공랭식에 비해 효율적인 냉각 시스템은 EV 차량 개발에서 배터리 성능과 안전성을 보장하는 데 매우 중요합니다. 열 관리 시스템의 핵심 냉각 구성 요소로 알려진 냉각판은 EV 차량의 냉각 시스템에서 중요한 역할을 합니다. 이 기사에서는 레이아웃 및 냉각 채널 수 최적화, 열 전도성이 높은 재료 선택, 고급 표면 처리 기술 적용, 열 인터페이스 재료(TIM) 최적화 및 예측 최적화를 위해 시뮬레이션 및 모델 분석을 사용합니다. 이러한 접근 방식은 신에너지 차량의 냉각 효율성을 높이고 배터리 수명을 연장하여 차량 안전성과 신뢰성을 향상시킵니다. 이러한 전략에 대한 자세한 탐색은 EV 차량용 냉각 시스템 설계 및 최적화에 대한 깊은 기술적 통찰력을 제공합니다.
1부: 방열을 위한 액체 냉각판의 핵심 기술
1부 A: 다중 채널 설계 최적화
채널 레이아웃 최적화
EV 차량의 향상된 열 관리 시스템을 추구하는 과정에서 방열판이나 액체 냉각판 내의 냉각 채널 레이아웃을 최적화하는 것이 핵심 전략입니다. 냉각 채널의 레이아웃은 열 전도 경로에 직접적인 영향을 미치며, 결과적으로 냉각 시스템의 열 저항과 전반적인 열 교환 효율에 영향을 미칩니다. 다양한 채널 형상(직선형, 나선형 및 분기형) 중에서 각각은 열 분포, 제조 복잡성 및 유체 역학 동작 측면에서 고유한 이점과 고려 사항을 제공합니다.
-직선형 채널 냉각판:
심플한 디자인과 제작의 용이성으로 인해 직선형 채널 레이아웃이 널리 사용됩니다. 이 레이아웃은 직접적인 냉각 경로를 제공하여 냉각액이 배터리 패키지를 빠르게 통과할 수 있도록 하여 균일한 열 방출이 필요하고 상대적으로 낮은 열 부하를 갖는 배터리 팩에 적합합니다. 신에너지 자동차에서 직선형 채널 레이아웃은 효율적인 열 방출이 필요하지만 공간과 비용이 제한된 소형 전기 자동차나 하이브리드 자동차와 같이 작고 단순한 배터리 팩에 특히 적합합니다.
예를 들어, 플러그인 하이브리드 전기 자동차(PHEV)로 분류되는 쉐보레 볼트는 배터리를 최적의 작동 상태로 유지하기 위해 효율적인 냉각 메커니즘을 통합한 쉐보레 볼트의 배터리 팩 디자인입니다. 냉각 시스템은 직선 채널을 활용하여 냉각 과정을 단순화하고 공간 점유를 최소화하여 열 성능을 업그레이드할 수 있습니다.
-나선형 채널 냉각판:
나선형 채널은 냉각수의 흐름 경로를 확장하고 유체와 채널 벽 사이의 접촉 시간을 늘려 열 교환 효율을 향상시킵니다. 이 설계는 열 부하가 높거나 효율적인 열 전도가 필요한 응용 분야에 특히 적합합니다. 예를 들어,나선형 채널 냉각판또한 보다 균일한 열 전달을 달성하여 EV 차량 방열을 위한 높은 열 부하를 줄입니다. 그러나 이 설계는 흐름 저항이 높아져 흐름을 유지하기 위해 더 강한 펌프가 필요할 수 있습니다. 따라서 시스템이 더 높은 에너지 소비를 견딜 수 있고 냉각 효율성에 대한 요구 사항이 높은 경우 나선형 채널을 선택하는 것이 적합합니다.
-분지형 채널 냉각판:
분기형 채널 액체 냉각판의 레이아웃은 메인 채널을 여러 분기로 나누어 냉각수가 배터리 팩의 여러 부분에 더욱 고르게 분포되도록 합니다. 이 디자인은 모양이 불규칙하거나 열 부하 분포가 고르지 않은 배터리 팩에 적합합니다. 이는 냉각수의 흐름을 최적화하여 열 부하가 높은 배터리 팩 내부 영역도 적절한 냉각을 받을 수 있도록 보장합니다. 분기형 채널 레이아웃은 대형 전기 자동차, 고급 전기 스포츠카 등 높은 온도 균일성이 필요한 애플리케이션에 적용 가능합니다. 이러한 배터리 팩은 최적의 성능과 안전성을 보장하기 위해 각 배터리 셀의 정확한 온도 제어가 필요합니다.
예를 들어 포르쉐 타이칸(Porsche Taycan)은 뛰어난 주행 성능과 빠른 충전 능력으로 유명한 고성능 전기 스포츠카다. 배터리 성능을 유지하고 수명을 연장하기 위해 Taycan은 분기형 채널 레이아웃을 포함한 복잡한 냉각 시스템 설계를 채택하여 배터리 팩 내에서 균일한 온도 분포를 달성할 수 있습니다.
이 접근 방식의 가장 중요한 장점은 배터리 셀/모듈에서 냉각수를 격리하여 잠재적인 안전 위험을 제거한다는 것입니다. 타이칸의 모듈 레이아웃은 상부와 하부 레이어로 나누어져 있으므로 수냉 시스템도 상부와 하부로 나누어 총 13개의 냉각 분기가 있습니다. 각 튜브식 냉각판 분기에는 10개의 평행 흐름 채널을 갖춘 두 개의 평행 수냉식 파이프가 있으며 각 채널의 크기는 3mm*2mm입니다. 전체 냉각파이프의 두께는 약 4mm, 폭은 약 35mm입니다.
채널 규모 및 배포 전략
채널 크기의 선택은 EV 차량용 액체 냉각판 설계에서 중요한 역할을 하며, 2차 냉각 시스템의 전반적인 성능에도 영향을 미칩니다. 냉각판의 크고 작은 구멍은 모두 EV 차량의 특정 요구 사항과 설계에 따라 적용됩니다.
-대형 채널 냉각판:
대형 채널 냉각판은 내경이 5 - 10mm 이상으로 넓은 냉각판을 말하며, 이는 유량 압력이 낮기 때문에 액체 냉각수의 흐름 성능을 향상시키는 효과적인 선택으로 간주됩니다. 이 설계를 통해 높은 전력 없이도 펌프를 사용할 수 있으므로 시스템의 에너지 소비가 줄어듭니다. 대형 채널 레이아웃은 상대적으로 균일한 열 부하 분포와 더 높은 에너지 효율 요구 사항을 갖춘 신에너지 차량에 적합합니다. 예를 들어, 도시 출퇴근용 EV 차량은 합리적인 냉각 효율을 달성하고 고전력 전자 장치에 대한 에너지 소비를 낮추기 위해 대형 채널 설계를 선호할 수 있습니다.
열 부하가 상대적으로 균일하게 분포되고 에너지 효율에 대한 요구가 높은 EV 차량에서는 대형 채널 냉각판이 EV 부품에 특히 적합합니다. 예를 들어, 일부 시내 버스는 합리적인 냉각 효율과 낮은 에너지 소비를 달성하기 위해 대형 채널 설계를 사용하는 경향이 있습니다. 그러나 대형 채널 액체 냉각판을 사용하는 경우 더 많은 공간이 필요합니다. 이것이 바로 개인 EV 차량에서 대형 채널 액체 냉각판을 거의 볼 수 없는 이유입니다. EV 자동차는 운전 경험에 대한 소비자의 요구를 충족하기 위해 설계 과정에서 공간 활용과 차량의 전반적인 소형화에 더 중점을 두는 경우가 많기 때문입니다.
-소형 채널 냉각판:
대조적으로,작은 채널 냉각판(직경 약 5mm 정도) 냉각수와 접촉하는 채널 벽 사이의 표면적을 늘려 흐름을 가속화하므로 고성능 EV 자동차 및 일반 자가용 EV 차량의 열 전달에 높은 수준의 효율성을 제공할 수 있습니다. 내부 냉각수 비율. 더욱이, 작은 채널 냉각판은 작은 냉각판이 만들 수 없는 제한된 공간 내에서 장착 표면에 더 많은 흐름 경로를 제공합니다.
그 외에도 이상적인 솔루션, 유량 및 열 관리 목표도 고려해야 합니다. 당신은 할 수 있습니다우리 엔지니어에게 연락하세요좀 더 기술적인 상담을 원하시면.
Part1 B: 재료 선택 및 적용
-적합한 재료 선택:
방열을 위해 알루미늄 콜드플레이트와 구리 히트파이프를 선택한 것은 의심의 여지가 없습니다.알루미늄 및 구리 열전도율그리고 비용. 2024년 2월 현재 구리 가격은 $3500-4000 알루미늄 합금을 포함하여 톤당 $7,600.00입니다. 따라서 구리합금 대신 알루미늄을 구입하는 것이 비용 효율적인 방법입니다.
또한, EV용 액체냉각판 제조에 있어 부피도 중요한 포인트입니다. 그림과 같이 알루미늄 합금 1톤은 알루미늄의 밀도가 낮기 때문에 구리합금에 비해 상당히 많은 부피를 차지합니다. 이는 알루미늄은 경량이기 때문에 상면적 제조에 적합한 소재이고, 구리는 열 성능이 좋아 히트파이프 제조에 적합한 소재라는 것을 의미합니다. 예를 들어, Audi e-Tron의 배터리 팩 무게는 5kg이고 리튬 배터리 팩의 무게는 7{4}}0kg으로, 액체 냉각판이 전체 무게의 0.7%만을 차지한다는 것을 의미합니다. 하지만 구리냉각판을 사용하면 전체 무게의 2.5%(약 7.5kg) 이상을 차지하게 된다.
- 열전도율 성능과 재료 두께 사이의 관계:
재료의 두께는 열교환기의 효율에 영향을 미칩니다. 두꺼운 재료는 열 저항이 증가할 수 있는 반면, 얇은 재료는 기계적으로 충분히 강하지 않아 열 침투와 같은 심각한 문제를 일으킬 수 있습니다.
첫 번째 그래프를 보면 그래핀의 기계적 강도는 알루미늄이나 구리에 비해 현저히 높으며, 두께에 따른 변화도 거의 없음을 알 수 있습니다. 알루미늄과 구리의 기계적 강도는 두께가 증가함에 따라 약간 증가합니다. 두 번째 그래프는 재료 두께와 열 저항 사이의 관계를 보여줍니다. 그래핀의 열저항은 매우 낮고 두께에 거의 영향을 받지 않는 반면, 알루미늄과 구리의 열저항은 두께가 증가함에 따라 선형적으로 증가합니다.
아래에 표시된 세 번째 그래프는 기계적 강도, 재료 두께 및 열 저항의 조합을 보여줍니다. {{0}}.08m 알루미늄 합금이 인장강도가 가장 우수하고 열저항(0.36W)이 낮다는 것을 알 수 있습니다.
2부: 액체 냉각 냉각판의 열 관리 기술
Part2 A: 표면 처리 기술
-표면 코팅:
열전도 코팅은 수냉판의 열교환 효율을 향상시키기 위해 설계된 특수 표면 처리입니다. 이러한 코팅은 일반적으로 은, 구리, 알루미늄 등 열 전도성이 높은 소재와 탄소 나노튜브(CNT), 그래핀 등 나노 소재를 통합하여 열 경계면의 접촉 품질을 개선하거나 열 복사 기능을 향상시키는 방식으로 작동합니다. 이러한 코팅은 열 효율을 향상시킬 뿐만 아니라 부식 및 마모에 대한 어느 정도 보호 기능을 제공하여 액체 냉각판의 수명을 연장합니다.
-표면 처리:
수냉판의 표면처리를 통해 열교환 면적을 늘려 열전달 효율을 향상시킬 수 있습니다. 이 방법은 표면 거칠기를 증가시켜 유체와 베이스 플레이트 표면적 사이의 열교환 능력을 향상시킵니다. 예를 들어, 그림과 같이 액체 냉각판을 구부려 냉각수가 배터리의 모든 부분을 통과하도록 하여 냉각판의 열 성능을 향상시킬 수 있습니다. Kaixin 알루미늄은 귀하의 요구 사항에 따라 맞춤형 액체 냉각판 및 알루미늄 방열판 가공을 제공하기 위해 최선을 다하고 있습니다.
Kaixin 알루미늄은 CNC 가공, 양극 산화 처리, 분체 코팅, 굽힘 등 알루미늄 냉각판에 대한 여러 가지 표면 처리를 제공할 수 있습니다. 또는 당사 블로그를 참조하십시오. "맞춤형 알루미늄 방열판 및 액체 냉각판을 위한 비용 효율적인 솔루션" 알루미늄 냉각판과 방열판 제조 비용을 절감하는 방법을 알아보세요.
파트 2 B: 감열재(TIM) 최적화:
- 감열재의 선택 및 적용:
열 인터페이스 재료(TIM)는 열 전도를 개선하기 위해 두 표면 사이에 사용되는 물질입니다. 열전도율을 향상시키기 위해 두 표면 사이에 사용됩니다. 일반적인 유형의 TIM에는 열 페이스트, 패드, 테이프 및 액체 금속이 포함되며, 각각은 열 전도성, 적용 용이성 및 내구성을 기반으로 다양한 응용 분야에 적합합니다.
2부 C: 시뮬레이션 및 모델 분석-CFD 및 열 시뮬레이션 소프트웨어 적용:
전산유체역학(CFD)과 열 시뮬레이션 소프트웨어를 사용하여 맞춤형 냉각판의 열전도 효율을 효과적으로 예측하고 최적화할 수 있습니다. 이는 설계자가 냉각수의 순환, 열의 레이아웃 등 냉각 시스템 전체를 분석할 수 있음을 의미합니다. 소스, 열교 또는 열 저항이 높은 영역을 제거하여 대량 생산 전에 향상된 설계를 가능하게 합니다.
CFD로 시뮬레이션을 수행할 때 Kaixin 알루미늄 엔지니어에게 냉각 시스템의 세부 사양을 제공해야 합니다. 여기에는 수냉판과 그 구성 요소의 형상 데이터, 재료 특성(열전도도, 밀도, 비열), 경계 조건(예: 입구 및 출구 온도, 유량), 열원의 열 발생 데이터가 포함됩니다. 또한 시뮬레이션에 대한 구체적인 목표나 성능 기준을 지정하는 것은 매우 유익할 수 있습니다.Kaixin 알루미늄 기술 엔지니어에게 문의맞춤형 냉각판을 위한 이상적인 솔루션을 제공하게 된 것을 기쁘게 생각합니다.