چگونه می توان به طور موثر هدایت حرارتی صفحه سرد مایع را بهبود بخشید

در مقایسه با خنک کننده هوا، یک سیستم خنک کننده کارآمد برای اطمینان از عملکرد باتری و ایمنی در توسعه وسایل نقلیه EV بسیار مهم است. صفحه سرد که به عنوان یک جزء خنک کننده اصلی در سیستم مدیریت حرارتی شناخته می شود، نقشی حیاتی در سیستم خنک کننده خودروهای برقی ایفا می کند. این مقاله به بررسی افزایش هدایت حرارتی صفحات سرد از طریق بهینه‌سازی طراحی می‌پردازد، که استراتژی‌هایی مانند بهینه‌سازی طرح و تعداد کانال‌های خنک‌کننده، انتخاب مواد با رسانایی حرارتی بالا، بکارگیری فناوری‌های پیشرفته تصفیه سطح، بهینه‌سازی مواد رابط حرارتی (TIM) و با استفاده از شبیه سازی و تحلیل مدل برای بهینه سازی پیش بینی. این رویکردها راندمان خنک کننده خودروهای انرژی جدید را افزایش می دهد و عمر باتری را افزایش می دهد و ایمنی و قابلیت اطمینان خودرو را افزایش می دهد. کاوش دقیق این استراتژی ها بینش فنی عمیقی را در مورد طراحی و بهینه سازی سیستم های خنک کننده برای وسایل نقلیه EV ارائه می دهد.

بخش 1: فن آوری های کلیدی صفحه خنک کننده مایع برای اتلاف گرما

بخش 1 الف: بهینه سازی طراحی چند کاناله
بهینه سازی طرح بندی کانال

در جست‌وجوی سیستم‌های مدیریت حرارتی پیشرفته در خودروهای برقی، بهینه‌سازی طرح کانال‌های خنک‌کننده در سینک‌های حرارتی یا صفحات خنک‌کننده مایع به عنوان یک استراتژی محوری می‌باشد. طرح کانال های خنک کننده مستقیماً بر مسیر هدایت حرارتی تأثیر می گذارد و متعاقباً بر مقاومت حرارتی و راندمان کلی تبادل حرارت سیستم خنک کننده تأثیر می گذارد. در میان هندسه های مختلف کانال - مستقیم، مارپیچ و منشعب - هر کدام مزایا و ملاحظات منحصر به فردی را از نظر توزیع گرما، پیچیدگی ساخت و رفتار دینامیک سیالات ارائه می دهند.

صفحات سرد کانال مستقیم:

با طراحی ساده و سهولت در ساخت، طرح کانال مستقیم به طور گسترده ای مورد استفاده قرار می گیرد. این طرح یک مسیر خنک کننده مستقیم را فراهم می کند و به سیال خنک کننده اجازه می دهد تا به سرعت از بسته باتری عبور کند و آن را برای بسته های باتری که نیاز به اتلاف حرارت یکنواخت دارند و بارهای حرارتی نسبتاً کمی دارند مناسب می کند. در وسایل نقلیه انرژی جدید، طرح کانال مستقیم به ویژه برای بسته های باتری جمع و جور و ساده مناسب است، مانند آنهایی که در وسایل نقلیه کوچک الکتریکی یا خودروهای هیبریدی، که در آن به اتلاف گرمای کارآمد نیاز است اما فضا و هزینه محدود است.

به عنوان مثال، شورولت ولت که به عنوان خودروی برقی هیبریدی پلاگین (PHEV) طبقه بندی می شود، طراحی بسته باتری شورولت ولت است که دارای یک مکانیسم خنک کننده کارآمد برای حفظ باتری در شرایط کار بهینه است. سیستم خنک‌کننده آن ممکن است از کانال‌های مستقیم برای ساده‌سازی فرآیند خنک‌سازی و به حداقل رساندن اشغال فضا برای ارتقای عملکرد حرارتی آن استفاده کند.

-کانال های مارپیچی صفحات سرد:

کانال های مارپیچی با گسترش مسیر جریان مایع خنک کننده و افزایش زمان تماس بین سیال و دیواره کانال، کارایی تبادل حرارتی را افزایش می دهند. این طرح به ویژه برای کاربردهایی با بارهای حرارتی بالا یا مواردی که نیاز به هدایت حرارتی کارآمد دارند مناسب است. مثلا،صفحات سرد کانال مارپیچیهمچنین انتقال حرارت یکنواخت تری را به دست آورید و بارهای حرارتی بالا را برای اتلاف گرمای خودروهای برقی کاهش دهید. با این حال، این طراحی ممکن است منجر به مقاومت جریان بالاتر شود، که نیاز به پمپ های قوی تر برای حفظ جریان دارد. بنابراین، انتخاب کانال های مارپیچی زمانی مناسب است که سیستم بتواند مصرف انرژی بالاتری را تحمل کند و نیازهای بالایی برای راندمان خنک کننده داشته باشد.

بشقاب های سرد کانالی:

چیدمان صفحات خنک کننده مایع کانالی منشعب کانال اصلی را به چندین شاخه تقسیم می کند و اجازه می دهد خنک کننده به طور یکنواخت در قسمت های مختلف بسته های باتری توزیع شود. این طرح برای بسته‌های باتری با شکل‌های نامنظم یا توزیع ناهموار بار گرمایی مناسب است. جریان مایع خنک‌کننده را بهینه می‌کند و اطمینان می‌دهد که حتی نواحی درون بسته‌های باتری با بار حرارتی بالاتر، خنک‌کننده کافی را دریافت می‌کنند. طرح کانال منشعب برای برنامه هایی که نیاز به یکنواختی بالا در دما دارند، مانند خودروهای برقی بزرگ و خودروهای اسپرت برقی سطح بالا قابل استفاده است. این بسته‌های باتری به کنترل دقیق دما برای هر سلول باتری برای اطمینان از عملکرد و ایمنی مطلوب نیاز دارند.

به عنوان مثال، پورشه تایکان یک خودروی اسپرت الکتریکی با عملکرد بالا است که به دلیل عملکرد استثنایی رانندگی و قابلیت شارژ سریع خود شناخته شده است. برای حفظ عملکرد باتری و افزایش طول عمر آن، تایکان ممکن است از طراحی سیستم خنک‌کننده پیچیده، از جمله طرح کانال شاخه‌دار، برای دستیابی به توزیع دمای یکنواخت در بسته‌های باتری استفاده کند.

مهم‌ترین مزیت این روش این است که خنک‌کننده را از سلول‌ها/ماژول‌های باتری جدا می‌کند و خطر ایمنی بالقوه را حذف می‌کند. طرح ماژول تایکان به لایه های بالایی و پایینی تقسیم می شود، بنابراین سیستم خنک کننده آبی آن نیز به لایه های بالایی و پایینی تقسیم می شود که در مجموع 13 شاخه خنک کننده دارد. هر شاخه صفحات سرد لوله ای دارای دو لوله موازی خنک کننده آب است که دارای 10 کانال جریان موازی است و اندازه هر کانال 3 میلی متر * 2 میلی متر است. کل لوله خنک کننده دارای ضخامت حدود 4 میلی متر و عرض حدود 35 میلی متر است.

اندازه کانال و استراتژی توزیع

انتخاب اندازه کانال نقش مهمی در طراحی صفحات سرد مایع برای وسایل نقلیه برقی ایفا می کند و همچنین بر عملکرد کلی سیستم خنک کننده ثانویه تأثیر می گذارد. هر دو سوراخ بزرگ و کوچک در صفحه سرد بر اساس نیازهای خاص و طراحی وسایل نقلیه EV کاربردهای خود را دارند.

بشقاب های سرد کانالی بزرگ:

صفحات سرد کانالی بزرگ به آنهایی اطلاق می‌شود که قطر داخلی وسیع‌تری دارند، در محدوده 5 - 10 میلی‌متر که به دلیل فشار کم در نرخ جریان، انتخابی مؤثر برای بهبود عملکرد جریان مایع خنک‌کننده مایع در نظر گرفته می‌شوند. این طراحی امکان استفاده از پمپ بدون توان بالا را می دهد و در نتیجه مصرف انرژی سیستم را کاهش می دهد. طرح‌بندی کانال‌های بزرگ برای وسایل نقلیه انرژی جدید با توزیع بار حرارتی نسبتاً یکنواخت و نیازهای بازده انرژی بالاتر مناسب است. به عنوان مثال، وسایل نقلیه برقی در نظر گرفته شده برای رفت و آمدهای شهری ممکن است طرح های کانال بزرگ را برای دستیابی به راندمان خنک کننده معقول و مصرف انرژی کمتر به سمت وسایل الکترونیکی با قدرت بالا ترجیح دهند.

در آن دسته از وسایل نقلیه EV که بار حرارتی نسبتاً یکنواخت توزیع می شود و تقاضای زیادی برای بهره وری انرژی وجود دارد، صفحات سرد کانال بزرگ مخصوصاً برای قطعات EV مناسب هستند. به عنوان مثال، برخی از اتوبوس های شهری تمایل دارند از طرح های کانال بزرگ برای دستیابی به راندمان خنک کننده معقول و مصرف انرژی کمتر استفاده کنند. اما هنگام استفاده از صفحه سرد مایع کانالی بزرگ به فضای بیشتری نیاز است. به همین دلیل است که ما به ندرت صفحه سرد مایع با کانال بزرگ را در خودروهای برقی خصوصی می بینیم زیرا خودروهای برقی اغلب بیشتر بر روی استفاده از فضا و جمع و جور بودن کلی وسیله نقلیه در طول طراحی تمرکز می کنند تا نیازهای مصرف کنندگان برای تجربه رانندگی را برآورده کنند.

بشقاب های سرد کانال های کوچک:

متقابلا،صفحات سرد کانالی کوچک(تقریباً قطر حدود 5 میلی متر) می تواند سطح بالایی از راندمان را در انتقال گرما برای اتومبیل های برقی با عملکرد بالا و وسایل نقلیه برقی خصوصی معمولی فراهم کند زیرا سطح بین مایع خنک کننده و دیواره های کانال را برای تماس افزایش می دهند و در نتیجه جریان را تسریع می کنند. میزان خنک کننده داخلی علاوه بر این، صفحات سرد کانالی کوچک مسیرهای جریان بیشتری را در سطح نصب خود در یک فضای محدود ایجاد می کنند که صفحات کوچک نمی توانند آن را ایجاد کنند.

علاوه بر این، راه حل ایده آل، سرعت جریان و اهداف مدیریت حرارتی نیز باید در نظر گرفته شود. تو می توانیبا مهندس ما تماس بگیریدبرای مشاوره فنی بیشتر.

بخش 1 ب: انتخاب مواد و کاربرد

-انتخاب مواد مناسب:

شکی نیست که هنگام بررسی، صفحه سرد آلومینیومی و لوله حرارتی مسی را برای اتلاف گرما انتخاب کردیم.هدایت حرارتی آلومینیوم و مسو هزینه از فوریه 2024، قیمت مس در هر تن 7.6 دلار 00.00 دلار همراه با آلیاژ آلومینیوم 3500-4000 دلار است. بنابراین، این یک راه مقرون به صرفه برای خرید آلومینیوم به جای آلیاژ مس است.

به علاوه، حجم نیز نقطه کلیدی برای تولید صفحات سرد مایع EV است. همانطور که نشان داده شد، 1 تن آلیاژ آلومینیوم به دلیل چگالی کمتر آلومینیوم، حجم قابل توجهی بیشتری نسبت به آلیاژ مس اشغال می کند، به این معنی که آلومینیوم ماده مناسبی برای ساخت سطح بالایی برای سبک وزن و مس برای تولید لوله حرارتی برای عملکرد حرارتی خوب است. به عنوان مثال، می دانیم که بسته های باتری آئودی e-Tron 5 کیلوگرم و 7{4}}0 کیلوگرم بسته باتری های لیتیومی وزن دارند، به این معنی که صفحه خنک کننده مایع تنها 0.7٪ از وزن کل را اشغال کرده است. اما اگر از صفحه سرد مسی استفاده کنید، بیش از 2.5 درصد وزن کل (تقریباً 7.5 کیلوگرم) را می گیرد.

-رابطه بین عملکرد هدایت حرارتی و ضخامت مواد:

ضخامت یک ماده بر کارایی مبدل حرارتی تأثیر می گذارد. مواد ضخیم ممکن است منجر به افزایش مقاومت حرارتی شوند، در حالی که مواد نازک ممکن است از نظر مکانیکی به اندازه کافی قوی نباشند و سپس باعث ایجاد مشکلات جدی مانند نفوذ حرارتی شوند.

نمودار اول نشان می دهد که آشکار است که استحکام مکانیکی گرافن به طور قابل توجهی بالاتر از آلومینیوم و مس است و تقریباً با ضخامت تغییر نمی کند. استحکام مکانیکی آلومینیوم و مس با افزایش ضخامت کمی افزایش می یابد. نمودار دوم رابطه بین ضخامت مواد و مقاومت حرارتی را نشان می دهد. مقاومت حرارتی گرافن بسیار کم است و تقریباً تحت تأثیر ضخامت قرار نمی گیرد، در حالی که مقاومت حرارتی آلومینیوم و مس با افزایش ضخامت به صورت خطی افزایش می یابد.

نمودار سوم نشان داده شده در زیر ترکیبی از استحکام مکانیکی، ضخامت مواد و مقاومت حرارتی را نشان می دهد. می بینیم که آلیاژ آلومینیوم {{0}}.08 متر دارای بهترین استحکام کششی و مقاومت حرارتی پایین (0.36 درجه وات) است.

بخش 2: فناوری مدیریت حرارتی در صفحات سرد خنک شونده با مایع

بخش 2 الف: فن آوری های تصفیه سطح

- پوشش سطح:

پوشش های رسانای حرارتی، درمان های سطحی تخصصی هستند که برای افزایش کارایی تبادل حرارت صفحات خنک کننده آب طراحی شده اند. این پوشش‌ها با بهبود کیفیت تماس در رابط حرارتی یا افزایش قابلیت‌های تابش حرارتی کار می‌کنند و معمولاً از موادی با رسانایی حرارتی بالا مانند نقره، مس و آلومینیوم و همچنین نانومواد مانند نانولوله‌های کربنی (CNTs) و گرافن استفاده می‌کنند. این پوشش‌ها نه تنها کارایی حرارتی را بهبود می‌بخشند، بلکه درجاتی از محافظت در برابر خوردگی و سایش را نیز ارائه می‌دهند و در نتیجه طول عمر صفحات خنک‌کننده مایع را افزایش می‌دهند.

- پردازش سطحی:

از طریق پردازش سطح صفحه خنک کننده آب، می توان منطقه تبادل حرارت را افزایش داد و در نتیجه راندمان انتقال حرارت را بهبود بخشید. این روش با افزایش زبری سطح، ظرفیت تبادل حرارت بین سیال و سطح صفحه پایه را افزایش می دهد. به عنوان مثال، همانطور که در تصویر نشان داده شده است، می توانیم صفحه خنک کننده مایع را خم کنیم تا اطمینان حاصل شود که مایع خنک کننده از هر قسمت باتری عبور می کند و در نتیجه عملکرد حرارتی صفحات سرد را بهبود می بخشد. Kaixin آلومینیوم به ارائه صفحات خنک کننده مایع سفارشی و ماشینکاری سینک حرارتی آلومینیومی به عنوان نیاز شما اختصاص داده شده است.

Kaixin Aluminum می تواند چندین پردازش سطحی را برای صفحه سرد آلومینیومی شما فراهم کند، به عنوان مثال، ماشینکاری CNC، آنودایز، پوشش پودری، خمش و غیره... یا، لطفا وبلاگ ما را مشاهده کنید.یک راه حل مقرون به صرفه برای سفارشی سازی هیت سینک آلومینیومی و صفحه سرد مایع" برای یادگیری نحوه صرفه جویی در هزینه در ساخت صفحه سرد آلومینیومی و هیت سینک.

بخش 2 B: بهینه سازی مواد رابط حرارتی (TIM):

-انتخاب و کاربرد مواد واسط حرارتی:

مواد رابط حرارتی (TIMs) موادی هستند که بین دو سطح برای بهبود هدایت حرارتی استفاده می شوند. آنها بین دو سطح برای بهبود هدایت حرارتی استفاده می شوند. انواع متداول TIMها شامل خمیرهای حرارتی، پدها، نوارها و فلزات مایع است که هر کدام بر اساس رسانایی حرارتی، سهولت کاربرد و دوام مناسب برای کاربردهای متفاوتی هستند.

بخش 2 ج: شبیه سازی و تحلیل مدل-کاربرد CFD و نرم افزار شبیه سازی حرارتی:

این می تواند با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) و نرم افزار شبیه سازی حرارتی، راندمان هدایت حرارتی صفحات سرد سفارشی را به طور موثر پیش بینی و بهینه کند، به این معنی که طراح می تواند کل سیستم خنک کننده مانند گردش مایع خنک کننده، چیدمان گرما را تجزیه و تحلیل کند. منابع، پل های حرارتی یا مناطقی با مقاومت حرارتی بالا، امکان طراحی بهتر قبل از تولید انبوه را فراهم می کند.

هنگام انجام شبیه سازی با CFD، باید مشخصات دقیق سیستم خنک کننده خود را برای مهندس Kaixin آلومینیوم ارائه دهید. این شامل داده‌های هندسی صفحه خنک‌کننده آب و اجزای آن، خواص مواد (رسانایی گرمایی، چگالی، گرمای ویژه)، شرایط مرزی (مانند دمای ورودی و خروجی، و سرعت جریان)، و داده‌های تولید گرما از منابع گرمایی است. علاوه بر این، تعیین اهداف خاص یا معیارهای عملکرد شما برای شبیه سازی می تواند بسیار سودمند باشد.با مهندسان فنی آلومینیوم Kaixin تماس بگیریدو ما خوشحالیم که راه حل ایده آلی را برای صفحات سرد سفارشی به شما ارائه دهیم.