בהשוואה לקירור אוויר, מערכת קירור יעילה חיונית להבטחת ביצועי הסוללה והבטיחות בפיתוח רכבי EV. הידוע כרכיב קירור ליבה במערכת הניהול התרמי, הפלטה הקרה ממלאת תפקיד חיוני במערכת הקירור של רכב ה-EV. מאמר זה מתעמק בשיפור המוליכות התרמית של צלחות קרות באמצעות אופטימיזציה של עיצוב, אשר בוחן אסטרטגיות כמו אופטימיזציה של הפריסה ומספר תעלות הקירור, בחירת חומרים עם מוליכות תרמית גבוהה, יישום טכנולוגיות מתקדמות לטיפול במשטח, אופטימיזציה של חומרים ממשק תרמי (TIM), ו שימוש בסימולציה וניתוח מודלים לאופטימיזציה חזויה. גישות אלו משפרות את יעילות הקירור של רכבי אנרגיה חדשים ומאריכות את חיי הסוללה, ומשפרות את בטיחות הרכב ואמינותם. החקירה המפורטת של אסטרטגיות אלו מציעה תובנות טכניות עמוקות לגבי תכנון ואופטימיזציה של מערכות קירור עבור רכבי EV.
חלק 1: טכנולוגיות מפתח של לוח קירור נוזלי לפיזור חום
חלק 1 א: אופטימיזציה של עיצוב רב-ערוצי
אופטימיזציה של פריסת ערוץ
בחיפוש אחר מערכות ניהול תרמיות משופרות ברכבי EV, אופטימיזציה של פריסת תעלות הקירור בתוך גופי קירור או לוחות קירור נוזלים עומדת כאסטרטגיה מרכזית. הפריסה של תעלות הקירור משפיעה ישירות על נתיב ההולכה התרמית, ומשפיעה לאחר מכן על ההתנגדות התרמית ויעילות חילופי החום הכוללת של מערכת הקירור. בין הגיאומטריות השונות של הערוצים - ישרים, ספירליים ומסועפים - כל אחד מהם מציג יתרונות ושיקולים ייחודיים במונחים של פיזור חום, מורכבות ייצור והתנהגות דינמיקה של נוזלים.
-צלחות קרות בערוץ ישר:
עם העיצוב הפשוט וקלות הייצור שלו, פריסת הערוץ הישר נמצא בשימוש נרחב. פריסה זו מספקת נתיב קירור ישיר, המאפשר לנוזל הקירור לעבור במהירות דרך אריזת הסוללות, מה שהופך אותו למתאים למארזי סוללות הדורשים פיזור חום אחיד ובעל עומסים תרמיים נמוכים יחסית. ברכבי אנרגיה חדשים, פריסת התעלות הישר מתאימה במיוחד עבור ערכות סוללות קומפקטיות ופשוטות, כגון אלה ברכבים חשמליים קטנים או מכוניות היברידיות, בהן יש צורך בפיזור חום יעיל אך המקום והעלות מוגבלים.
לדוגמה, שברולט וולט המסווגת כרכב פלאג-אין היברידי חשמלי (PHEV), הוא עיצוב מארז הסוללות של שברולט וולט המשלב מנגנון קירור יעיל כדי לשמור על המצבר במצב העבודה האופטימלי. מערכת הקירור שלה עשויה להשתמש בתעלות ישרות כדי לפשט את תהליך הקירור ולמזער את תפוסת החלל כדי לשדרג את הביצועים התרמיים שלה.
-צלחות קרות ערוצים ספירליים:
תעלות ספירליות משפרות את יעילות ההחלפה התרמית על ידי הארכת נתיב הזרימה של נוזל הקירור והגדלת זמן המגע בין הנוזל לדפנות התעלה. עיצוב זה מתאים במיוחד ליישומים עם עומסים תרמיים גבוהים או כאלו הדורשים הולכה תרמית יעילה. לדוגמה,צלחות קרות בערוץ ספירליגם להשיג העברת חום אחידה יותר, תוך הפחתת עומסי חום גבוהים עבור פיזור חום של רכב EV. עם זאת, תכנון זה עשוי להוביל להתנגדות זרימה גבוהה יותר, מה שמחייב משאבות חזקות יותר כדי לשמור על הזרימה. לכן, בחירה בתעלות ספירלה מתאימה כאשר המערכת יכולה לסבול צריכת אנרגיה גבוהה יותר ויש לה דרישות גבוהות ליעילות קירור.
-צלחות קרות בערוץ מסועף:
הפריסה של לוחות קירור נוזלי תעלות מסועפות מחלקת את התעלה הראשית למספר ענפים, מה שמאפשר לפזר את נוזל הקירור בצורה שווה יותר על פני חלקים שונים של ערכות הסוללות. עיצוב זה מתאים לחבילות סוללות עם צורות לא סדירות או חלוקת עומס חום לא אחידה. זה מייעל את זרימת נוזל הקירור, ומבטיח שאפילו אזורים בתוך ערכות הסוללות עם עומסי חום גבוהים יותר מקבלים קירור נאות. פריסת התעלה המסועפת מתאימה ליישומים הדורשים אחידות גבוהה בטמפרטורה, כגון בכלי רכב חשמליים גדולים ומכוניות ספורט חשמליות מתקדמים. חבילות סוללות אלו זקוקות לבקרת טמפרטורה מדויקת עבור כל תא סוללה כדי להבטיח ביצועים ובטיחות מיטביים.
לדוגמה, פורשה טייקן היא מכונית ספורט חשמלית בעלת ביצועים גבוהים, הידועה בביצועי הנהיגה יוצאי הדופן ויכולות הטעינה המהירה שלה. כדי לשמור על ביצועי הסוללה ולהאריך את תוחלת החיים שלה, ה-Taycan עשוי להשתמש בתכנון מערכת קירור מורכב, כולל פריסת תעלות מסועפת, כדי להשיג פיזור טמפרטורה אחיד בתוך ערכות הסוללות.
היתרון המשמעותי ביותר של גישה זו הוא שהיא מבודדת את נוזל הקירור מתאי הסוללה/מודולים, ומבטלת סכנה בטיחותית אפשרית. פריסת המודול של ה-Taycan מחולקת לשכבות עליונות ותחתונות, כך שמערכת קירור המים שלו מחולקת גם היא לשכבות עליונות ותחתונות, הכוללות 13 ענפי קירור. לכל ענף צלחות קרות עם צינורות יש שני צינורות קירור מים מקבילים הכוללים 10 תעלות זרימה מקבילות, וגודלה של כל תעלה הוא 3 מ"מ*2 מ"מ; לכל צינור הקירור יש עובי של כ-4 מ"מ ורוחב של כ-35 מ"מ.
גודל ערוץ ואסטרטגיית הפצה
הבחירה בגודל התעלה ממלאת תפקיד מכריע בתכנון של לוחות קרים נוזליים לרכבי EV, ומשפיעה גם על הביצועים הכוללים של מערכת הקירור המשנית. גם לחורים גדולים וגם קטנים בצלחת קרה יש את היישומים שלהם מבוססים על הצרכים והעיצוב הספציפיים של רכבי ה-EV.
-צלחות קרות בערוץ גדול:
צלחות קרות של תעלות גדולות מתייחסות לאלו עם קוטר פנימי רחב יותר, הנע בין 5 - 10 מילימטרים הנחשבים לבחירה יעילה לשיפור ביצועי הזרימה של נוזל הקירור הנוזלי בשל הלחץ הנמוך בקצב הזרימה שלהם. עיצוב זה מאפשר שימוש במשאבה ללא הספק גבוה ובכך מפחית את צריכת האנרגיה של המערכת. פריסות ערוצים גדולות מתאימות לרכבי אנרגיה חדשים עם חלוקת עומס חום אחידה יחסית ודרישות יעילות אנרגטית גבוהות יותר. לדוגמה, רכבי EV המיועדים לנסיעות עירוניות עשויים להעדיף עיצובי ערוצים גדולים כדי להשיג יעילות קירור סבירה וצריכת אנרגיה נמוכה יותר לקראת אלקטרוניקה בעלת הספק גבוה.
באותם רכבי EV שבהם עומס החום מתפזר באופן אחיד יחסית וקיים ביקוש גבוה ליעילות אנרגטית, לוחות קרים בעלי ערוצים גדולים מתאימות במיוחד לרכיבי EV. לדוגמה, חלק מהאוטובוסים העירוניים נוטים להשתמש בעיצובים של ערוצים גדולים כדי להשיג יעילות קירור סבירה וצריכת אנרגיה נמוכה יותר. אבל, יש צורך יותר מקום בעת שימוש בצלחת קרה נוזלית גדולה. זו הסיבה מדוע לעתים רחוקות אנו רואים פלטה קרה נוזלית עם ערוצים גדולים ברכבי EV פרטיים, מכיוון שמכוניות EV לעתים קרובות מתמקדות יותר בניצול שטח ובקומפקטיות הכוללת של הרכב במהלך התכנון כדי לענות על צרכי הצרכנים לחוויית נהיגה.
-צלחות קרות ערוצים קטנים:
בניגוד,צלחות קרות ערוץ קטנות(בקירוב בקוטר של כ-5 מילימטרים) יכולים לספק רמה גבוהה של יעילות בהעברת חום לרכבי EV בעלות ביצועים גבוהים ורכבי EV פרטיים נפוצים מכיוון שהם מגדילים את שטח הפנים בין נוזל הקירור לדפנות התעלה למגע, ובכך מאיצים את הזרימה קצב נוזל הקירור הפנימי. יתר על כן, צלחות קרות ערוצים קטנים מספקים יותר נתיבי זרימה על משטח ההרכבה שלהם בתוך שטח מוגבל שקטנים לא יכולים להגיע אליו.
מלבד זאת, יש לשקול גם את הפתרון האידיאלי, קצב הזרימה ויעדי הניהול התרמי. אתה יכולצור קשר עם המהנדס שלנולייעוץ טכני נוסף.
חלק 1 ב: בחירת חומרים ויישום
-מבחר חומרים מתאימים:
אין ספק שבחרנו פלטה קרה מאלומיניום וצינור חום נחושת לפיזור חום כאשר שוקליםמוליכות חום אלומיניום ונחושתועלות. נכון לפברואר 2024, מחיר הנחושת לטונה הוא $7.600.00 יחד עם סגסוגת אלומיניום $3500-4000. לכן, זוהי דרך חסכונית לרכוש אלומיניום במקום סגסוגת נחושת.
בנוסף, הנפח הוא גם נקודת המפתח לייצור צלחות קרות נוזליות ל-EV. כפי שמוצג, טון אחד של סגסוגת אלומיניום תופס נפח גדול משמעותית מסגסוגת נחושת בשל צפיפות נמוכה יותר של אלומיניום, כלומר אלומיניום הוא חומר מתאים לייצור שטח פנים עליון עבור קל משקלו ונחושת לייצור צינור חום עבור הביצועים התרמיים הטובים שלו. לדוגמה, אנו יודעים כי מארזי הסוללות של אאודי e-Tron שוקלים 5 ק"ג ו-700 ק"ג מאריזות סוללות הליתיום, מה שאומר שפלטת הקירור הנוזלית תפסה רק 0.7% מהמשקל הכולל. אבל אם אתה משתמש בצלחת הקרה הנחושת, היא משתלטת על 2.5% מהמשקל הכולל (כ-7.5 ק"ג).
-קשר בין ביצועי מוליכות תרמית לעובי החומר:
עובי החומר משפיע על יעילות מחליף החום. חומרים עבים עשויים לגרום להתנגדות תרמית מוגברת, בעוד שדקים עשויים שלא להיות חזקים מספיק מבחינה מכנית ואז לגרום לבעיות חמורות כמו חדירה תרמית.
הגרף הראשון מראה כי ברור שהחוזק המכני של הגרפן גבוה משמעותית מזה של אלומיניום ונחושת, והוא כמעט ואינו משתנה עם העובי. החוזק המכני של אלומיניום ונחושת גדל מעט ככל שהעובי גדל. הגרף השני מדגים את הקשר בין עובי החומר להתנגדות תרמית. ההתנגדות התרמית של הגרפן נמוכה מאוד וכמעט ואינה מושפעת מהעובי, בעוד שההתנגדות התרמית של אלומיניום ונחושת עולה באופן ליניארי עם עלייה בעובי.
הגרף השלישי המוצג להלן מציג את השילוב של חוזק מכני, עובי חומר והתנגדות תרמית. אנו יכולים לראות שלסגסוגת האלומיניום {{0}}.08m יש את חוזק המתיחה הטוב ביותר והתנגדות תרמית נמוכה (0.36 מעלות W).
חלק 2: טכנולוגיית ניהול תרמי בפלטות קרות מקוררות נוזל
חלק 2 א': טכנולוגיות טיפול פני שטח
-ציפוי משטח:
ציפויים מוליכים תרמיים הם טיפולי משטח מיוחדים שנועדו לשפר את יעילות חילופי החום של לוחות קירור מים. ציפויים אלו פועלים על ידי שיפור איכות המגע בממשק התרמי או שיפור יכולות קרינה תרמית, בדרך כלל משלבים חומרים בעלי מוליכות תרמית גבוהה כגון כסף, נחושת ואלומיניום, כמו גם ננו-חומרים כמו ננו-צינוריות פחמן (CNTs) וגרפן. לא רק שציפויים אלה משפרים את היעילות התרמית, אלא שהם גם מציעים מידה מסוימת של הגנה מפני קורוזיה ובלאי, ובכך מאריכים את תוחלת החיים של לוחות הקירור הנוזליים.
-עיבוד פני השטח:
באמצעות עיבוד פני השטח של צלחת קירור המים, ניתן להגדיל את שטח חילופי החום, ובכך לשפר את יעילות העברת החום. שיטה זו משפרת את יכולת חילופי החום בין הנוזל לבין שטח הפנים של לוחית הבסיס על ידי הגדלת חספוס פני השטח. לדוגמה, כפי שמוצג בתמונה, אנו יכולים לכופף את לוח הקירור הנוזלי כדי להבטיח שנוזל קירור יעבור בכל חלק של הסוללה, ובכך לשפר את הביצועים התרמיים של לוחות קרות. Kaixin Aluminum מוקדש לספק לוחות קירור נוזלי מותאמים אישית ועיבוד אלומיניום לגוף קירור כדרישתך.
Kaixin Aluminum יכולה לספק מספר עיבודי משטח לצלחת האלומיניום הקרה שלך, למשל, עיבוד CNC, אנודיזציה, ציפוי אבקה, כיפוף וכו'... או, אנא עיין בבלוג שלנו "פתרון חסכוני להתאמה אישית של גוף קירור אלומיניום וצלחת קרה נוזלית" כדי ללמוד כיצד לחסוך כסף בייצור פלטה קרה מאלומיניום וגוף קירור.
חלק 2 ב: אופטימיזציה של חומרי ממשק תרמי (TIM):
-בחירה ויישום של חומרי ממשק תרמי:
חומרים ממשק תרמי (TIMs) הם חומרים המשמשים בין שני משטחים לשיפור ההולכה התרמית. הם משמשים בין שני משטחים לשיפור מוליכות תרמית. סוגים נפוצים של TIMs כוללים משחות תרמיות, רפידות, סרטים ומתכות נוזליות, כל אחד מתאים ליישומים שונים בהתבסס על המוליכות התרמית, קלות היישום והעמידות שלהם.
חלק 2 ג: סימולציה וניתוח מודלים-יישום של תוכנת CFD וסימולציה תרמית:
זה יכול לחזות ולמטב ביעילות את יעילות המוליכות התרמית של פלטות קרות מותאמות אישית על ידי שימוש ב-Computational Fluid Dynamics (CFD) ותוכנת סימולציה תרמית, מה שאומר שהמעצב יכול לנתח את כל מערכת הקירור כגון מחזור נוזל הקירור, פריסת החום מקורות, גשרים תרמיים או אזורים בעלי עמידות תרמית גבוהה, המאפשרים עיצוב משופר לפני ייצור המוני.
בעת ביצוע סימולציות עם CFD, עליך לספק מפרט מפורט של מערכת הקירור שלך למהנדס Kaixin Aluminium. זה כולל את נתוני הגיאומטריה של לוחית קירור המים ומרכיביה, תכונות החומר (מוליכות תרמית, צפיפות, חום סגולי), תנאי גבול (כגון טמפרטורות כניסה ויציאה וקצב זרימה), ונתוני יצירת חום ממקורות חום. בנוסף, ציון היעדים הספציפיים או קריטריוני הביצועים שלך עבור הסימולציה יכול להיות מועיל מאוד.צור קשר עם המהנדסים הטכניים של Kaixin Aluminiumואנחנו שמחים לספק לך פתרון אידיאלי עבור צלחות קרות מותאמות אישית.