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电动汽车中的液体冷却解决方案

概述

本文探讨了电动汽车和电动汽车的当前和未来趋势以及热管理设计挑战,特别关注电池和逆变器冷却。液体冷却在处理更高的热负荷方面非常有效,但系统的设计必须优化尺寸、重量、性能、可靠性和耐用性。通过先进的设计和技术集成,Boyd正在与设计师合作,以满足当前要求的方式实现这些目标,实现下一代创新,并为整体车辆性能和驾驶员满意度做出贡献。本文将帮助工程师了解液体冷却在改善系统开发和培养设计创造力方面的作用。

目前的电动汽车市场趋势

运输市场目前正经历着向电动交通的重大根本性转变。从环保意识、历史性的天然气危机和城市化等全球趋势,加上客户对更好的连通性、更安全的驾驶、最高效率、可持续性和成本节约的需求,最终导致电动汽车(EV)的需求和使用呈指数级增长。

The global electronic fleet has risen dramatically over the last decade; by 2019 there were an estimated 5.6 million electric vehicles on the road with market experts estimating that more than half of new cars will be electric by 2040.

以前有限的电动汽车采用率问题已经得到解决,例如电池成本,安全性,可靠性,充电站可用性和技术限制。目前,电池充电速度更快,功率转换效率更高,电子产品的速度、复杂性、连接性和处理能力也在提高。然而,作为副产品,市场可扩展性和增长的新障碍被创造出来:更多的热量。

多技术热管组件

包括更持久、更高性能的电池、更好的连接性、更精确和连接的传感器、增强的系统监控、更快的充电速度和改进的机舱功能等进步正在产生更高的热负荷。除了这种增强的性能和功能外,制造商还要求更小、更轻的外形尺寸。如此紧凑的功率产生的多余热量,如果不进行高效和有效的管理,很容易导致系统故障和对乘客安全的威胁。

每一代电动汽车都变得更轻、更安全、更可靠、连接更好,并且对于未来的每款新车型,它都将继续这样做。对于每一项新的进步,冷却解决方案都必须领先于车辆创新,以测试和证明安全性和可靠性。

在过去的二十年中,Boyd与主要的电动汽车创新者和设计团队密切合作,以确保我们的热管理解决方案超越行业进步,为未来的创新提供支持。这种密切合作使Boyd工程师能够预测即将到来的市场变化、行业趋势和不断变化的设计要求,从而影响我们的研发,指导技术路线图,并尽早开始开发,以改进散热解决方案和系统集成。这种做法不仅带来了更优化、更具成本效益、更可靠的冷却,而且还缩短了上市时间,降低了总体成本,并为OEM带来了显著的竞争优势。

车辆必须在恶劣的条件下有效运行。

解决电动汽车冷却中的关键挑战

整体环境和使用注意事项

电动汽车内的所有热管理系统都有几个关键考虑因素,其中最重要的因素之一是环境条件。车辆必须能够在具有不同极端温度、湿度水平、降水、暴露于沙子、盐水和其他环境因素的条件下以有保证的性能、安全性和可靠性运行。车辆还可能受到崎岖地形,极端冲击和振动,碰撞冲击,先进电子系统的电磁干扰以及许多其他因素的影响。关键组件和系统的设计必须能够防止已知的可能危害,同时仍然可维护,易于维护和具有成本效益。

优化设计始于选择最适合特定性能和环境暴露的材料,这些材料采用简化的几何形状,将多种功能集成到解决方案中,从而最大限度地降低材料和装配成本,例如将保护和结构功能集成到冷却解决方案中。严格的测试和质量保证也是在具有挑战性的环境中保持可靠高性能的关键方面。

挑战:电池和逆变器冷却

推动电动汽车增长和采用的最重要的技术是电池和逆变器,它们将电池能量转化为机械动力来推动车辆。

电池成本降低与电动汽车采用之间存在相关性,这导致工程部门专注于电池成本节约。电池容量、充电速度和可靠性的提高推动了创新,以创造更轻、更小、更高的动力电池,从而实现更好的性能和更低的总体拥有成本。电池的成本节约措施和设计创新正在导致更高密度的热负荷,这些热负荷必须在紧凑的外形尺寸中进行管理。冷却系统必须开发以满足尺寸,重量和性能要求,但也不得抵消电池成本的降低。

使电力可用于车辆操作所需的更高热通量逆变器为必要的散热系统增加了另一层复杂性。电池和高热通量逆变器可以协同工作,尽管它们的冷却要求可能完全不同。电池热管理依赖于最大化可以均匀冷却的表面积。逆变器功率密度因局部高功率密度热源而异,需要局部热点热扩散和冷却。逆变器还必须冷却到临界温度以下,以优化车辆性能。必须对冷却系统进行定制,以优化来自同一系统、冷却液和冷却回路的电池和各种逆变器,以节省空间、重量和成本。

电动汽车电池示例
EV逆变器示例 - 带切口

电池和逆变器冷却的热设计

传统乘用车的冷却以内燃机为中心,内燃机具有不同的热要求和系统设计需求。电动汽车具有一套全新的冷却需求,具有完全不同的系统设计。工程师必须具有创造性和前瞻性思维,以充分利用新技术并从头开始重新设计系统,同时保持驾驶员习惯的汽车安全协议和标准功能。

内燃动力车辆要求发动机系统对燃烧过程中的极端排气温度进行热管理。使用电池而不是燃烧消除了管理极高温度的挑战,但引入了新的设计问题,例如在电池和逆变器之间的共生关系中管理电转换能量。

Integrated Liquid Systems已成为解决新电池和逆变器热挑战的最合适解决方案,以满足不断增长的电动汽车客户需求。液体系统在设计上提供最有效的冷却和灵活性,以满足一个中央热系统中电池和逆变器的要求。利用一个优化的回路,每个系统组件都能获得最佳性能,并节省重量、空间和成本。

完全优化的液体系统通常包括:

  • 冷板设计用于满足热点冷却或最大化表面积接触的热源要求。确保这些冷板经过全面测试和制造,使其无泄漏、可靠且极其耐用至关重要。
  • 热界面材料和安装硬件,确保从热源到冷却系统的热传递过程中损失最小,从而实现最大的散热。
  • 热交换器和散热器设计用于在密闭空间内尽快散热。
  • 连接器、软管、泵、油箱和其他硬件,可确保可靠性、耐用性和易于系统维护。
  • 用于提高性能并减小系统重量或尺寸的其他集成技术,例如热管、高级工程材料、风扇、鼓风机和高级散热器翅片类型。

除了尺寸,重量,性能和成本(SWAP-C)的典型挑战外;为电动汽车发动机舱开发液体系统的最大困难是通过单个冷却回路来协调和管理电池和逆变器冷却要求的固有差异。解决这些困难的关键在于冷板设计。

电动汽车逆变器的EV驱动单元示例 - 带切口
更大、更薄的冷板,以最大限度地提高与电池的表面积接触,从而改善冷却效果
关键冷板注意事项 - 电池
  • 尽可能均匀地冷却表面积是优化电池冷却的关键。
  • 虽然电池冷板不需要像逆变器冷板中的鳍片增强,但板内的流体路径必须经过精心设计,以覆盖尽可能多的表面。
  • 电池的热通量密度远小于逆变器,但是冷板要大得多,以适应更高的表面积接触,并提供结构外壳,将流体输送到整个电池的外围区域。这种结构外壳延伸到电池组的保护,因此整个组件必须能够通过严格的冲击和振动规范。
  • 冷板的结构必须不仅更大,而且更薄,以优化电池组中可以容纳的电池数量。这将在制造设计(DFM)以及如何节省成本方面发挥重要作用。压铸板不是一个可行的选择;带异形流道的冲压铝是更理想的选择。
  • 在电池阵列中,可能存在不同的电压电位,其中需要介电材料与兼容的导热垫结合使用。电气屏障和导热垫的正确组合对于实现电池模块的最佳冷却夹套至关重要。
关键冷板注意事项 - 逆变器
  • 逆变器运行会产生大量的热量,必须大幅冷却才能达到临界温度并满足推动车辆的性能要求。
  • 逆变器的热通量如此之大,以至于冷板的热界面几乎占总热损失的50%。必须设计特定的安装和接口材料来连接冷板,并使用薄而高导热的材料提供更高的压缩载荷。
  • 由于行业内广泛的设计选择,选择合适的产品结构和制造工艺更加复杂。常见的设计包括但不限于带或不带翅片增强功能的钎焊铝,密封连接到压铸流体外壳的铝刮削翅片以及更高性能的镀铜切削翅片。对于每种选择,设计人员还必须考虑如何利用冷却液流量和由此产生的压降来优化材料导热性和翅片设计,以确保车辆冷却系统可行。
  • 以前用于内燃机冷却的压铸工艺不是逆变器的选择,因为压铸铝的导热系数低于铝卷。压铸铝只能用于流体外壳,与逆变器接触的可行性较差。
冷板定制设计,用于紧凑,重量轻的EV逆变器冷却。

电池和逆变器冷却的其他进步

Boyd利用数十年来在热管理技术各个方面的经验、专业知识和创新,开发了优化的集成系统,超越了电动汽车制冷的要求和期望。通过开拓新技术,改进制造工艺以及与行业领导者密切合作,Boyd具有独特的优势,可以通过减轻过去和当前的担忧,实现更快的市场增长和电动汽车的进一步市场渗透。这包括先进的轻量化、更好的性能、提供更多结构稳定性和功能的集成设计,以及系统协同工作方式的增强功能,以降低成本和设计体积。

展望未来,未来的关键考虑因素可能集中在更大的流量控制和实现额外的热容量上,因为车辆提供更高的安全性,驾驶增强,更好的连接性和性能。目前的解决方案是为稳态或最坏情况下的恒定负载而设计的,这是一种可靠的设计策略,但可能会抑制车辆性能。Boyd已经在与eMobility客户合作开发下一代热解决方案,这些解决方案受到更好的监管,以便在正确的时间向正确的热源提供冷却和优化的容量。这些改进包括添加和配置快速阀,以提供更快的响应时间,以根据电子设备温度和实时功率负载在系统中移动冷却液。

此外,Boyd开发的性能更好的液对液热交换器带来了额外的热容量和冷却剂温度降低,特别是在功率循环时,可能是瞬态和非稳态的。

零售地点和停车场的家用充电器和充电站越来越普遍。

挑战:充电和充电站的热管理

客户要求对电动汽车电池进行更快、更无处不在的充电。充电器的可用性是推动电动汽车品牌采用、市场增长和差异化的主要因素。电动汽车充电在持续的时间内会产生大量热量,这些热量可能会根据电池尺寸而波动,这带来了独特的安全性和性能挑战。

快速充电需要更高的电压。更高的电压意味着热管理系统,特别是冷板,必须与充电插头进行热耦合和电气隔离。在评估特定材料时,高导热性和临界介电强度之间的平衡是相互矛盾的。这需要非常具体的设计几何形状和现场位置,以便将接口解决方案与最高性能的冷板相结合。

幸运的是,通过充电站,工程师可以选择利用环境空气冷却解决方案,这些解决方案与充电端口耦合,并将热量直接转移到周围环境中,这比封闭的发动机舱更冷。工程师可以通过利用环境冷却来减小液体溶液的尺寸和重量。然而,利用环境空气通常意味着充电站暴露在各种因素和恶劣的环境条件下,因此必须保护组件和外壳。这些细微差别和设计考虑因素导致充电站冷却比许多设计工程师意识到的要复杂得多。

为了克服这些独特的挑战,Boyd利用了详尽的测试,独特的先进材料和极其可靠的解决方案集成。集成的热力系统是定制的,以最大限度地提高每个组件的性能,并确保系统性能大于其部件的总和。

挑战:广泛的联锁电子系统

除了推动车辆行驶的电子系统数量外,发动机舱、驾驶室和车辆外部还有各种各样的其他技术,可实现其他功能。连接性和智能系统正以与电动汽车相同的指数级速度发展。传感器、摄像头、控制模块、信息娱乐系统、节能模式、系统监控、触摸屏和语音识别都正在成为标准技术。新的创新技术和系统不断涌现。自动驾驶也在不断上升,带来了一系列新的计算和安全需求和复杂性。

随着功能呈指数级发展,为这些操作提供动力所需的CPU和GPU在处理能力和速度方面正在创新,产生更多的热量并增加新的热源。极薄的散热对于处理新的多余热量以及与核心液体冷却系统和冷板的集成至关重要。

平视显示器、监控系统、触摸屏和连接设备都将在未来的舱内体验中发挥作用。

博伊德在电动交通冷却系统中的优势

随着电动汽车和电动汽车应用的功能和采用的增加以及电池尺寸的减小,关键的限制因素仍然是热管理。组件产生的热量明显更多,但车辆外形尺寸保持不变或更小。如果没有更多的空间来充分散热,唯一的选择是更先进,更高效的冷却系统。在不牺牲成本效益的情况下开发这些更有效的解决方案以满足尺寸、重量和性能要求,将需要在冷却设计和材料选择的各个方面都非常注重细节。

Boyd专注于开发具有前瞻性的高性能系统,该系统具有单一冷却回路,集成组件和先进技术,可优化调节冷却和快速过渡。Boyd专注于创新和客户合作伙伴关系,确保我们的冷却系统与它们所支持的车辆一样具有创新性。我们对电动汽车研发的承诺确保我们的创新始终领先于下一代的要求。

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