【经验】爱美达电动汽车液体冷却解决方案，解析电池和逆变器、充电热管理等注意事项，为整体车辆性能创造竞争优势

时间： 2020-08-29 来源：爱美达

技术问答

本文针对电动汽车和eMobility的当前和未来趋势以及热管理设计挑战，重点关注电池和逆变器冷却。液体冷却对于处理更高的热负荷非常有效，但是系统的设计必须优化尺寸、重量、性能、可靠性和耐久性。通过先进的设计和技术集成，Boyd Corporation的散热部门爱美达Aavid与设计师合作，以满足当前需求，实现下一代创新，并为整体车辆性能和驾驶员满意度做出贡献的方式实现这些目标。本文将帮助工程师理解液体冷却在改善系统开发和培养设计创造力方面的作用。

挑战：电池和逆变器冷却

促使eMobility增长和采用的最重要的技术是电池和逆变器，它们将电池能量转换成机械能来推动车辆行驶。电池成本降低与电动汽车采用之间存在关联，这导致工程人员专注于节省电池成本。电池容量，充电速度和可靠性的提高推动了创新，以创造更轻，更小，功率更高的电池，从而获得更好的性能和更低的总体成本。电池的成本节省措施和设计创新正在导致必须以紧凑的外形尺寸进行管理的更高密度的热负荷。必须开发冷却系统以满足尺寸，重量和性能要求，但也必须避免降低电池成本。

使电力可行以使车辆运转所需的更高的热通量逆变器为必要的散热系统增加了复杂性。电池和高热流密度逆变器可以一起工作，尽管它们的冷却要求可能大不相同。电池热管理取决于最大化可均匀冷却的表面积。逆变器功率密度随局部高功率密度热源而变化，需要局部热点散热和冷却。逆变器还必须冷却到临界温度以下，以优化车辆性能。冷却系统必须为电池和各种逆变器从同一个系统、冷却剂和冷却回路进行最佳冷却，以节省空间、重量和成本。

电池和逆变器冷却的热设计

传统乘用车的冷却以内燃机为中心，内燃机具有不同的热量需求和系统设计需求。电动汽车具有完全不同的系统设计，具有全新的冷却需求。工程师必须具有创造性和前瞻性的思维，以充分利用新技术并重新设计系统，同时保持驾驶员习惯的汽车安全协议和标准功能。

燃烧动力车辆需要发动机系统对燃烧过程中的极端排气温度进行热管理。使用电池而不是燃烧消除了管理极高温度的挑战，但引入了新的设计问题，例如在电池与逆变器之间的共生关系中管理电能转换能量。

作为满足客户日益增长的电池热稳定性和热稳定性的新的解决方案，逆变器应运而生。液体系统提供最有效的冷却和灵活的设计，以满足电池和逆变器在一个中央热系统的要求。利用一个优化的回路，可以为每个系统组件实现最佳性能，同时还可以节省重量、空间和成本。

完全优化的液体系统通常包括：

•冷板的设计符合热源要求，以实现热点冷却或最大化的表面积接触。确保对这些冷板进行彻底的测试和制造，以确保无泄漏，可靠且极其耐用，这一点至关重要。

•热接口材料和安装硬件，以确保从热源到冷却系统的热传递过程中的损失最小，以最大程度地散热。

•换热器和散热器的设计旨在在有限的空间内尽快散热。

•连接器，软管，泵，油箱和其他硬件，可确保可靠性，耐用性和系统维护简便性。

•其他集成技术，例如热管，先进的工程材料，风扇，鼓风机和先进的散热片类型，可提高性能并减小系统重量或尺寸。

除了尺寸，重量，性能和成本方面的典型挑战（SWAP-C）之外；开发电动汽车发动机舱液体系统的最大困难是通过一个冷却回路协调和管理电池及逆变器冷却要求的内在差异。解决这些困难的关键在于冷却板设计。

关键的冷却板注意事项-电池

•最大限度地均匀冷却表面积是优化电池冷却的关键。

•虽然电池冷却板不像逆变器冷板那样需要加强散热片，但必须谨慎设计板内的流体通道，以覆盖尽可能多的表面。

•电池的热通量密度远低于逆变器，但是冷却板要大得多，可以容纳更大的表面积，并提供结构外壳，以将流体带到整个电池的外围区域。这种结构性外壳可扩展到电池组的保护，因此整个组件必须能够通过严格的冲击和振动规范。

•冷却板的结构必须不仅更大而且更薄，以优化可装入电池组的电池数量。这将在制造设计（DFM）以及如何节省成本方面发挥重要作用。压铸板不是一个可行的选择。带有成形流道的冲压铝是更理想的选择。

•在一个电池阵列中，可能存在不同的电压电势，其中电介质材料需要与兼容的热垫结合使用。为了使电池模块获得最佳的冷却外壳，必须将电子屏障和热垫适当地结合起来。

更大，更薄的冷却板可最大程度地增加与电池的表面积，从而改善冷却效果。

关键的冷板注意事项-逆变器

•逆变器运行时会产生大量热量，必须将其大量冷却才能达到临界温度并满足推动车辆的性能要求。

•逆变器的热通量很大，以至于冷板的热界面几乎占总热损失的50％。必须设计特殊的安装和接口材料来连接冷板，并使用薄的高导热率材料提供更高的压缩负载。

•由于行业中广泛的设计选择，因此选择合适的产品构造和制造工艺会更加复杂。常见的设计包括但不限于具有或不具有翅片增强功能的铜焊铝片，气密地连接到压铸流体壳体的铝削翅片以及性能更高的电镀铜削翅片。对于每种选择，设计人员还必须考虑如何利用冷却剂流量和所产生的压降来优化材料的导热性和散热片设计，以确保车辆冷却系统可行。

定制的冷板可用于紧凑，重量轻的EV逆变器冷却。

•由于压铸铝的热导率低于铝线圈，以前用于内燃机冷却的压铸工艺不是逆变器的选择。压铸铝只能用于流体外壳，与逆变器接触的可能性较小。

电池和逆变器冷却方面的其他进步

Boyd Corporation的散热事业部Aavid运用了数十年的经验，专业知识和创新，涵盖了热管理技术的各个方面，以开发出超出eMobility Cooling要求和期望的优化集成系统。通过开创新技术，完善制造工艺并与行业领导者紧密合作，Boyd拥有独特的优势，可通过减轻过去和当前的担忧来加快电动汽车的市场增长和进一步的市场渗透。这包括先进的轻量化，更好的性能，提供更多结构稳定性和功能的集成设计，以及系统如何协同工作以降低成本和设计体积的增强。

展望未来，随着车辆提供更多的安全性，增强的驾驶性能，更好的连通性和性能，未来的主要考虑因素可能会集中在更好的流量控制和实现更多的热容量上。当前的解决方案是针对稳态或最坏情况下的恒定负载而设计的，这是一种可靠的设计策略，但可能会抑制车辆的性能。Boyd已经与eMobility客户合作，开发下一代热解决方案，该解决方案受到更好的监管，可以在正确的时间为正确的热源提供冷却和优化的容量。改进包括添加和配置快速阀，以提供更快的响应时间，根据电子设备温度和实时功率负载在系统中移动冷却剂。

此外，Boyd开发了性能更好的液对液换热器，带来了更多的热容量和冷却液温度降低，尤其是在功率循环期间（可能是瞬态而非稳态）。

挑战:充电和充电站的热管理

客户要求对电动汽车电池进行更快，更普及的充电。充电器的可用性是推动电动汽车品牌采用，市场增长和差异化的主要因素。 EV充电在持续的时间内会产生大量的热量，这些热量会根据电池的大小而波动，这对安全性和性能提出了独特的挑战。

快速充电需要更大的电压。更高的电压意味着热管理系统（特别是冷板）必须既热耦合又与充电插头电气隔离。在评估特定材料时，高导热率和临界介电强度之间的平衡彼此相反。这就需要针对接口解决方案的非常具体的设计几何形状和站点位置，以及最佳性能的冷板。

零售场所和停车场的家用充电器和充电站越来越普及

幸运的是，对于充电站，工程师可以选择使用环境空气冷却解决方案，该解决方案耦合到充电端口并直接向周围环境散热，比封闭的发动机舱凉爽。工程师可以利用环境冷却来减小液体溶液的尺寸和重量。但是，利用环境空气通常意味着充电站要暴露在恶劣的环境条件下，因此必须保护组件和外壳。这些细微差别和设计考虑因素导致充电站冷却比许多设计工程师意识到的要复杂。

充电站柜

为了克服这些独特的挑战，Boyd利用了详尽的测试，独特的先进材料以及极其可靠的解决方案集成。定制的集成热系统可最大程度地发挥每个组件的性能，并确保系统性能大于其各部件的总和。

挑战：广泛的联锁电子系统

除了推动车辆行驶的电子系统数量外，发动机舱，驾驶室和车辆外部还有多种其他技术可实现其他功能。连接性和智能系统的发展速度与电动汽车相同。传感器，摄像机，控制模块，信息娱乐，节能模式，系统监控，触摸屏和语音识别已成为标准技术。新的创新技术和系统不断涌现。自动驾驶也在不断增长，带来了一系列新的计算和安全需求以及复杂性。

随着功能的指数级发展，支持这些操作的CPU和GPU在处理能力和速度方面进行了创新，产生了大量的热量并增加了新的热源。极薄的散热对于处理新的多余热量以及与核心液体冷却系统和冷却板集成在一起至关重要。

动力冷却系统中的BOYD优势

随着电动汽车和eMobility应用程序的功能和采用的增加以及电池尺寸的减小，关键的限制因素仍然是热管理。零部件产生的热量明显增加，但车辆外形尺寸保持不变或较小。没有更多的空间来充分散热，唯一的选择是更先进，效率更高的冷却系统。开发这些更有效的解决方案以满足尺寸，重量和性能要求，而又不牺牲成本效益，这将需要在冷却设计和材料选择的所有方面都极其关注细节。

Boyd致力于开发具有前瞻性的高性能系统，该系统具有单个冷却回路，集成的组件以及先进的技术，以优化调节冷却和快速过渡。Boyd专注于创新和客户合作伙伴关系，可确保我们的冷却系统与其支持的车辆一样具有创新性。我们对eMobility研究和开发的承诺确保了我们的创新始终领先于下一代的要求。

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