Почему жидкостные охлаждающие пластины являются тепловой основой каждого современного электромобиля

Литий-ионный аккумулятор электромобиля работает в узкой электрохимической зоне комфорта. Температура ячейки должна оставаться в пределах 15°С и 45°С во время разрядки и зарядки — за пределами этого диапазона емкость снижается, срок службы сокращается, а в крайнем случае тепловой разгон становится реальным риском. Управление плотностью теплового потока, которая может превышать 10 Вт/см² Во время быстрой зарядки постоянным током сотен ячеек, размещенных в минимальном пространстве, требуется решение по управлению температурным режимом, которое воздушное охлаждение просто не может обеспечить в больших масштабах.

Жидкостные холодные пластины стали доминирующим решением для управления температурным режимом аккумуляторов электромобилей именно потому, что они отвечают этой задаче. За счет циркуляции охлаждающей жидкости — обычно водно-гликолевой смеси — по внутренним каналам, обработанным или сформированным непосредственно в металлической пластине, находящейся в тесном контакте с аккумуляторными элементами или модулями, жидкостные охлаждающие пластины достигают коэффициенты теплопередачи в 50–100 раз выше, чем при принудительном воздушном охлаждении в том же следе. По прогнозам, к 2030 году мировой рынок терморегулирования электромобилей превысит 15 миллиардов долларов США, причем пластины с жидкостным охлаждением будут представлять собой крупнейший сегмент продукта в нем.

Как работает жидкостная холодная пластина EV: основная физика

Пластина с жидкостным охлаждением действует как теплообменник с принудительной конвекцией, встроенный непосредственно в конструкцию аккумуляторной батареи. Тепло, выделяемое элементами во время зарядки и разрядки, проходит через корпус элемента к базовой поверхности холодной пластины. Внутри пластины охлаждающая жидкость, протекающая по внутренним каналам, поглощает это тепло путем конвекции и уносит его к внешнему теплообменнику — радиатору или охладителю автомобиля — где оно выбрасывается в окружающую среду или используется для обогрева кабины через контур теплового насоса.

Тепловые характеристики холодной пластины определяются тремя последовательными сопротивлениями:

• Контактное сопротивление — Между поверхностью ячейки и основанием холодной пластины. Минимизируется за счет термоинтерфейсных материалов (TIM), таких как прокладки для зазоров, термопасты или материалы с фазовым переходом, которые заполняют микроскопические воздушные зазоры на границе раздела.
• Сопротивление проводимости — Через сам материал основы холодной пластины. Определяется теплопроводностью материала и толщиной основания. По этой причине в конструкции холодных пластин электромобилей преобладают алюминиевые сплавы (120–180 Вт/м·К).
• Сопротивление конвекции — Между стенками канала и текущим теплоносителем. Определяется геометрией канала, скоростью теплоносителя и коэффициентом теплопередачи, достижимым с выбранным теплоносителем. Это сопротивление лучше всего поддается оптимизации посредством проектирования каналов.

Общее тепловое сопротивление от элемента до охлаждающей жидкости в хорошо спроектированной системе холодных пластин электромобиля обычно находится между 0,05 и 0,15 К·см²/Вт — достаточно низкий, чтобы поддерживать однородность температуры по всему аккумуляторному блоку в пределах разницы ±5°C, на которую нацелено большинство систем управления батареями.

Методы строительства холодных плит: сильные стороны и недостатки

Холодильные плиты EV производятся с использованием нескольких различных методов строительства, каждый из которых имеет разные пределы тепловых характеристик, номинальное давление, вес и профили производственных затрат. Выбор правильного метода строительства так же важен, как и выбор правильной геометрии канала.

Холодные плиты, сваренные трением с перемешиванием (FSW)

Сварка трением с перемешиванием соединяет две алюминиевые экструзионные или обработанные полуплиты путем движения вращающегося инструмента вдоль линии соединения, создавая твердотельный сварной шов без плавления основного материала. Предложение холодных плит FSW отличная структурная целостность, высокое давление (до 10 бар) и герметичные соединения. без риска деформации при сварке плавлением. Геометрия каналов может быть сложной, включая турбулизаторы и переменное поперечное сечение, которые перед сваркой обрабатываются на половину. FSW является доминирующим методом изготовления холодных пластин для автомобильных аккумуляторов электромобилей благодаря сочетанию производительности и стабильности производства.

Паяные холодные пластины

Пайка соединяет компоненты холодной пластины — обычно экструдированный или штампованный сердечник ребра, зажатый между накладками — с использованием присадочного металла при повышенной температуре в печи с контролируемой атмосферой. Паяные холодные пластины позволяют высокая плотность поверхности благодаря гофрированным или смещенным сердечникам ребер, которые значительно увеличивают площадь конвекции в заданном объеме. Они широко используются для охлаждения силовой электроники (инверторов, бортовых зарядных устройств), где плотность теплового потока самая высокая. Компромиссом является более высокая сложность изготовления и чувствительность к загрязнению флюсом в контуре охлаждающей жидкости.

Экструдированные многопортовые трубчатые холодные пластины

Многопортовые экструзионные трубы (MPE) — тонкие алюминиевые профили с множеством параллельных микроканалов — сгибаются в змеевидную или параллельную конфигурацию и заливаются теплопроводным заливочным компаундом или запрессовываются между контактными пластинами. Эта конструкция особенно подходит для аккумуляторных блоков с цилиндрическими элементами (таких как форматы 18650, 21700 и 4680), в которых холодная пластина охватывает ряды элементов или находится под ними. Холодные плиты на основе труб МПЭ экономичный при объеме и легком весе , хотя их характеристики перепада давления требуют тщательного проектирования контура потока.

Обработанные холодные пластины

Холодные пластины, обработанные на станке с ЧПУ, фрезеруются из цельной алюминиевой или медной заготовки с каналами, прорезанными непосредственно в основании. Затем крышка прикрепляется сваркой, пайкой или механическим креплением с помощью уплотнительных колец. Обработанные холодные пластины обеспечивают максимальную гибкость геометрии каналов и хорошо подходят для разработка прототипа и мелкосерийное производство где инвестиции в оснастку для экструзии или FSW не оправданы. Они обычно используются для охлаждения инверторов и контроллеров двигателей в узлах трансмиссии.

Холодные пластины Roll-Bond

Холодные пластины с рулонным соединением изготавливаются путем склеивания двух алюминиевых листов с рисунком резиста между ними, а затем накачивания внутренних каналов жидкостью под давлением. В результате этого процесса производятся тонкие, легкие, удобные холодные пластины, идеально подходящие для аккумуляторных батарей в пакетах и ​​призматических элементах, где тесный контакт ячеек с пластинами имеет решающее значение. Рулонные пластины по своей сути тонкий и легкий но ограничены относительно простыми схемами каналов и умеренными значениями давления по сравнению с альтернативами FSW.

Геометрия канала и проектирование схемы потока

Архитектура внутренних каналов охлаждающей пластины EV определяет как ее тепловую однородность, так и гидравлическое сопротивление — два параметра, которые фундаментально влияют на растяжение. Более узкие и длинные каналы увеличивают теплопередачу, но увеличивают перепад давления, что требует более мощного насоса охлаждающей жидкости и увеличивает паразитное потребление энергии. Оптимизация этого компромисса требует тщательного теплогидравлического моделирования.

Змеевидный и параллельный контуры

А змеевидный (последовательный) контур направляет охлаждающую жидкость через один непрерывный канал, который пересекает всю пластину взад и вперед. Охлаждающая жидкость постепенно поглощает тепло на своем пути, создавая температурный градиент от входа к выходу — обычно 3–8°C по длине пластины при стандартных скоростях потока. Этот температурный градиент напрямую связан с неравномерностью температуры ячеек, которую должны учитывать алгоритмы BMS.

А схема параллельного потока разделяет охлаждающую жидкость из общего впускного коллектора на несколько одновременных каналов, которые соединяются в общем выпускном коллекторе. Такое расположение обеспечивает одновременный доступ каждой секции пластины к свежей, прохладной входящей жидкости, создавая значительно лучшая однородность температуры по поверхности пластины. Компромиссом является более низкая средняя скорость потока в каждом канале (снижение коэффициента конвекции) и большая чувствительность к дисбалансу распределения потока между каналами.

В большинстве серийных холодных пластин для аккумуляторов электромобилей используются гибридные потоковые архитектуры — параллельные коллекторы, питающие более короткие змеевидные секции — для баланса однородности температуры с управляемым падением давления при скорости потока, достижимой с помощью автомобильных насосов охлаждающей жидкости (обычно 5–15 л/мин).

Микроканальные и мини-канальные конструкции

Уменьшение гидравлического диаметра канала с миллиметрового (мини-каналы: 1–3 мм) до субмиллиметрового (микроканалы: 0,1–1 мм) резко увеличивает соотношение площади поверхности к объему и коэффициент теплопередачи, но увеличивает перепад давления как квадрат скорости при той же скорости потока. Микроканальные охлаждающие пластины являются стандартными для охлаждения высокопроизводительной силовой электроники (модули IGBT, инверторы SiC), где плотность теплового потока превышает 50 Вт/см². Для охлаждения аккумуляторной батареи, где тепловой поток ниже, а площадь пластин велика, конструкции с мини-каналами (гидравлический диаметр 1,5–3 мм) обычно предлагают лучший компромисс между тепловыми характеристиками и потребляемой мощностью насоса.

Материалы: алюминий, медь и новые альтернативы.

Выбор материала для холодных пластин электромобиля включает в себя баланс теплопроводности, веса, коррозионной стойкости, формуемости, стоимости и совместимости с химическим составом охлаждающей жидкости, используемой в тепловом контуре автомобиля.

Аluminum alloys dominate EV battery cold plate production — на долю которых приходится более 85% объема производства — благодаря выгодному сочетанию теплопроводности, веса, стоимости и технологичности. Медь используется для холодных пластин силовой электроники, где более высокая плотность теплового потока оправдывает ее вес и дополнительную стоимость. Нержавеющая сталь находит ограниченное применение в компонентах коллектора охлаждающей жидкости, где устойчивость к коррозии превышает требования к термическим характеристикам.

Применение холодных пластин в силовых агрегатах электромобилей

Хотя охлаждение аккумуляторной батареи является наиболее объемной областью применения, жидкостные охлаждающие пластины устанавливаются по всей трансмиссии электромобиля там, где необходимо контролировать значительное выделение тепла в условиях ограниченного пространства и веса.

Управление температурой аккумуляторной батареи

Охлаждающие пластины аккумуляторов представляют собой наиболее масштабное и термически требовательное применение. В типичном аккумуляторном блоке мощностью 75 кВтч для пассажирского электромобиля среднего размера холодная пластина может закрывать 1,5–2,0 м² контактной площади через нижнюю часть аккумулятора, отводя до 30 кВт тепла во время быстрой зарядки постоянным током. Толщина пластины варьируется от 5 мм до 15 мм в зависимости от конструкции канала и конструктивных требований. В архитектурах «ячейка-пакет» (CTP), где элементы интегрируются непосредственно в блок без промежуточных корпусов модулей, холодная пластина также выполняет структурную функцию, требуя более высоких характеристик механической прочности.

Охлаждение преобразователя мощности и контроллера двигателя

Инверторы на основе MOSFET из карбида кремния (SiC) в современных электромобилях работают на частотах переключения 10–20 кГц и генерируют тепловые потоки, которые локально могут превышать 100 Вт/см² на разъёме устройства. Холодные пластины для охлаждения опорной плиты инвертора используют конструкции с ребрами или микроканалами высокой плотности — обычно из паяного алюминия — для управления этими экстремальными локализованными тепловыми потоками. Тепловое сопротивление перехода к охлаждающей жидкости обычно должно быть ниже 0,1 К/Вт, чтобы поддерживать температуру перехода в пределах номинального рабочего диапазона устройства.

Бортовое зарядное устройство (OBC) Охлаждение

Бортовые зарядные устройства большой мощности (11 кВт и выше) выделяют значительное количество тепла в трансформаторе, выпрямителе и каскадах коррекции коэффициента мощности. Жидкостные охлаждающие пластины для охлаждения OBC обычно представляют собой компактные многозонные конструкции, которые одновременно охлаждают несколько тепловыделяющих компонентов из одного контура охлаждающей жидкости. Интеграция с основным тепловым контуром автомобиля позволяет рекуперировать отходящее тепло от зарядки для обогрева кабины в холодную погоду.

Охлаждение электродвигателя привода

Синхронные двигатели с постоянными магнитами (PMSM) в трансмиссиях электромобилей требуют охлаждения как обмоток статора (потери в меди), так и магнитов ротора (которые размагничиваются выше температуры Кюри). Пластины жидкостного охлаждения встроены во внешнюю окружность корпуса двигателя и находятся в непосредственном контакте с пластинами статора, чтобы отводить тепло от статора. Этот подход достигает более высокая постоянная плотность мощности чем конструкции двигателей с воздушным охлаждением, что позволяет использовать меньшие по размеру и более легкие двигатели для обеспечения того же постоянного выходного крутящего момента.

Требования к выбору охлаждающей жидкости и совместимости

Охлаждающая жидкость, циркулирующая через систему холодных пластин электромобиля, должна сочетать тепловые характеристики, защиту от замерзания, ингибирование коррозии, электрическую изоляцию и длительный срок службы. Преобладающей жидкостью, используемой в контурах охлаждения автомобильных электромобилей, является Смесь этиленгликоля и деионизированной воды 50/50. — обеспечение защиты от замерзания примерно до –37°C и защиты от кипения выше 130°C при типичном давлении в системе.

К критическим требованиям к охлаждающей жидкости для аккумуляторов электромобилей и цепей холодных пластин силовой электроники относятся:

• Высокое электрическое сопротивление — Теплоноситель должен поддерживать удельное электрическое сопротивление выше 1 МОм·см для предотвращения утечки тока между элементами аккумулятора через контур охлаждающей жидкости. Стандартные автомобильные антифризы с ионными ингибиторами коррозии могут иметь удельное сопротивление всего 1 кОм·см, что намного ниже требований EV. В охлаждающих жидкостях класса EV используются ингибиторы технологии органических кислот (OAT) с минимальным содержанием ионов.
• Аluminum compatibility — В состав охлаждающей жидкости должны входить ингибиторы коррозии, особенно эффективные для алюминиевых сплавов (силикаты или карбоксилаты). Несовместимые охлаждающие жидкости вызывают точечную коррозию стенок каналов, которая приводит к загрязнению твердыми частицами и, в конечном итоге, к перфорации.
• поддержание pH — Оптимальный pH теплоносителя для алюминиевых систем — 7,5–8,5. Ниже pH 7 коррозия ускоряется; выше pH 9 растворение оксида алюминия увеличивается. Уровень pH необходимо контролировать во время интервалов технического обслуживания.
• Деионизированная водная основа — Водопроводная вода содержит растворенные минералы, которые оседают в виде накипи на стенках каналов, со временем увеличивая термическое сопротивление. В системах электромобилей в качестве основы для смешивания охлаждающей жидкости требуется деионизированная или дистиллированная вода (проводимость <5 мкСм/см).

Ключевые характеристики конструкции и стандарты тестирования

Прежде чем поступить в производство, холодные плиты EV должны соответствовать строгим требованиям к производительности, долговечности и безопасности. Следующие спецификации и стандарты испытаний регулируют квалификацию холодных пластин автомобильного класса.

Испытание на давление и утечку

Холодные пластины должны выдерживать рабочее давление — обычно Манометрическое давление 3–5 бар в контурах охлаждения электромобилей. — плюс запас прочности. Испытание на разрыв при 2–3-кратном рабочем давлении подтверждает структурную целостность. Испытание на утечку гелия при рабочем давлении с помощью масс-спектрометра обнаруживает скорость утечки ниже 1×10⁻⁶ мбар·л/с — стандартного порога для компонентов автомобильного контура охлаждающей жидкости. Отсутствие утечек охлаждающей жидкости в аккумуляторную батарею является критически важным требованием безопасности и не допускает отказов.

Измерение термического сопротивления

Термическое сопротивление измеряется путем приложения известного теплового потока к холодной поверхности пластины (с помощью нагревателей сопротивления с контролируемой мощностью) и измерения разницы температур между поверхностью пластины и выходом охлаждающей жидкости. Результат выражается в К/Вт или К·см²/Вт и должен соответствовать целевому значению во всем диапазоне рабочего расхода. Тестирование однородности отображает распределение температуры поверхности, чтобы убедиться, что никакие локальные горячие точки не превышают спецификации.

Испытания на коррозию и долговечность

Холодные пластины подвергаются ускоренным испытаниям на коррозию с использованием деградировавшей охлаждающей жидкости (пониженный уровень pH, повышенная проводимость) при повышенной температуре — обычно 90°C в течение 1000 часов — для имитации многолетней эксплуатации. Послеиспытательный осмотр проверяет внутреннюю коррозию, закупорку каналов и любые изменения тепловых или гидравлических характеристик. Испытание в солевом тумане по стандарту ISO 9227 подтверждает устойчивость к коррозии внешней поверхности пластин, подвергающихся воздействию среды под днищем автомобиля.

Вибрация и механическая усталость

Вибрация, вызванная дорогой, и термоциклирование (повторяющийся нагрев и охлаждение во время циклов зарядки/разрядки) создают усталостную нагрузку на соединения холодных пластин и стенки каналов. Испытания на вибрацию по USCAR-2 или аналогичному автомобильному стандарту в сочетании с термоциклированием при температуре от –40°C до 85°C в течение 1000 циклов подтверждают, что холодная пластина сохраняет структурную целостность и герметичность на протяжении всего расчетного срока службы.

Новые тенденции: погружное охлаждение, прямое охлаждение хладагентом и структурная интеграция

Давление более высоких скоростей зарядки (быстрые зарядные устройства постоянного тока мощностью 350 кВт в настоящее время используются в коммерческих целях, а системы мощностью 500 кВт находятся в стадии разработки) и химический состав аккумуляторов с более высокой плотностью энергии выводят инновации в области управления температурным режимом за рамки традиционных жидкостных охлаждающих пластин.

Прямое охлаждение хладагентом (DRC)

В системах прямого охлаждения хладагентом хладагент из контура теплового насоса автомобиля испаряется непосредственно внутри каналов, встроенных в холодную пластину аккумулятора, устраняя вторичный контур охлаждающей жидкости и связанный с ним теплообменник. Теплопередача с фазовым переходом при испарении хладагента достигает коэффициенты теплопередачи в 5–10 раз выше, чем при однофазном жидкостном охлаждении , что обеспечивает более быстрый отвод тепла при меньшей разнице температур между ячейками и охлаждающей поверхностью. Архитектура 4680 ячеек Tesla и несколько будущих 800-вольтовых платформ разработаны на основе систем DRC. Инженерные проблемы — обеспечение равномерности распределения хладагента, нестабильность двухфазного потока и сложность интеграции контура хладагента в аккумуляторную батарею — значительны, но их все лучше понимают.

Погружное охлаждение

При иммерсионном охлаждении элементы аккумуляторной батареи погружаются непосредственно в диэлектрическую жидкость, полностью устраняя термическое сопротивление между элементом и холодной пластиной. Как однофазные (фторуглерод или минеральное масло), так и двухфазные (кипение фторуглерода) погружные системы находятся в стадии активной разработки многими OEM-производителями и производителями аккумуляторов. Погружное охлаждение теоретически может поддерживать скорость зарядки выше 6°C (полная зарядка за 10 минут), чего не могут обеспечить конструкции с твердой охлаждающей пластиной. Основными препятствиями для развертывания производства являются стоимость жидкости, сложность уплотнений, а также нормативная база и система безопасности для управления диэлектрической жидкостью в условиях обслуживания транспортных средств.

Структурные холодные пластины в архитектуре «от ячейки к упаковке»

Аs cell-to-pack designs eliminate intermediate module housings, the cold plate is increasingly required to serve both thermal and structural functions simultaneously — acting as the pack's bottom structural member while cooling the cells above it. This dual-function requirement drives development of холодные пластины из высокопрочного алюминиевого сплава (серия 7xxx) со сложной архитектурой внутренних каналов и конструкцией композитных холодных пластин с усилением из углеродного волокна для дополнительной жесткости без потери веса. Концепция структурной холодной пластины напрямую позволяет создавать более тонкие и легкие конструкции аккумуляторов, которые имеют решающее значение для достижения целевых показателей удельной энергии аккумуляторов 400 Втч/кг для электромобилей следующего поколения.