیوم روکش شده 3003/4045 می تواند هزینه کل تولید را تحت پوشش قرار دهد. هر واحد 25 دلار در حجم، به طور قابل توجهی کمتر از عملکرد معادل یک واحد مس-برنج است. فقدان بقایای شار و حداقل تمیز کردن پس از لحیم کاری نیز اثرات زیست محیطی را کاهش می دهد و با اهداف کاهش ردپای کربن کامل چرخه عمر همسو می شود.

1. مهر زنی باله ها، ورق های جداکننده و میله های جانبی از کلاف های آلومینیومی روکش شده.
2. انباشتن و نصب با کنترل شکاف دقیق برای ارتفاع باله.
3. لحیم کاری با خلاء در دمای 600 درجه سانتیگراد، تشکیل پیوندهای متالورژیکی در هر نقطه تماس.
4. تست نشت و پوسیدگی فشار، سپس ادغام در ماژول های خنک کننده.

یکپارچگی در سطح سیستم و آمادگی آینده

پلت فرم های نسل بعدی NEV با استفاده از معماری پمپ حرارتی، حلقه های حرارتی را در سیستم های مدیریت حرارتی یکپارچه (ITMS) یکپارچه می کنند. مبدل های حرارتی صفحه ای با پره آلومینیومی به دلیل توانایی آنها در عملکرد با مبردهای با GWP کم مانند R-1234yf و R-290 به عنوان کندانسور داخلی، اواپراتور و پمپ های حرارتی خارجی عمل می کنند. استحکام ساختاری و مقاومت در برابر خوردگی آنها امکان نصب مستقیم در ماژول های جلویی بدون براکت های سنگین را فراهم می کند. با استفاده از چیلرهای پره صفحه ای که مدارهای مبرد و خنک کننده را ترکیب می کنند، خودرو می تواند تا 2.5 کیلو وات گرمای هدر رفته از پیشرانه برای گرم کردن کابین در هوای سرد، افزایش برد زمستانی 10-15٪ با توجه به شبیه سازی سیستم این تطبیق پذیری معماری صفحه-پره آلومینیومی را نه تنها به عنوان یک جزء حرارتی، بلکه به عنوان یک عامل استراتژیک برای بهینه سازی انرژی کل خودرو تقویت می کند.