Par rapport au refroidissement par air, un système de refroidissement efficace est crucial pour garantir les performances et la sécurité des batteries lors du développement des véhicules électriques. Connue comme un composant de refroidissement essentiel au sein du système de gestion thermique, la plaque froide joue un rôle essentiel dans le système de refroidissement du véhicule électrique. Cet article se penche sur l'amélioration de la conductivité thermique des plaques froides grâce à l'optimisation de la conception, qui explore des stratégies telles que l'optimisation de la disposition et du nombre de canaux de refroidissement, la sélection de matériaux à haute conductivité thermique, l'application de technologies avancées de traitement de surface, l'optimisation des matériaux d'interface thermique (TIM) et en utilisant la simulation et l’analyse de modèles pour l’optimisation prédictive. Ces approches améliorent l’efficacité du refroidissement des véhicules utilisant de nouvelles énergies et prolongent la durée de vie des batteries, améliorant ainsi la sécurité et la fiabilité des véhicules. L'exploration détaillée de ces stratégies offre des informations techniques approfondies sur la conception et l'optimisation des systèmes de refroidissement pour les véhicules électriques.
Partie 1 : Technologies clés des plaques de refroidissement liquide pour la dissipation thermique
Partie 1 A : Optimisation de la conception multicanal
Optimisation de la disposition des canaux
Dans la recherche de systèmes de gestion thermique améliorés dans les véhicules électriques, l’optimisation de la disposition des canaux de refroidissement au sein des dissipateurs thermiques ou des plaques de refroidissement liquide constitue une stratégie cruciale. La disposition des canaux de refroidissement influence directement le chemin de conduction thermique, affectant par la suite la résistance thermique et l'efficacité globale de l'échange thermique du système de refroidissement. Parmi les différentes géométries de canaux (droits, en spirale et ramifiés), chacune présente des avantages et des considérations uniques en termes de distribution de chaleur, de complexité de fabrication et de comportement dynamique des fluides.
-Plaques froides à canal droit :
Avec sa conception simple et sa facilité de fabrication, la disposition des canaux droits est largement utilisée. Cette disposition fournit un chemin de refroidissement direct, permettant au liquide de refroidissement de passer rapidement à travers le bloc de batterie, ce qui le rend adapté aux blocs de batterie qui nécessitent une dissipation thermique uniforme et ont des charges thermiques relativement faibles. Dans les véhicules à énergie nouvelle, la disposition des canaux droits est particulièrement adaptée aux packs de batteries compacts et simples, tels que ceux des petits véhicules électriques ou des voitures hybrides, où une dissipation thermique efficace est nécessaire mais où l'espace et le coût sont limités.
Par exemple, la Chevrolet Volt classée comme véhicule électrique hybride rechargeable (PHEV) est la conception du bloc-batterie de la Chevrolet Volt qui intègre un mécanisme de refroidissement efficace pour maintenir la batterie dans son état de fonctionnement optimal. Son système de refroidissement peut utiliser des canaux droits pour simplifier le processus de refroidissement et minimiser l'occupation de l'espace afin d'améliorer ses performances thermiques.
-Canaux en spirale Plaques froides :
Les canaux en spirale améliorent l'efficacité de l'échange thermique en prolongeant le trajet d'écoulement du liquide de refroidissement et en augmentant le temps de contact entre le fluide et les parois du canal. Cette conception est particulièrement adaptée aux applications présentant des charges thermiques élevées ou à celles nécessitant une conduction thermique efficace. Par exemple,plaques froides à canal en spiralepermet également d'obtenir un transfert de chaleur plus uniforme, réduisant ainsi les charges thermiques élevées pour la dissipation thermique des véhicules EV. Cependant, cette conception peut conduire à une résistance au débit plus élevée, nécessitant des pompes plus puissantes pour maintenir le débit. Par conséquent, le choix des canaux en spirale est approprié lorsque le système peut tolérer une consommation d’énergie plus élevée et a des exigences élevées en matière d’efficacité de refroidissement.
-Plaques froides à canal ramifié :
La disposition des plaques de refroidissement liquide à canaux ramifiés divise le canal principal en plusieurs branches, permettant au liquide de refroidissement d'être réparti plus uniformément entre les différentes parties des blocs-batteries. Cette conception convient aux batteries aux formes irrégulières ou à la répartition inégale de la charge thermique. Il optimise le flux du liquide de refroidissement, garantissant que même les zones des batteries présentant des charges thermiques plus élevées reçoivent un refroidissement adéquat. La disposition des canaux ramifiés est applicable aux applications qui nécessitent une grande uniformité de température, comme dans les gros véhicules électriques et les voitures de sport électriques haut de gamme. Ces batteries nécessitent un contrôle précis de la température pour chaque cellule de batterie afin de garantir des performances et une sécurité optimales.
Par exemple, la Porsche Taycan est une voiture de sport électrique haute performance, connue pour ses performances de conduite exceptionnelles et ses capacités de charge rapide. Pour maintenir les performances de la batterie et prolonger sa durée de vie, le Taycan peut utiliser une conception de système de refroidissement complexe, comprenant une disposition de canaux ramifiés, pour obtenir une répartition uniforme de la température au sein des batteries.
L’avantage le plus important de cette approche est qu’elle isole le liquide de refroidissement des cellules/modules de batterie, éliminant ainsi tout risque potentiel pour la sécurité. La disposition des modules du Taycan est divisée en couches supérieure et inférieure, de sorte que son système de refroidissement par eau est également divisé en couches supérieure et inférieure, totalisant 13 branches de refroidissement. Chaque branche de plaques froides tubulaires dispose de deux tuyaux de refroidissement par eau parallèles comportant 10 canaux d'écoulement parallèles, et la taille de chaque canal est de 3 mm x 2 mm ; l'ensemble du tuyau de refroidissement a une épaisseur d'environ 4 mm et une largeur d'environ 35 mm.
Taille du canal et stratégie de distribution
Le choix de la taille des canaux joue un rôle crucial dans la conception des plaques froides liquides pour véhicules électriques, affectant également les performances globales du système de refroidissement secondaire. Les grands et petits trous dans la plaque froide ont leurs applications basées sur les besoins spécifiques et la conception des véhicules EV.
-Plaques froides à grand canal :
Les plaques froides à grands canaux font référence à celles avec un diamètre intérieur plus large, allant de 5 - 10 millimètres, qui sont considérées comme un choix efficace pour améliorer les performances d'écoulement du liquide de refroidissement en raison de leur faible pression et débit. Cette conception permet d'utiliser une pompe sans puissance élevée, réduisant ainsi la consommation énergétique du système. Les grandes configurations de canaux conviennent aux véhicules à énergie nouvelle avec une répartition de la charge thermique relativement uniforme et des exigences d'efficacité énergétique plus élevées. Par exemple, les véhicules électriques destinés aux déplacements urbains pourraient préférer les conceptions à grands canaux pour obtenir une efficacité de refroidissement raisonnable et réduire la consommation d'énergie en faveur d'une électronique haute puissance.
Dans les véhicules électriques où la charge thermique est répartie de manière relativement uniforme et où il existe une forte demande d'efficacité énergétique, les plaques froides à grands canaux sont particulièrement adaptées aux composants des véhicules électriques. Par exemple, certains bus urbains ont tendance à utiliser des conceptions à grands canaux pour obtenir une efficacité de refroidissement raisonnable et une consommation d'énergie réduite. Mais plus d’espace est nécessaire lors de l’utilisation d’une plaque froide pour liquide à grand canal. C'est la raison pour laquelle nous voyons rarement des plaques froides liquides à grands canaux dans les véhicules électriques privés, car les voitures électriques se concentrent souvent davantage sur l'utilisation de l'espace et la compacité globale du véhicule lors de la conception pour répondre aux besoins des consommateurs en matière d'expérience de conduite.
-Plaques Froides Petits Canaux :
En revanche,plaques froides à petits canaux(Environ un diamètre d'environ 5 millimètres) peut fournir un niveau élevé d'efficacité dans le transfert de chaleur pour les voitures électriques hautes performances et les véhicules électriques privés courants, car ils augmentent la surface entre le liquide de refroidissement et les parois du canal pour le contact, accélérant ainsi le flux. débit du liquide de refroidissement interne. De plus, les plaques froides à petits canaux offrent plus de chemins d'écoulement sur leur surface de montage dans un espace limité que les petites plaques froides ne peuvent pas parcourir.
En outre, la solution idéale, les objectifs de débit et de gestion thermique doivent également être pris en compte. Tu peuxcontactez notre ingénieurpour une consultation plus technique.
Partie 1 B : Sélection et application des matériaux
-Sélection des matériaux appropriés :
Il ne fait aucun doute que nous avons choisi une plaque froide en aluminium et un caloduc en cuivre pour la dissipation thermique lorsque nous envisageonsconductivité thermique de l'aluminium et du cuivreet le coût. En février 2024, le prix du cuivre par tonne était de 7,6 $00,00 $ avec l'alliage d'aluminium de 3500-4000 $. C’est donc un moyen rentable d’acheter de l’aluminium au lieu d’un alliage de cuivre.
De plus, le volume est également le point clé pour la fabrication de plaques froides liquides pour véhicules électriques. Comme illustré, 1 tonne d'alliage d'aluminium occupe un volume nettement plus important que l'alliage de cuivre en raison de la densité inférieure de l'aluminium, ce qui signifie que l'aluminium est un matériau approprié pour fabriquer une surface supérieure en raison de sa légèreté et le cuivre pour fabriquer des caloducs en raison de ses bonnes performances thermiques. Par exemple, on sait que les packs de batteries de l'Audi e-Tron pèsent 5 kg et 700 kg des packs de batteries au lithium, ce qui signifie que la plaque de refroidissement liquide n'occupait que 0,7 % du poids total. Mais si vous utilisez la plaque froide en cuivre, celle-ci représente plus de 2,5 % du poids total (environ 7,5 kg).
-Relation entre les performances de conductivité thermique et l'épaisseur du matériau :
L'épaisseur d'un matériau affecte l'efficacité de l'échangeur de chaleur. Les matériaux épais peuvent entraîner une résistance thermique accrue, tandis que les matériaux minces peuvent ne pas être suffisamment résistants mécaniquement et provoquer de graves problèmes tels que la pénétration thermique.
Le premier graphique montre qu'il est évident que la résistance mécanique du graphène est nettement supérieure à celle de l'aluminium et du cuivre, et qu'elle ne change presque pas avec l'épaisseur. La résistance mécanique de l’aluminium et du cuivre augmente légèrement à mesure que l’épaisseur augmente. Le deuxième graphique montre la relation entre l'épaisseur du matériau et la résistance thermique. La résistance thermique du graphène est très faible et n'est pratiquement pas affectée par l'épaisseur, alors que la résistance thermique de l'aluminium et du cuivre augmente linéairement avec l'augmentation de l'épaisseur.
Le troisième graphique ci-dessous montre la combinaison de la résistance mécanique, de l'épaisseur du matériau et de la résistance thermique. Nous pouvons voir que l'alliage d'aluminium {{0}}.08m a la meilleure résistance à la traction et une faible résistance thermique (0,36 degré W).
Partie 2 : Technologie de gestion thermique dans les plaques froides refroidies par liquide
Partie 2 A : Technologies de traitement de surface
-Revêtement de surface:
Les revêtements thermoconducteurs sont des traitements de surface spécialisés conçus pour améliorer l'efficacité de l'échange thermique des plaques de refroidissement par eau. Ces revêtements fonctionnent en améliorant la qualité de contact à l'interface thermique ou en renforçant les capacités de rayonnement thermique, en incorporant généralement des matériaux à haute conductivité thermique tels que l'argent, le cuivre et l'aluminium, ainsi que des nanomatériaux comme les nanotubes de carbone (CNT) et le graphène. Non seulement ces revêtements améliorent l’efficacité thermique, mais ils offrent également un certain degré de protection contre la corrosion et l’usure, prolongeant ainsi la durée de vie des plaques de refroidissement liquide.
-Traitement de surface :
Grâce au traitement de surface de la plaque de refroidissement par eau, la zone d'échange thermique peut être augmentée, améliorant ainsi l'efficacité du transfert de chaleur. Cette méthode améliore la capacité d'échange thermique entre le fluide et la surface de la plaque de base en augmentant la rugosité de la surface. Par exemple, comme le montre l'image, nous pouvons plier la plaque de refroidissement liquide pour garantir que le liquide de refroidissement traverse chaque partie de la batterie, améliorant ainsi les performances thermiques des plaques froides. Kaixin Aluminium se consacre à fournir des plaques de refroidissement liquide personnalisées et l'usinage de dissipateurs thermiques en aluminium selon vos besoins.
Kaixin Aluminium peut fournir plusieurs traitements de surface pour votre plaque froide en aluminium, par exemple, usinage CNC, anodisation, revêtement en poudre, pliage, etc... Ou, veuillez consulter notre blog "une solution rentable pour personnaliser un dissipateur thermique en aluminium et une plaque froide pour liquide" pour apprendre à économiser de l'argent dans la fabrication de plaques froides et de dissipateurs thermiques en aluminium.
Partie 2 B : Optimisation du matériau d'interface thermique (TIM) :
-Sélection et application des matériaux d'interface thermique :
Les matériaux d'interface thermique (TIM) sont des substances utilisées entre deux surfaces pour améliorer la conduction thermique. Ils sont utilisés entre deux surfaces pour améliorer la conductance thermique. Les types courants de TIM comprennent les pâtes thermiques, les tampons, les rubans et les métaux liquides, chacun étant adapté à différentes applications en fonction de leur conductivité thermique, de leur facilité d'application et de leur durabilité.
Partie 2 C : Simulation et analyse de modèles-Application du logiciel CFD et de simulation thermique :
Il peut prédire et optimiser efficacement l'efficacité de la conductivité thermique des plaques froides personnalisées en utilisant la dynamique des fluides computationnelle (CFD) et un logiciel de simulation thermique, ce qui signifie que le concepteur peut analyser l'ensemble du système de refroidissement, comme la circulation du liquide de refroidissement, la répartition de la chaleur. sources, ponts thermiques ou zones à haute résistance thermique, permettant une conception améliorée avant la production en série.
Lorsque vous effectuez des simulations avec CFD, vous devez fournir des spécifications détaillées de votre système de refroidissement à l'ingénieur Kaixin Aluminium. Cela inclut les données géométriques de la plaque de refroidissement par eau et de ses composants, les propriétés des matériaux (conductivité thermique, densité, chaleur spécifique), les conditions limites (telles que les températures d'entrée et de sortie et le débit) et les données de génération de chaleur à partir de sources de chaleur. De plus, spécifier vos objectifs spécifiques ou vos critères de performance pour la simulation peut être très bénéfique.Contactez les ingénieurs techniques de Kaixin Aluminiumet nous sommes heureux de vous proposer la solution idéale pour les plaques froides personnalisées.