การจัดการความร้อนของระบบส่งกำลัง NEV: ตัวแลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่นอะลูมิเนียม-ครีบ

คำตัดสิน: เทคโนโลยีเพลทอะลูมิเนียมช่วยยึดระบบระบายความร้อน NEV สมัยใหม่

ในการขับเคลื่อนเพื่อเพิ่มช่วง ความหนาแน่นของกำลัง และความน่าเชื่อถือ ระบบส่งกำลังของรถยนต์พลังงานใหม่ไม่สามารถยอมลดความร้อนลงได้ เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบครีบเพลทอะลูมิเนียมได้กลายเป็นหัวใจสำคัญทางวิศวกรรมของความพยายามนี้เนื่องจากมีความสมดุลอย่างมีเอกลักษณ์ ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนสูง (สูงถึง 5,000 W/m²K ในด้านอากาศ) ด้วย น้ำหนักลดลง 30–40% เหนือการออกแบบทองแดงทองเหลืองหรือครีบท่อแบบดั้งเดิม โครงสร้างอะลูมิเนียมประสานช่วยให้มีครีบบาง มีความหนาแน่นของพื้นที่ผิวสูง และมีโครงสร้างที่รีไซเคิลได้ทั้งหมด ซึ่งสนับสนุนโดยตรงต่อเป้าหมายด้านประสิทธิภาพการใช้พลังงานเชิงรุกและการมีน้ำหนักเบาของรถยนต์ไฟฟ้าที่ใช้แบตเตอรี่ ปลั๊กอินไฮบริด และยานพาหนะเซลล์เชื้อเพลิง บทความนี้จะตรวจสอบเหตุผลด้านเทคนิค การผลิต และระดับระบบว่าทำไมตัวแลกเปลี่ยนความร้อนครีบเพลตอะลูมิเนียมจึงเป็นโซลูชันที่ต้องการ ซึ่งได้รับการสนับสนุนโดยข้อมูลประสิทธิภาพและรูปแบบการรวมในโลกแห่งความเป็นจริง

ความท้าทายด้านความร้อนที่มีเฉพาะในระบบส่งกำลัง NEV

ระบบส่งกำลัง NEV สร้างความร้อนบนส่วนประกอบต่างๆ เช่น ชุดแบตเตอรี่ มอเตอร์ไฟฟ้า อินเวอร์เตอร์ ตัวแปลง DC-DC และอุปกรณ์ชาร์จในตัว ซึ่งมักจะอยู่ภายในกล่องใต้ฝากระโปรงที่บรรจุแน่นหนาหรือพื้นที่แชสซีของสเก็ตบอร์ด ต่างจากเครื่องยนต์สันดาปภายในที่สามารถจ่ายอุณหภูมิน้ำหล่อเย็นที่สูงขึ้นและมีพื้นที่หม้อน้ำด้านหน้าขนาดใหญ่ NEV จะต้องเก็บเซมิคอนดักเตอร์และเซลล์ลิเธียมไอออนไว้ในหน้าต่างอุณหภูมิที่แคบ ตัวอย่างเช่น เซลล์แบตเตอรี่ความหนาแน่นพลังงานสูงจำนวนมากต้องการอุณหภูมิการทำงานสูงสุดที่ต่ำกว่า 45°ซ ในขณะที่ทางแยกอิเล็กทรอนิกส์กำลังจะต้องอยู่ต่ำกว่าปกติ 175°ซ . สิ่งนี้ต้องการเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนขนาดกะทัดรัดที่สามารถรองรับลูปของไหลหลายลูป (น้ำ-ไกลคอล สารทำความเย็น น้ำมันอิเล็กทริก) ที่มีแรงดันตกคร่อมต่ำและประสิทธิภาพสูง ซึ่งตรงกับรูปแบบที่รูปทรงครีบเพลตมีความเป็นเลิศ

บรรจุภัณฑ์ที่แน่นหนาและความต้องการหลายวงจร

รถยนต์ไฟฟ้าที่ใช้แบตเตอรี่ 400 V หรือ 800 V ทั่วไปอาจรวมวงจรทำความเย็นแบบรวมสำหรับมอเตอร์ อินเวอร์เตอร์ และแบตเตอรี่ โดยมักจะมีวงจรทำความเย็นสำหรับเครื่องปรับอากาศในห้องโดยสาร เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบครีบเพลทสามารถออกแบบให้เป็นหน่วยของเหลวหลายทางผ่านได้ภายในแกนประสานเดี่ยว ช่วยให้ส่วนประกอบเดียวสามารถจัดการได้ กระแสของเหลวที่แตกต่างกันสามสาย พร้อมกัน ซึ่งจะช่วยลดจุดเชื่อมต่อ เส้นทางการรั่วไหลที่อาจเกิดขึ้น และพื้นที่การประกอบเมื่อเปรียบเทียบกับกลุ่มของยูนิตแบบเปลือกและท่อหรือครีบแบบท่อที่แยกจากกัน

เหตุใดรูปทรงครีบแผ่นอะลูมิเนียมจึงมีประสิทธิภาพเหนือกว่าทางเลือกอื่น

สถาปัตยกรรมเพลทฟินจะเรียงแผ่นเรียบที่แยกออกจากกันด้วยครีบลูกฟูก ทั้งหมดประสานเป็นบล็อกเสาหิน สิ่งนี้จะสร้างความหนาแน่นของพื้นที่ผิวการถ่ายเทความร้อนปฐมภูมิของ 800–1,500 ตร.ม./ตร.ม มากกว่าตัวแลกเปลี่ยนแบบเปลือกและท่อทั่วไปถึงสิบเท่า อลูมิเนียมอัลลอยด์จากซีรีส์ 3xxx (เช่น 3003 พร้อมแผ่นหุ้มประสาน 4004 หรือ 4045) ให้การนำความร้อนที่ดีเยี่ยม (ประมาณ 160 วัตต์/เมตร·เค ) ความต้านทานการกัดกร่อนด้วยสารเคมีหล่อเย็นที่เหมาะสม และความเหนียวสูงสำหรับการปั๊มลวดลายครีบที่ซับซ้อน ครีบแถบแบบบานเกล็ดหรือออฟเซ็ตจะขัดขวางชั้นขอบเขตเพิ่มเติม เพิ่มค่าสัมประสิทธิ์ด้านอากาศหรือด้านน้ำมันอย่างมาก

ข้อมูลยืนยันว่าแกนครีบเพลทอะลูมิเนียมมีอัตราส่วนความหนาแน่นการถ่ายเทความร้อนต่อมวลในระดับชั้นนำ ขณะเดียวกันก็รักษาความเท่าเทียมกันหรือความได้เปรียบด้านต้นทุนผ่านการบัดกรีอัตโนมัติและการใช้วัสดุน้อยที่สุด การออกแบบช่องไมโครสามารถตัดครีบเพลทออกได้เล็กน้อยในการวัดปริมาตรล้วนๆ แต่แรงดันอากาศด้านข้างที่ลดลงมักจะต้องใช้พัดลมขนาดใหญ่ขึ้นและกำลังปรสิตมากขึ้น ส่งผลให้ประสิทธิภาพของระบบตาข่ายในยานพาหนะลดลง

ผลกระทบโดยตรงต่อการจัดการความร้อนของแบตเตอรี่

การป้องกันการหนีความร้อนของแบตเตอรี่และการรักษาอายุการใช้งานขึ้นอยู่กับการระบายความร้อนสม่ำเสมอ แผ่นเย็นครีบแผ่นอะลูมิเนียมที่รวมอยู่ในฐานโมดูลหรือระหว่างอาร์เรย์เซลล์ ทำให้อุณหภูมิภายในมีความสม่ำเสมอ ±2°ซ ทั่วทั้งแพ็คเมื่อออกแบบให้มีความหนาแน่นของครีบและการกระจายการไหลที่เหมาะสมที่สุด อุณหภูมิคงตัวในระดับนี้สามารถยืดอายุวงจรได้สูงสุดถึง 20% เมื่อเปรียบเทียบกับกลยุทธ์การทำความเย็นที่สม่ำเสมอน้อยกว่า ตามการทดสอบการเร่งอายุของเซลล์ปริซึม NMC แผ่นเย็นครีบเพลตที่ใช้ระยะพิทช์ครีบ 1.0–1.5 มม. และทางเดินไมโครช่องยังช่วยระบายความร้อนด้วยการแช่ของเหลวอิเล็กทริกโดยมีความต้านทานความร้อนน้อยที่สุดด้านล่าง 0.05 กิโลวัตต์/วัตต์ .

• ความเฉื่อยทางความร้อนต่ำเนื่องจากมวลอะลูมิเนียมทำให้เย็นลงอย่างรวดเร็วระหว่างการชาร์จแบบรวดเร็ว ช่วยรักษาพลังงานการชาร์จสูงสุดให้สูงกว่า 250 kW เป็นระยะเวลานานขึ้น
• ความเข้ากันได้กับของเหลวอิเล็กทริกที่ไม่ติดไฟและมีค่าการนำไฟฟ้าต่ำช่วยลดความเสี่ยงของการลัดวงจรโดยไม่ทำให้การถ่ายเทความร้อนลดลง
• โครงสร้างอะลูมิเนียมประสานช่วยขจัดปะเก็น ลดความเสี่ยงที่สารหล่อเย็นรั่วเข้าไปในช่องใส่แบตเตอรี่ไฟฟ้าแรงสูง

บูรณาการการระบายความร้อนของมอเตอร์และอิเล็กทรอนิกส์กำลัง

หน่วยขับเคลื่อนไฟฟ้ารวมมอเตอร์ กระปุกเกียร์ และอินเวอร์เตอร์ไว้ในตัวเครื่องเดียว โดยต้องใช้อินเทอร์เฟซระบายความร้อนที่ใช้ร่วมกัน ตัวทำความเย็นน้ำมันครีบเพลทอะลูมิเนียมที่รวมอยู่ในโครงมอเตอร์หรือลูปบายพาสภายนอกจะกระจายความร้อนจากทั้งขดลวดสเตเตอร์และแบริ่งโรเตอร์ ใช้การออกแบบแผ่นครีบที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางไฮดรอลิกของ 2–4 มม ในด้านน้ำมัน หน่วยขนาดกะทัดรัดเพียงหน่วยเดียวสามารถปฏิเสธได้ 8 กิโลวัตต์ ของความร้อนในขณะที่รักษาอุณหภูมิช่องจ่ายน้ำมันให้ต่ำกว่า 85°ซ ในชุดขับเคลื่อนประสิทธิภาพสูงขนาด 200 กิโลวัตต์ สำหรับโมดูลพลังงาน แผ่นฐานอะลูมิเนียมที่เชื่อมติดโดยตรงพร้อมช่องครีบแผ่นภายในจะช่วยลดความต้านทานความร้อนจากจุดต่อไปยังน้ำหล่อเย็นให้เหลือต่ำกว่า 0.15 กิโลวัตต์/วัตต์ ทำให้สามารถใช้ IGBT ซิลิคอนที่มีราคาถูกกว่าโดยรักษาอุณหภูมิทางแยกไว้ข้างใต้ 150°ซ แม้ในช่วงโหลดสูงสุด

ปรับสมดุลแรงดันตกและกำลังปั๊ม

ตัวเลือกการออกแบบที่สำคัญคือความหนาแน่นของครีบเทียบกับแรงดันตกคร่อม ด้านของเหลวจะเป็นแผ่นครีบแบตเตอรี่แบบเย็นทั่วไปด้วย 12 ครีบต่อนิ้ว (FPI) ทำให้แรงดันน้ำหล่อเย็นลดลงประมาณ 15 ปาสคาล ที่อัตราการไหล 10 ลิตร/นาที ช่วยกักเก็บปรสิตของปั๊มไฟฟ้าไว้ข้างใต้ 50 วัตต์ . การลงโทษที่ต่ำนี้ช่วยให้รถควบคุมพลังงานแบตเตอรี่ไปสู่การยึดเกาะถนนได้มากขึ้น การปรับระยะฟันเลื่อยและความยาวออฟเซ็ตสามารถลดแรงกดลงได้อีก 20% โดยไม่กระทบต่อการถ่ายเทความร้อน รูปทรงของครีบท่อที่มีความยืดหยุ่นไม่สามารถเทียบเคียงได้

ข้อดีด้านการผลิต ต้นทุน และความยั่งยืน

กระบวนการประสานสุญญากาศแบบฉีดครั้งเดียวที่ใช้สำหรับแกนครีบแผ่นอะลูมิเนียมนั้นสามารถปรับขนาดได้อย่างแท้จริง ด้วยสายการผลิตที่ทันสมัย 500,000 หน่วยต่อปี ต่อเตา การใช้วัสดุเกินกว่า 95% เนื่องจากเศษครีบจะถูกนำไปรีไซเคิลเป็นแผ่นใหม่โดยตรง แผ่นเย็นแบตเตอรี่ EV ทั่วไปที่ใช้อลูมิเนียมหุ้ม 3003/4045 สามารถส่งมอบต้นทุนการผลิตทั้งหมดภายใต้ $25 ต่อหน่วย ในปริมาณที่ต่ำกว่าประสิทธิภาพที่เทียบเท่าจากหน่วยทองแดง-ทองเหลืองอย่างมาก การไม่มีสารตกค้างของฟลักซ์และการทำความสะอาดหลังการบัดกรีเพียงเล็กน้อยยังช่วยลดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม ซึ่งสอดคล้องกับเป้าหมายการลดรอยเท้าคาร์บอนตลอดอายุการใช้งาน

1. การตอกครีบ แผ่นแยกส่วน และแถบด้านข้างจากขดลวดอลูมิเนียมหุ้ม
2. การวางซ้อนและยึดด้วยการควบคุมช่องว่างที่แม่นยำสำหรับความสูงของครีบ
3. การบัดกรีแข็งแบบสุญญากาศที่อุณหภูมิ ~600°C ทำให้เกิดพันธะทางโลหะวิทยาที่ทุกจุดสัมผัส
4. การทดสอบการรั่วไหลและการสลายตัวของแรงดัน จากนั้นรวมเข้ากับโมดูลทำความเย็น

การบูรณาการระดับระบบและความพร้อมในอนาคต

แพลตฟอร์ม NEV ยุคถัดไปกำลังรวมลูปการระบายความร้อนเข้ากับระบบการจัดการระบายความร้อนแบบรวม (ITMS) โดยใช้สถาปัตยกรรมปั๊มความร้อน เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบครีบแผ่นอะลูมิเนียมทำหน้าที่เป็นคอนเดนเซอร์ภายใน เครื่องระเหย และปั๊มความร้อนภายนอก เนื่องจากความสามารถในการทำงานกับสารทำความเย็น GWP ต่ำ เช่น R-1234yf และ R-290 ความแข็งแกร่งของโครงสร้างและความต้านทานการกัดกร่อนทำให้สามารถติดตั้งโดยตรงในโมดูลส่วนหน้าโดยไม่ต้องใช้ขายึดที่มีน้ำหนักมาก ด้วยการใช้เครื่องทำความเย็นแบบเพลทฟินที่รวมวงจรสารทำความเย็นและสารหล่อเย็น ยานพาหนะจึงสามารถฟื้นตัวได้สูงสุดถึง 2.5 กิโลวัตต์ ความร้อนทิ้งจากระบบส่งกำลังเพื่ออุ่นห้องโดยสารในสภาพอากาศหนาวเย็น ขยายช่วงฤดูหนาวด้วย 10–15% ตามการจำลองของระบบ ความอเนกประสงค์นี้ทำให้สถาปัตยกรรมครีบเพลตอะลูมิเนียมไม่เพียงแต่เป็นส่วนประกอบด้านความร้อนเท่านั้น แต่ยังเป็นตัวช่วยเชิงกลยุทธ์ในการเพิ่มประสิทธิภาพพลังงานของยานพาหนะทั้งหมด