NEV パワートレイン熱管理: アルミニウム プレートフィン熱交換器

評決: アルミニウム プレートフィン技術が最新の NEV 冷却を固定

航続距離、出力密度、信頼性を最大化するためには、新エネルギー車のパワートレインには熱的な妥協は許されません。アルミニウムのプレートフィン熱交換器は、独自のバランスを保っているため、この取り組みのエンジニアリングのバックボーンとなっています。 高い熱伝達係数 (空気側で最大 5,000 W/m²K) と 30 ～ 40% の重量削減 従来の銅真鍮やチューブフィンのデザインよりも優れています。ろう付けされたアルミニウム構造により、薄いフィン、高い表面積密度、完全にリサイクル可能な構造が可能になり、バッテリー電気自動車、プラグインハイブリッド車、および燃料電池自動車の積極的なエネルギー効率と軽量化目標を直接サポートします。この記事では、パフォーマンス データと実際の統合パターンに裏付けられた、アルミニウム プレートフィン熱交換器が推奨ソリューションである理由を技術、製造、およびシステム レベルで検証します。

NEV パワートレインに特有の熱的課題

NEV パワートレインでは、バッテリー パック、電気モーター、インバーター、DC-DC コンバーター、車載充電器といった複数のコンポーネントにわたって熱が発生し、多くの場合、厳重に梱包されたボンネット下やスケートボード シャーシのスペース内にあります。より高い冷却温度を確保でき、前面ラジエーター面積が大きい内燃エンジンとは異なり、NEV は半導体とリチウムイオン電池を狭い温度範囲内に維持する必要があります。たとえば、多くの高エネルギー密度バッテリーセルは、最大動作温度を以下にする必要があります。 45℃ 一方、パワー エレクトロニクスのジャンクションはその下に留まる必要があります。 175℃ 。これには、複数の流体ループ (水-グリコール、冷媒、誘電体油) を低い圧力降下と高い効率で処理できるコンパクトな熱交換器が必要であり、まさにプレートフィン形状が優れている領域です。

厳重なパッケージングと複数回路の要求

一般的な 400 V または 800 V バッテリー電気自動車には、モーター、インバーター、バッテリーの冷却回路が統合されており、多くの場合、キャビン空調用のチラー ループが組み込まれています。プレートフィン熱交換器は、単一のろう付けコア内のマルチパス、マルチ流体ユニットとして設計できるため、単一のコンポーネントでさまざまな熱交換器を処理できます。 3 つの異なる流体の流れ 同時に。これにより、個別のシェルアンドチューブまたはチューブフィンユニットのクラスターと比較して、接続ポイント、潜在的な漏れ経路、および組み立てスペースが削減されます。

アルミニウムのプレートフィン形状が代替品より優れている理由

プレートフィン構造は、波形フィンで分離された平らな仕切りシートを積み重ね、すべてモノリシックブロックにろう付けされます。これにより、一次熱伝達表面積密度が生成されます。 800 ～ 1,500 平方メートル/平方メートル 、従来のシェルアンドチューブ式熱交換器よりも最大 10 倍大きくなります。 3xxx シリーズのアルミニウム合金 (例: 4004 または 4045 ろう付けクラッドを備えた 3003) は、優れた熱伝導率 (約 160W/m・K ）、適切なクーラント化学反応による耐食性、複雑なフィンパターンをスタンピングするための高い延性を備えています。ルーバー付きまたはオフセットされたストリップフィンは境界層をさらに遮断し、空気側または油側の係数を大幅に高めます。

データは、アルミニウム プレート フィン コアが、自動ろう付けと最小限の材料使用によりコスト同等または利点を維持しながら、クラス最高の熱伝達密度対質量比を達成していることを裏付けています。マイクロチャネル設計は、純粋な容積測定基準でプレートフィンよりわずかに優れている可能性がありますが、空気側の圧力損失が高いため、多くの場合、より大型のファンとより多くの寄生電力が必要となり、車両の正味システム効率が損なわれます。

バッテリーの熱管理への直接的な影響

バッテリーパックの熱暴走防止と寿命維持は、均一な熱除去にかかっています。モジュールベースまたはセルアレイ間に統合されたアルミニウムプレートフィンコールドプレートは、内部の温度均一性を実現します。 ±2℃ 最適化されたフィン密度と流量分布で設計された場合、パック全体に渡って流量が増加します。このレベルの等温性により、サイクル寿命を最大で延長できます。 20% NMC 角形セルの加速老化試験によると、不均一な冷却戦略と比較して。 1.0 ～ 1.5 mm のフィンピッチとマイクロチャネルパスを使用したプレートフィンコールドプレートは、以下の最小限の熱抵抗で誘電性流体浸漬冷却にも対応します。 0.05K/W .

• アルミニウムの質量による低い熱慣性により、急速充電中の急速な冷却が可能になり、250 kWを超えるピーク充電電力を長期間維持することができます。
• 低導電性、不燃性の誘電性流体との互換性により、熱伝達を犠牲にすることなく短絡のリスクが軽減されます。
• ろう付けアルミニウム構造によりガスケットが不要になり、高電圧バッテリーコンパートメントへの冷却剤の漏れのリスクが軽減されます。

モーターとパワーエレクトロニクスの冷却統合

電気ドライブ ユニットは、モーター、ギアボックス、インバーターを 1 つのハウジングに統合しており、共有の熱インターフェイスが必要です。モーターハウジングまたは外部バイパスループに統合されたアルミニウムプレートフィンオイルクーラーは、ステーター巻線とローターベアリングの両方から熱を放散します。水力直径のプレートフィン設計を使用 2～4mm オイル側では、単一のコンパクトなユニットで過剰な圧力を排除できます。 8kW オイル出口温度を以下に維持しながら熱を下げる 85℃ 高性能200kWドライブユニットを搭載。パワーモジュールの場合、内部プレートフィンチャネルを備えた直接接合アルミニウムベースプレートにより、接合部から冷却剤までの熱抵抗が以下に低減されます。 0.15K/W 、ジャンクション温度を以下に保つことで、より安価なシリコン IGBT の使用が可能になります。 150℃ ピーク負荷時でも。

圧力損失とポンプ出力のバランスをとる

重要な設計上の選択は、フィン密度と圧力損失です。液体側では、典型的なプレートフィン型バッテリーのコールドプレートと、 1 インチあたり 12 フィン (FPI) 冷却水の圧力降下は約 15kPa 10 L/分の流量で、電動ポンプの寄生吸引量を低く保ちます 50W 。このペナルティが低いため、車両はより多くのバッテリー エネルギーをトラクションに向けることができます。フィンのセレーションとオフセットの長さを調整すると、熱伝達を損なうことなく圧力降下をさらに 20% 削減できます。柔軟性のあるチューブとフィンの形状では一致しません。

製造、コスト、持続可能性の利点

アルミニウムのプレートフィンコアに使用されるワンショット真空ろう付けプロセスは本質的に拡張性があり、最新のラインではより多くの製品を生産しています 年間50万台 炉ごとに。材料使用率が超過 95% 、フィンのスクラップが直接新しいシートにリサイクルされるためです。 3003/4045 クラッド アルミニウムを使用した一般的な EV バッテリーのコールド プレートは、総製造コストを以下の水準に抑えることができます。 1ユニットあたり25ドル 体積では、銅と真鍮のユニットによる同等の性能よりも大幅に低くなります。フラックス残留物がなく、ろう付け後の清掃も最小限に抑えられるため、環境への影響も軽減され、ライフサイクル全体の二酸化炭素排出量削減目標と一致します。

1. クラッドアルミニウムコイルからのフィン、仕切り板、サイドバーのスタンピング。
2. フィンの高さの正確なギャップ制御によるスタッキングと固定。
3. ~600°C での真空ろう付けにより、あらゆる接触点に冶金的結合が形成されます。
4. 漏れと圧力低下のテストを行った後、冷却モジュールに統合します。

システムレベルの統合と将来への備え

次世代 NEV プラットフォームは、ヒート ポンプ アーキテクチャを使用して熱ループを統合熱管理システム (ITMS) に統合しています。アルミニウム プレートフィン熱交換器は、R-1234yf や R-290 などの低 GWP 冷媒で機能する能力により、内部凝縮器、蒸発器、外部ヒート ポンプとして機能します。構造剛性と耐食性により、重いブラケットを使用せずにフロントエンドモジュールに直接取り付けることができます。冷媒回路と冷却水回路を組み合わせたプレートフィンチラーの採用により、車両は最大で 2.5kW パワートレインからの廃熱を利用して寒冷時にキャビンを暖め、冬の走行距離を延長します。 10～15% システムシミュレーションによると。この多用途性により、アルミニウム プレートフィン アーキテクチャが単なる熱コンポーネントとしてではなく、車両全体のエネルギー最適化を戦略的に可能にするものとして確立されています。