Hybridfahrzeug – Fallstudie
Projektdetails
Kunde: Infineon
Bewerbung Elektro- und Hybridfahrzeuge
Technologie: Flüssigkeitskühlung
Industrie: Automobil
Standort: Deutschland
Die Designherausforderung
Die Entwicklung und Produktion von Elektro- und Hybridfahrzeugen liegt in den letzten 2 Jahrzehnten im Aufwärtstrend und dieser wird wahrscheinlich in den nächsten 20 Jahren exponentiell wachsen. Autohersteller versuchen, saubere, billigere Energie zu verwenden und den CO2-Vorschriften weltweit bis 2020 nachzukommen. Aus diesem Grund werden Elektro- und Hybridfahrzeuge einen viel größeren Marktanteil erringen.
Die Leistung, die für den Betrieb eines Fahrzeugs in Kombination mit dem Designbedarf für kompakte, leichte Wechselrichter benötigt wird, hat das Wärmemanagement jedoch zu einem wichtigen Stolperstein für Automobilingenieure und -hersteller gemacht. Thermische Lösungen für diese Leistungsmodule müssen leicht, klein genug, um in den Antriebsstrang zu passen, leistungsstark genug, um extrem heiße Komponenten zu kühlen, und kosteneffizient genug, um die Preispunkte für diese Fahrzeuge nicht zu erhöhen.
Um diese Herausforderungen zu meistern, kam Infineon Technologies zu Aavid, der Thermal Division der Boyd Corporation, um Hilfe bei der Entwicklung einer Kühllösung für ihre neueste Powermodule-Familie, HybridPACK™ Double Sided Cooling (DSC) für Hybrid- und Elektrofahrzeuge, zu erhalten. Ihre Maße und Merkmale ermöglichen eine größere Flexibilität dieser Module und ein kompaktes Design für die gesamte Anwendung. Zudem sind sie in der Lage, Wärme auf beiden Seiten des Moduls zu abzuleiten. Infineon und unser europäisches Designcenter analysierten ein Konzept für eine Flüssigkeitskühlungslösung, die das spezifische Leistungsniveau bietet.
Aavids Lösung
Die Spezifikationen für diese Anwendung: Strom, die von jedem der drei DSC-Module abgeführt werden soll, elektronische Verbindungen und Integration sowie Randbedingungen. Ausgehend von den Eigenschaften von DSC-Modulen und dem gewünschten thermischen Widerstand und Druckabfall begann Aavid mit der Analyse möglicher Konzepte von Flüssigkaltplatten (LCPs); die Grundidee war, einen LCP oben und einen LCP auf der Unterseite zu setzen, um die beiden aktiven Seiten jedes Moduls zu kühlen.
Verschiedene Schlüsselpunkte wurden berücksichtigt: Gesamtgeometrie, innenkühlerstruktur, Wandstärken, Ein- und Auslassposition, Ober-Boden-Anschluss, Montagetechnik und Zielkosten. Die Geometrie wird von den hauptsächlichen mechanischen Einschränkungen definiert: Maße der aktiven Fläche der DSC-Module, verfügbarer Platz rund um die Module und Integration in das Gesamtsystem.
Die innere Struktur wurde gemäß dem verlangten Leistungsniveau definiert (Wärmewiderstand und Druckabfall). Wesentlich war es hierbei, einen genau optimierten Turbulator hinzuzufügen, um die Austauschoberfläche und den Konvektionswärmeaustauschkoeffizienten zu vergrößern. Der Druckabfall musste hingegen unter dem bestehenden Grenzwert gehalten werden. Es wurden CFD-Simulationen durchgeführt. Die Dicke der Materials wurde eingehend beurteilt, um der geforderten Betriebstemperatur und dem Testdruck standzuhalten. Die weitere Analyse konzentrierte sich auf die Verbindung zwischen oberer und unterer Kühlplatte für Flüssigkeitskühlung (LCP) und die Position von Einlass und Auslass. An diesem Punkt wurde die Verbindung von Oberseite und Unterseite als LCP-extern betrachtet. Ermöglicht wurde dies durch flexible Schläuche und Klemmen (jede LCP hat eine Einlass- und eine Auslassöffnung). Auf diese Weise wurde eine Parallelverbindung zwischen der oberen und unteren LCP erzielt, mit dem Vorteil von zwei gleichen Parallelflüssen und folglich demselben Leistungsniveau beider Kühlplatten für Flüssigkeitskühlung.
Schließlich wurde die mechanische Klemmung zwischen Ober- und Unterseite untersucht: Unter Berücksichtigung des zu gewährleistenden Mindestabstands und der zu gewährleistenden Kreeseitenabstände wurden acht Befestigungspunkte extern zur aktiven Austauschfläche hinzugefügt. Die mechanische Verbindung zwischen Ober- und Unterseite kann entweder mit schnellen Elementen wie Nieten oder mit Schrauben erfolgen. Es wurden Prototypen dieses Konzepts angefertigt, um die Wärme- und Mechanikanalyse zu validieren. Die Ergebnisse der experimentellen Tests bestätigten, dass das Gerät geeignet ist, dem erforderlichen Druck standzuhalten und den angegebenen Wärmewiderstand und Druckabfall zu gewährleisten. Für die ersten Prototypen wurden Nieten verwendet, um die oberen und unteren Kühlplatten für Flüssigkeitskühlung zu klemmen.
Das von Aavid entwickelte Konzept und die Verfügbarkeit von Prototypen ermöglichten es der Autoindustrie, mit den Infineon HybridPACK DSC-Modulen schnell effiziente Wechselrichter und Elektrofahrzeuge zu entwerfen.