Flüssigkühllösungen in Elektrofahrzeugen

Der Transportmarkt befindet sich derzeit in einem signifikanten, grundlegenden Wandel hin zur Elektromobilität. Globale Trends, die von Umweltbewusstsein, historischen Gaskrisen und Urbanisierung in Kombination mit Kundenanforderungen nach mehr Konnektivität, sichererem Fahren, maximaler Effizienz, Nachhaltigkeit und Kosteneinsparungen reichen, haben zu einem exponentiellen Wachstum der Nachfrage nach und Nutzung von Elektrofahrzeugen (EVs) geführt.

Die globale Elektronikflotte ist in den letzten zehn Jahren dramatisch gestiegen; Mit 2019 Jahren waren schätzungsweise 5,6 Millionen Elektrofahrzeuge unterwegs, wobei Marktexperten schätzen, dass bis 2040 mehr als die Hälfte der Neuwagen elektrisch sein werden.

Bedenken hinsichtlich der bisher begrenzten Einführung von Elektrofahrzeugen wurden angesprochen, wie z. B. Batteriekosten, Sicherheit, Zuverlässigkeit, Verfügbarkeit von Ladestationen und Technologiebeschränkungen. Derzeit laden sich Batterien schneller, die Leistung wird effizienter umgewandelt und die Geschwindigkeit, Komplexität, Konnektivität und Rechenleistung der Elektronik steigt. Als Nebenprodukt entsteht jedoch ein neues Hindernis für die Skalierbarkeit und das Wachstum des Marktes: mehr Wärme.

Es gibt mehrere kritische Überlegungen zu allen Wärmemanagementsystemen in Elektrofahrzeugen, von denen eine der wichtigsten die Umweltbedingungen sind. Fahrzeuge müssen in der Lage sein, mit garantierter Leistung, Sicherheit und Zuverlässigkeit unter Bedingungen mit unterschiedlichen Temperaturextremen, Feuchtigkeitsständen, Niederschlägen, Exposition gegenüber Sand, Salzwasser und anderen Umweltfaktoren zu arbeiten. Fahrzeuge können auch unwegsamem Gelände, extremen Stößen und Vibrationen, Kollisionseinwirkungen, elektromagnetischen Störungen durch fortschrittliche elektronische Systeme und vielen anderen Faktoren ausgesetzt sein. Kritische Komponenten und Systeme müssen so konzipiert sein, dass sie vor bekannten möglichen Gefahren schützen und gleichzeitig wartungsfreundlich, einfach zu warten und kosteneffizient sind.

Optimiertes Design beginnt mit der Auswahl der am besten geeigneten Materialien für spezifische Leistung und Umweltbelastung in optimierten Geometrien, die mehrere Funktionen in eine Lösung integrieren, die Material- und Montagekosten minimiert, wie z.B. die Integration von Schutz und struktureller Funktionalität in eine Kühllösung. Strenge Tests und Qualitätssicherung sind ebenfalls ein Schlüsselaspekt, um eine zuverlässige und hohe Leistung in anspruchsvollen Umgebungen aufrechtzuerhalten.

Die wichtigsten Technologien, die das Wachstum und die Akzeptanz von eMobility fördern, sind Batterien und Wechselrichter, die Batterieenergie in mechanische Leistung umwandeln, um ein Fahrzeug anzutreiben.

Es gibt eine Korrelation zwischen der Senkung der Batteriekosten und der Einführung von Elektrofahrzeugen, was dazu geführt hat, dass sich die Technik auf die Kosteneinsparungen bei Batterien konzentriert. Verbesserungen bei Batteriekapazität, Ladegeschwindigkeit und Zuverlässigkeit haben Innovationen vorangetrieben, um leichtere, kleinere und leistungsstärkere Batterien für eine bessere Leistung und niedrigere Gesamtbetriebskosten zu entwickeln. Kostensparende Maßnahmen und Designinnovationen für Batterien führen zu Wärmelasten mit höherer Dichte, die in einem kompakten Formfaktor bewältigt werden müssen. Kühlsysteme müssen so entwickelt werden, dass sie die Anforderungen an Größe, Gewicht und Leistung erfüllen, dürfen aber auch die Kostensenkung für die Batterie nicht zunichte machen.

Wechselrichter mit höherem Wärmestrom, die notwendig sind, um die elektrische Energie für den Betrieb des Fahrzeugs nutzbar zu machen, fügen den notwendigen Wärmeabweisungssystemen eine weitere Komplexitätsebene hinzu. Batterien und Wechselrichter mit hohem Wärmestrom arbeiten zusammen, obwohl ihre Kühlanforderungen sehr unterschiedlich sein können. Das Batterie-Wärmemanagement beruht auf der Maximierung der Oberfläche, die gleichmäßig gekühlt werden kann. Die Leistungsdichte des Wechselrichters variiert durch lokalisierte Wärmequellen mit hoher Leistungsdichte, die eine lokale Wärmeverteilung und -kühlung erfordern. Wechselrichter müssen auch unter kritischen Temperaturen gekühlt werden, um die Fahrzeugleistung zu optimieren. Ein Kühlsystem muss für die optimale Kühlung von Batterien und verschiedenen Wechselrichtern aus demselben System, Kühlmittel und Kühlkreislauf für Platz-, Gewichts- und Kosteneinsparungen maßgeschneidert sein.

Die Kühlung herkömmlicher Personenkraftwagen konzentriert sich auf einen Verbrennungsmotor, der unterschiedliche thermische Anforderungen und Systemdesignanforderungen hat. Elektrofahrzeuge haben einen völlig neuen Kühlbedarf mit einem völlig anderen Systemdesign. Ingenieure müssen erfinderisch und vorausschauend sein, um neue Technologien voll auszuschöpfen und Systeme von Grund auf neu zu gestalten und gleichzeitig die Sicherheitsprotokolle und Standardfunktionen der Automobilindustrie beizubehalten, an die die Fahrer gewöhnt sind.

Verbrennungsbetriebene Fahrzeuge benötigen das Motorsystem, um extreme Abgastemperaturen aus dem Verbrennungsprozess thermisch zu steuern. Die Verwendung von Batterien anstelle der Verbrennung beseitigt die Herausforderung, extrem hohe Temperaturen zu bewältigen, führt jedoch neue Designprobleme wie das Management der elektrischen Umwandlungsenergie innerhalb der symbiotischen Beziehung zwischen Batterien und Wechselrichtern ein.

Integrated Liquid Systems hat sich als die am besten geeignete Lösung für die Bewältigung neuer thermischer Herausforderungen für Batterien und Wechselrichter erwiesen, um den wachsenden Kundenbedürfnissen von eMobility gerecht zu werden. Flüssigkeitssysteme bieten die effizienteste Kühlung und Flexibilität im Design, um die Anforderungen sowohl der Batterie als auch der Wechselrichter in einem zentralen thermischen System zu erfüllen. Die Verwendung einer optimierten Schleife ermöglicht die bestmögliche Leistung für jede Systemkomponente sowie Einsparungen bei Gewicht, Platz und Kosten.

Zu den vollständig optimierten Flüssigkeitssystemen gehören in der Regel:

• Kühlplatten, die für die Anforderungen der Wärmequelle für die Kühlung von Hot Spots oder den maximalen Oberflächenkontakt ausgelegt sind. Es ist wichtig sicherzustellen, dass diese Kühlplatten gründlich getestet und hergestellt werden, um leckagefrei, zuverlässig und extrem langlebig zu sein.
• Thermische Schnittstelle Materialien und Montagematerial, um minimale Verluste während der Wärmeübertragung von Wärmequelle zu Kühlsystem für maximale Wärmeableitung zu gewährleisten.
• Wärmetauscher und Heizkörper, die darauf ausgelegt sind, Wärme so schnell wie möglich in geschlossenen Räumen abzuleiten.
• Steckverbinder, Schläuche, Pumpen, Behälter und andere Hardware, die Zuverlässigkeit, Haltbarkeit und einfache Systemwartung gewährleisten.
• Zusätzliche integrierte Technologien zur Verbesserung der Leistung und Reduzierung des Systemgewichts oder der Systemgröße wie Heatpipes, fortschrittliche technische Materialien, Lüfter, Gebläse und fortschrittliche Kühlkörperflossentypen.

Zusätzlich zu den typischen Herausforderungen in Bezug auf Größe, Gewicht, Leistung und Kosten (SWAP-C); Die größte Schwierigkeit bei der Entwicklung von Flüssigkeitssystemen für den Motorraum in Elektrofahrzeugen besteht darin, die inhärenten Unterschiede in den Kühlanforderungen für Batterien und Wechselrichter über einen einzigen Kühlkreislauf in Einklang zu bringen und zu verwalten. Der Schlüssel zur Bewältigung dieser Schwierigkeiten liegt in der Kaltplattenkonstruktion.

• Die Maximierung der möglichst gleichmäßig gekühlten Oberfläche ist der Schlüssel zu einer optimierten Batteriekühlung.
• Während Batterie-Kühlplatten keine Lamellenverbesserungen erfordern, wie sie in Inverter-Kühlplatten enthalten sind, muss der Flüssigkeitspfad innerhalb der Platte sorgfältig entworfen werden, um so viel Oberfläche wie möglich abzudecken.
• Die Wärmestromdichte von Batterien ist viel geringer als bei einem Wechselrichter, jedoch sind die kalten Platten viel größer, um einen Kontakt mit einer höheren Oberfläche aufzunehmen und ein strukturelles Gehäuse zu bieten, um Flüssigkeit in den gesamten Randbereich der Batterie zu bringen. Dieses strukturelle Gehäuse erstreckt sich auf den Schutz von Batteriepacks und daher muss die gesamte Baugruppe in der Lage sein, strenge Schock- und Vibrationsspezifikationen zu erfüllen.
• Kühlplatten müssen so konstruiert sein, dass sie nicht nur größer, sondern auch dünner sind, um die Anzahl der Zellen zu optimieren, die Sie in den Akkupack einbauen können. Dies wird eine große Rolle bei Design for Manufacturing (DFM) spielen und wie Kosteneinsparungen erzielt werden können. Druckgussplatten sind keine praktikable Option; Gestanztes Aluminium mit geformten Strömungspassagen sind die optimalere Wahl.
• Innerhalb eines Batteriearrays kann es verschiedene Spannungspotentiale geben, bei denen ein dielektrisches Material in Verbindung mit einem konformen Wärmeleitpad erforderlich ist. Die richtige Kombination von elektrischer Barriere und Wärmeleitpads ist unerlässlich, um den besten Kühlmantel für ein Batteriemodul zu erreichen.

• Der Wechselrichterbetrieb erzeugt eine erhebliche Menge an Wärme, die dramatisch gekühlt werden muss, um kritische Temperaturen zu erreichen und die Leistungsanforderungen zu erfüllen, die das Fahrzeug antreiben.
• Der Wärmestrom von Wechselrichtern ist so groß, dass die thermische Schnittstelle zur Kühlplatte fast 50 % des gesamten Wärmeverlusts beträgt. Spezielle Montage- und Schnittstellenmaterialien müssen so konzipiert sein, dass sie die Kühlplatte befestigen und höhere Druckbelastungen mit dünnen Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit bieten.
• Die Wahl des richtigen Produktkonstruktions- und Herstellungsprozesses ist aufgrund der breiten Palette von Designoptionen in der Branche komplexer. Zu den gängigen Designs gehören unter anderem gelötetes Aluminium mit oder ohne Lamellenverbesserungen, geschliffene Aluminiumlamellen, die hermetisch an einem Druckguss-Fluidgehäuse befestigt sind, und leistungsstärkere plattierte Kupfer-Skived-Lamellen. Für jede Option müssen die Konstrukteure auch überlegen, wie die Wärmeleitfähigkeit des Materials und das Lamellendesign mit Kühlmittelfluss und resultierendem Druckabfall optimiert werden können, um sicherzustellen, dass das Fahrzeugkühlsystem rentabel ist.
• Bisherige Druckgussverfahren zur Kühlung in einem Verbrennungsmotor sind für Wechselrichter keine Option, da die Wärmeleitfähigkeit von Aluminium-Druckguss geringer ist als die von Aluminiumspulen. Aluminium-Druckguss kann nur für das Fluidgehäuse verwendet werden und ist für den Kontakt mit dem Wechselrichter weniger geeignet.

Boyd hat jahrzehntelange Erfahrung, Expertise und Innovationen in allen Aspekten der Wärmemanagementtechnologie genutzt, um optimierte, integrierte Systeme zu entwickeln, die die Anforderungen und Erwartungen an die eMobility-Kühlung übertreffen. Durch die Entwicklung neuer Technologien, die Verfeinerung von Fertigungsprozessen und die enge Zusammenarbeit in Partnerschaften mit Branchenführern ist Boyd einzigartig positioniert, um ein schnelleres Marktwachstum und eine weitere Marktdurchdringung für Elektrofahrzeuge zu ermöglichen, indem vergangene und aktuelle Bedenken gemildert werden. Dazu gehören fortschrittliche Leichtbauweise, bessere Leistung, integrierte Designs, die mehr strukturelle Stabilität und Funktionalität bieten, sowie Verbesserungen bei der Zusammenarbeit von Systemen, um Kosten und Designvolumen zu senken.

Mit Blick auf die Zukunft werden sich zukünftige Schlüsselüberlegungen wahrscheinlich auf eine bessere Durchflusskontrolle und die Ermöglichung zusätzlicher Wärmekapazität konzentrieren, da Fahrzeuge mehr Sicherheit, Antriebsverbesserungen, mehr Konnektivität und Leistung bieten. Aktuelle Lösungen sind für stationäre oder im schlimmsten Fall konstante Last ausgelegt, was eine solide Designstrategie ist, aber die Fahrzeugleistung beeinträchtigen kann. Boyd arbeitet bereits mit eMobility-Kunden zusammen, um thermische Lösungen der nächsten Generation zu entwickeln, die besser reguliert sind, um Kühlung und optimierte Kapazität zur richtigen Zeit an die richtigen Wärmequellen zu liefern. Zu den Fortschritten gehören das Hinzufügen und Konfigurieren von Schnellventilen, um schnellere Reaktionszeiten zu bieten, um Kühlmittel basierend auf den Temperaturen des elektronischen Geräts und der Echtzeit-Leistungsbelastung durch das System zu bewegen.

Darüber hinaus bringt Boyds Entwicklung von leistungsstärkeren Flüssigkeits-zu-Flüssigkeits-Wärmetauschern zusätzliche Wärmekapazität und Kühlmitteltemperaturreduzierung, insbesondere in Zeiten von Stromzyklen, die vorübergehend und nicht stationär sein können.

Kunden fordern schnelleres, allgegenwärtigeres Laden von Elektrofahrzeugbatterien. Die Verfügbarkeit von Ladegeräten trägt wesentlich zur Akzeptanz, zum Marktwachstum und zur Differenzierung fortschrittlicher EV-Marken bei. Das Laden von Elektrofahrzeugen erzeugt über einen längeren Zeitraum große Mengen an Wärme, die je nach Batteriegröße schwanken können, und dies stellt einzigartige Sicherheits- und Leistungsherausforderungen dar.

Schnelles Laden erfordert eine höhere Spannung. Eine höhere Spannung bedeutet, dass das Wärmemanagementsystem, insbesondere die Kühlplatte, sowohl thermisch gekoppelt als auch galvanisch vom Ladestecker getrennt sein muss. Das Gleichgewicht zwischen hoher Wärmeleitfähigkeit und kritischer Durchschlagsfestigkeit steht sich bei der Bewertung bestimmter Materialien gegenüber. Dies erfordert sehr spezifische Designgeometrien und Standortpositionen für Schnittstellenlösungen in Verbindung mit Hochleistungskälteplatten.

Glücklicherweise haben Ingenieure bei Ladestationen die Möglichkeit, Umgebungsluftkühlungslösungen zu verwenden, die an den Ladeanschluss gekoppelt sind und Wärme direkt in die Umgebung ableiten, die kühler ist als ein geschlossener Motorraum. Ingenieure können die Größe und das Gewicht flüssiger Lösungen verringern, indem sie die Umgebungskühlung nutzen. Die Nutzung der Umgebungsluft bedeutet jedoch oft, dass Ladestationen den Elementen und rauen Umgebungsbedingungen ausgesetzt sind, so dass Komponenten und Gehäuse geschützt werden müssen. Diese Nuancen und Designüberlegungen führen dazu, dass die Kühlung von Ladestationen komplexer ist, als viele Konstrukteure erkennen.

Um diese einzigartigen Herausforderungen zu meistern, nutzt Boyd umfassende Tests, einzigartige, fortschrittliche Materialien und äußerst zuverlässige Lösungsintegrationen. Integrierte thermische Systeme werden angepasst, um die Leistung jeder Komponente zu maximieren und sicherzustellen, dass die Systemleistung größer ist als die Summe ihrer Teile.

Neben der Anzahl der elektronischen Systeme, die das Fahrzeug antreiben, gibt es eine Vielzahl anderer Technologien im Motorraum, in der Kabine und im Fahrzeugaußenbereich, die zusätzliche Funktionen ermöglichen. Konnektivität und intelligente Systeme schreiten im gleichen exponentiellen Tempo voran wie Elektrofahrzeuge. Sensoren, Kameras, Steuermodule, Infotainment, Energiesparmodi, Systemüberwachung, Touchscreens und Spracherkennung werden zu Standardtechnologien. Neue, innovative Technologien und Systeme entstehen weiter. Das autonome Fahren ist ebenfalls auf dem Vormarsch und bringt eine neue Reihe von Computer- und Sicherheitsbedürfnissen und Komplikationen mit sich.

Da sich die Funktionalität exponentiell weiterentwickelt, sind CPUs und GPUs, die für diese Vorgänge erforderlich sind, in Bezug auf Verarbeitungsleistung und -geschwindigkeit innovativ, erzeugen größere Wärmemengen und fügen neue Wärmequellen hinzu. Eine extrem dünne Wärmeverteilung ist von größter Bedeutung für die Handhabung neuer überschüssiger Wärme sowie für die Integration in das Kernflüssigkeitskühlsystem und die Kühlplatten.

Da die Funktionalität und Akzeptanz von Elektrofahrzeugen und eMobility-Anwendungen zunimmt und die Batteriegröße abnimmt, ist der wichtigste limitierende Faktor weiterhin das Wärmemanagement. Bauteile erzeugen deutlich mehr Wärme, aber die Fahrzeugformfaktoren bleiben gleich oder kleiner. Ohne mehr Platz für eine ausreichende Wärmeabfuhr sind fortschrittlichere Kühlsysteme mit höherer Effizienz die einzige Option. Die Entwicklung dieser effektiveren Lösungen, um die Anforderungen an Größe, Gewicht und Leistung zu erfüllen, ohne die Kosteneffizienz zu beeinträchtigen, erfordert extreme Liebe zum Detail in allen Aspekten des Kühldesigns und der Materialauswahl.

Boyd konzentriert sich auf die Entwicklung zukunftsorientierter, leistungsstarker Systeme mit einem einzigen Kühlkreislauf, integrierten Komponenten und fortschrittlichen Technologien für eine optimierte regulierte Kühlung und einen schnellen Übergang. Boyds Fokus auf Innovation und Kundenpartnerschaften stellt sicher, dass unsere Kühlsysteme so innovativ sind wie die Fahrzeuge, die sie unterstützen. Unser Engagement für die Forschung und Entwicklung der eMobility stellt sicher, dass unsere Innovation den Anforderungen der nächsten Generation voraus ist.