Ontwerp van een vloeistofkoelsysteem voor thermisch beheer van EV-accu's en energieopslagsystemen

Het ontwerp van vloeistofkoelsystemen voor EV-batterijen en energieopslagsystemen is afhankelijk van de celchemie, de module-spanningsarchitectuur, de maximale warmteafvoer en de vereisten voor temperatuuruniformiteit. Batterijkoelplaten Het systeem moet een gematigde warmteflux verdelen over grote, vlakke oppervlakken. Tegelijkertijd moet de temperatuur van cel tot cel binnen nauwe toleranties gelijk blijven. Deze twee eisen zijn bepalend voor elke beslissing in het productieproces, van de geometrie van de koelplaatkanalen tot de keuze van het koelmiddel.

Bij Trumonytechs maakt ons engineeringteam gebruik van R&D-samenwerking met de Shanghai Jiao Tong Universiteit. We putten ook uit productie-ervaring in de thermische systemen van elektrische voertuigen, energieopslagsystemen, consumentenelektronica en 5G-basisstations. De ontwerpparameters en verificatiemethoden in deze handleiding weerspiegelen patronen uit de productie van meerdere modules.

Dit artikel behandelt het ontwerp van indirecte vloeistofkoelsystemen voor accupakketten van elektrische voertuigen (EV's) en stationaire energieopslagsystemen (ESS) in het spanningsbereik van 48V tot 1000V. EV- en ESS-toepassingen delen de basisprincipes van het ontwerp van koelplaten. Ze verschillen echter in de toepasselijke normen, installatieomgevingen en veiligheidsvalidatie-eisen. Dit artikel behandelt geen thermische circuits voor waterstofbrandstofcellen, koeling van flowbatterijen of systemen die onderhevig zijn aan zware industriële trillingsbelasting.

Hoe een vloeistofkoelingssysteem in een accupack werkt

Kerncomponenten en hun rol

Een functioneel vloeistofkoelsysteem bestaat uit vier hoofdonderdelen. Ten eerste maken de koelplaten thermisch contact met de celoppervlakken. Ten tweede zorgt een pomp voor de benodigde vloeistofdruk. Ten derde voert een warmtewisselaar warmte af. Ten vierde verdelen aanvoer- en retourleidingen de vloeistof over parallelle platencircuits. Elk onderdeel draagt bij aan de drukval. Bij elektrische personenauto's streven ingenieurs er doorgaans naar om de totale drukval in het koelplatennetwerk onder de 50 kPa te houden. De juiste limiet hangt af van de pompkeuze, de systeemarchitectuur en het beschikbare energiebudget.

Het batterijmanagementsysteem (BMS) activeert de pomp op basis van de temperatuurmetingen van de celsensor. De regeldrempels variëren afhankelijk van de celchemie, de C-rate, de thermische massa van het accupakket en het omgevingsprofiel. Het zijn geen universele ontwerpconstanten. De plaatsing van de thermistors binnen de module – niet alleen bij de in- en uitlaat van het accupakket – zorgt voor de benodigde ruimtelijke resolutie om hotspots vroegtijdig te detecteren. We controleren de plaatsingskaarten van de sensoren aan de hand van de door CFD voorspelde hotspotlocaties voordat we de kabelgeleiding definitief vaststellen. Het overslaan van deze stap komt vaak voor bij ontwerpen van derden. Het gevolg is een asymmetrische temperatuurverdeling over de rijen modules.

Architectuur met één lus versus architectuur met twee lussen

Bij systemen met één koelcircuit wordt de koelvloeistof van de accu door een gedeelde warmtewisselaar geleid met andere warmtebelastingen van het voertuig. Dit vermindert het aantal componenten en de kosten. Het nadeel is echter dat de thermische onafhankelijkheid verloren gaat. Bij systemen met twee koelcircuits wordt het accucircuit geïsoleerd met een aparte koeler en expansieklep. Dit zorgt voor een nauwkeurige regeling van de accutemperatuur, onafhankelijk van de omgevingsomstandigheden of de warmtevraag in het interieur.

Een dubbel circuit is vaak nodig wanneer snelladen voorconditionering van de batterij-ingang vereist is voordat het laden begint. Ingenieurs evalueren een dubbel circuit doorgaans wanneer de pieklaadsnelheden ongeveer 100 kW overschrijden. De daadwerkelijke drempelwaarde hangt af van de thermische tijdconstante van de batterij, de vereisten voor voorconditionering en de acceptatiecriteria voor de cellen.

Waarom koelplaten voor accu's een andere logica vereisen dan koelplaten voor omvormers

De benodigde oppervlakte van de koelplaat van een batterij hangt af van het aantal cellen, de warmtefluxdichtheid en de gewenste temperatuuruniformiteit. Dit onderscheid heeft gevolgen voor de materiaalkeuze, de kanaaldichtheid en het ontwerp van het verdeelstuk – die allemaal een andere logica volgen dan Ontwerp van een koelplaat voor thermisch beheer van vermogenselektronica.

Het verschil in warmteflux

Een omvormermodule met een vermogen van 5 kW concentreert die belasting op een oppervlakte van ongeveer 100-200 cm². De warmteflux bedraagt doorgaans meer dan 25 W/cm². Een accupakket met hetzelfde vermogen van 5 kW verdeelt die belasting over een celoppervlak van 2.000-10.000 cm². De resulterende warmteflux blijft ruim onder de 1 W/cm². In dit bereik biedt aluminiumlegering 3003 of 6063 voldoende geleidbaarheid. Koper is niet nodig. We berekenen warmtefluxkaarten per modulezone voordat we het plaatmateriaal specificeren. Dit voorkomt dat de geleidbaarheid van de platen te hoog wordt ingeschat, terwijl de stroomverdeling de werkelijke beperking vormt.

Hoe ΔT-doelstellingen de geometrie beïnvloeden

Een temperatuurverschil (ΔT) van minder dan 5 °C over het hele accupakket is een veelgebruikt doel in programma's voor koelplaten in elektrische voertuigen en energieopslagsystemen. Op dit niveau blijven de verouderingsverschillen tussen cellen binnen acceptabele grenzen voor de meeste lithium-ion-chemieën. Om dit te bereiken is een voldoende kleine kanaalafstand nodig om temperatuurpieken tussen de kanalen te voorkomen. Typische startparameters voor prismatische cellen variëren van 8 tot 15 mm tussen parallelle kanalen. De juiste afstand hangt af van de warmteflux, de stroomsnelheid en de kanaalgeometrie. We modelleren de gevoeligheid van ΔT voor de kanaalafstand voordat we een geometrie vastleggen voor de productie.

Keuze koelmethode: Vloeistof, lucht of onderdompeling

Luchtkoeling werkt in stationaire ESS-ontwerpen met een laag vermogen. De ontladingssnelheid moet onder de 1C blijven en de celtemperatuur onder de 40 °C. Het werkt niet meer wanneer snelladen of strikte ΔT-uniformiteit in de specificaties worden opgenomen. We raden luchtkoeling niet aan voor EV-toepassingen die compatibel zijn met DC-snelladen.

Directe onderdompeling elimineert de thermische weerstand van de interface tussen de koude plaat en de cel. Het vereist echter diëlektrische vloeistof, verhoogt het systeemgewicht en brengt risico's met zich mee voor de celcoating. We gebruiken indirecte koeling als basis voor ontwerpen boven de 400V. We evalueren alleen indirecte koeling. dompelvloeistofkoeling Als de geoptimaliseerde TIM-selectie niet voldoet aan de doelstellingen voor de junctieweerstand, moet de afname van de thermische prestaties van de diëlektrische vloeistof worden vergeleken met de vermindering van de junctieweerstand voordat voor die architectuur wordt gekozen.

Basisprincipes van het ontwerp van koelplaten

Stroompadarchitectuur

De kronkelende stromingspaden leiden alle koelvloeistof door één doorlopend kanaal. Dit maximaliseert de warmteafvoer per eenheid debiet. Het creëert echter een temperatuurgradiënt van inlaat naar uitlaat. Bij langere koelpakketten overschrijdt deze gradiënt de ΔT-doelstellingen.

Parallelle stromingsarchitecturen verdelen de stroming over meerdere kanalen. Dit vermindert de drukval en de temperatuurgradiënt. Ongelijke kanaalweerstand veroorzaakt echter omleiding in takken met een lagere weerstand. Voor langere koelpakketten gebruiken we gesplitste stromingsconfiguraties met tegenoverliggende inlaat- en uitlaatposities. Dit creëert complementaire temperatuurprofielen over de parallelle takken en gaat thermische stratificatie tegen. De oriëntatie van de kanalen is een gerelateerde variabele. rechte kanaalgeometrie versus schuine kanaalgeometrie Dit heeft gevolgen voor zowel de drukval als de uniformiteit in EV-specifieke lay-outs.

 

Dimensionering van het verdeelstuk en stroomverdeling

Bij veel praktische koelplaatprogramma's wordt de stroomverdeling de belangrijkste bottleneck nadat de materiaalkeuze en de interface zijn bepaald. Dit geldt met name voor langere pakketten met veel parallelle aftakkingen. De doorsnede van het verdeelstuk moet elke aftakking voldoende van lucht voorzien zonder de aftakkingen nabij de inlaat te overbelasten.

Het ontwerpproces begint met het aantal parallelle aftakkingen, de gewenste variatie in de stroming per aftakking en de acceptabele totale drukval. We voeren een CFD-stromingsnetwerkanalyse uit voordat we de geometrie van het verdeelstuk vrijgeven voor productie. Een afwijking van de tolerantie in de vroege CFD-resultaten wijst op een onvoldoende doorsnede van het verdeelstuk, en niet op fouten in de kanaalgeometrie.

Kanaalgeometrieparameters

Typische startparameters voor prismatische koelplaten zijn een kanaalbreedte van 3–6 mm en een hoogte van 4–8 mm. De gewenste Reynoldsgetallen zijn afhankelijk van het drukverliesbudget, de hydraulische kanaaldiameter, de warmteflux en de beperkingen van het pompvermogen. Turbulente stroming verbetert de convectieve warmteoverdracht. Sommige programma's accepteren echter laminaire stroming bij ontwerpen met grotere kanalen, waar het drukverlies de beperkende factor is. We voeren gevoeligheidsanalyses uit op de hydraulische kanaaldiameter en de wanddikte voordat we de definitieve gereedschapsgeometrie bepalen.

TIM-contactdruk — De meest onderschatte variabele

Bij de productie van koelcellen varieert de contactdruk tussen de koelplaat en de celbehuizing per batch. Deze variatie wordt veroorzaakt door de vlakheid van de platen en de tolerantie in de dikte van de thermische interfacelaag (TIM). Het gevolg hiervan zijn lokale temperatuurverschillen tussen cellen met een strakker en cellen met een losser contact. De selectie van de TIM-geleidbaarheid en het beheer van de contactdruk moeten daarom onderdeel uitmaken van het ontwerp van de assemblage.

Vlakheidstoleranties en minimale TIM-geleidbaarheidseisen moeten worden afgeleid uit een thermische stapelanalyse voor de specifieke celinterface. Een TIM-geleidbaarheid van meer dan 3,0 W/m·K is een gangbare minimumvereiste voor prismatische celontwerpen die een lage weerstand tussen junctie en koelvloeistof nastreven. Deze drempelwaarde is afhankelijk van de geometrie en het ontwerp. We controleren de uniformiteit van de TIM-contactdruk over de verschillende productiebatches als standaard kwaliteitscontrole.

Materiaalkeuze

Aluminiumlegering 3003 biedt superieure corrosiebestendigheid en vervormbaarheid voor solderen. Het is de standaardkeuze voor gestempelde en vacuümgesoldeerde koelplaten in elektrische personenauto's. Legering 6063 heeft een hogere thermische geleidbaarheid: 200–210 W/m·K versus 155–175 W/m·K voor 3003. Deze legering heeft de voorkeur wanneer de lengte van het geleidingspad binnen de plaat de prestaties beperkt. De lagere corrosiebestendigheid vereist een strengere controle van de koelvloeistofsamenstelling. We raden koper alleen aan wanneer een analyse van de warmtefluxdichtheid en de geleidingsweerstand bevestigt dat aluminium niet aan de thermische eisen kan voldoen.

Koelvloeistofkeuze voor EV- en ESS-systemen

Water-glycolmengsels

Ethyleenglycol-water in een concentratie van 40–60% is standaard voor de meeste indirecte koeltoepassingen in elektrische voertuigen en energieopslagsystemen. Dit bereik biedt vorstbescherming tot ongeveer -25 °C tot -45 °C, afhankelijk van de concentratie. De keuze van het inhibitorpakket bepaalt de duur van de corrosiebescherming van aluminium en het onderhoudsinterval. OAT- en HOAT-pakketten bieden langere onderhoudsintervallen dan conventionele silicaatformuleringen. Specifieke doelstellingen zijn afhankelijk van de chemische samenstelling van de inhibitor, de bedrijfstemperatuur en de eisen van de OEM.

We specificeren geïnhibeerde ethyleenglycol met HOAT-remmerpakket als een typisch uitgangspunt voor aluminium koelplaatsystemen. We controleren de koelvloeistofgeleidbaarheid bij de eerste vulling en tijdens geplande onderhoudsbeurten. corrosie in vloeistofkoelsystemen Het probleem begint doorgaans met de uitputting van de remstof, wat door middel van geleidbaarheidsmetingen wordt vastgesteld voordat er zichtbare schade optreedt. De acceptabele limiet hangt af van de chemische samenstelling van de remstof en de specificaties van de leverancier van de vloeistof.

Pompdimensionering en risico bij koude start

Bij de selectie van een pomp is het belangrijk dat de druk-debietcurve overeenkomt met de systeemweerstand over het volledige werkingsbereik. Bij lage omgevingstemperaturen kan de viscositeit van de koelvloeistof de systeemweerstand aanzienlijk verhogen. Tijdens validatieprogramma's in de productie hebben we geconstateerd dat centrifugaalpompen bij lage omgevingstemperaturen stilvallen wanneer de dimensionering alleen gebaseerd is op debietdoelen bij warme omstandigheden. Het gevolg is een nul- of sterk verminderde doorstroming door een of meer koude plaattakken tijdens de initiële activering. De asymmetrie in de celtemperatuur blijft dan aanhouden tot in de eerste laadcyclus.

Om dit te voorkomen, moet de pompcapaciteit worden gecontroleerd bij zowel een warme, stabiele viscositeit als een koude startviscositeit. Evalueer ook voorconditioneringsstrategieën, zoals een opwarmbypass, gefaseerde pompactivering of een thermostatische bypass. Tandwielpompen zijn beter bestand tegen stilstand bij hoge viscositeit. Ze zijn de voorkeurspomp voor circuits met thermostatische bypasskleppen die de circuitweerstand dynamisch wijzigen.

Toepasselijke normen en validatiekader

Normen voor EV-accupakketten

• ISO 6469-1Veiligheidseisen voor REESS aan boord, met betrekking tot elektrische veiligheid en thermische systeeminteractie.
• ISO 12405-4Testprocedures voor de prestaties van accupakketten en -systemen, met een structuur voor het testprogramma ter validatie van thermische prestaties en duurzaamheid.
• UNECE-verordening nr. 100Veiligheidseisen voor elektrische voertuigen met batterijen, die de veiligheid van REESS regelen, inclusief de interactie met thermisch beheer.
• UL 2580: Kader voor veiligheidsbeoordeling van EV-batterijsystemen, met aandacht voor misbruiktests die van invloed zijn op het ontwerp van het thermische systeem

ESS-normen

• IEC 62619Veiligheidseisen voor industriële en stationaire lithium-ionbatterijtoepassingen; normen specifiek voor wegvoertuigen hebben voorrang bij EV-programma's.
• UL 9540ATestmethode voor het evalueren van de voortplanting van thermische doorslagbranden; de resultaten hebben directe gevolgen voor de thermische massa van de koelplaat en de voorzieningen voor bypass-stroming.
• NFPA 855Installatienorm voor stationaire energieopslagsystemen, met betrekking tot plaatsing, afstand en brandbestrijdingseisen.

Validatietypekader

De verificatie omvat vier typen. Ontwerpvalidatie (DV) bevestigt dat het ontwerp voldoet aan de eisen onder gedefinieerde omstandigheden. Dit omvat CFD-stromingsverdeling, thermische prestatiesimulatie en thermische beeldvorming van het prototype. Prestatievalidatie (PV) bevestigt dat productierepresentatieve modellen voldoen aan de prestatiedoelstellingen over het volledige werkingsbereik. Veiligheidsvalidatie omvat testen op thermische runaway en de toepasselijke normen voor misbruiktesten. Installatie- en inbedrijfstellingsvalidatie omvat de uitvoering van het ontluchtingsprotocol, thermische beeldvorming na het vullen en sensorcalibratie.

De resultaten van CFD-simulaties alleen zijn niet voldoende als definitief acceptatiebewijs. Correlatie met fysieke tests is vereist voordat de geometrie voor matrijsgebruik wordt vrijgegeven.

Verificatie gedurende de gehele ontwerplevenscyclus van de koelplaat

Acceptatiecriteria voor CFD-simulaties

CFD-verificatie richt zich op drie criteria. De variatie in de stroming in de aftakkingen moet binnen acceptabele grenzen blijven voor alle parallelle kanalen. De temperatuurverdeling over het gehele pakket moet voldoen aan de ΔT-uniformiteitsdoelstelling onder piekbelasting. De totale drukval in het systeem moet binnen het systeemdrukbudget blijven. Onderzoeken naar mesh-onafhankelijkheid en validatie van het turbulentiemodel aan de hand van fysieke testgegevens zijn vereist voordat CFD-resultaten de ontwerpgoedkeuring ondersteunen.

Thermische beeldvormingsprotocol

We hebben thermische beeldvorming nodig na koudestarttransiënten — niet alleen in de stationaire toestand. Hete plekken door dampvorming worden gemist wanneer beeldvorming pas na langdurig gebruik plaatsvindt. Luchtbellen worden tijdens langdurig gebruik verwijderd, maar veroorzaken plaatselijke temperatuurpieken in de eerste paar verwarmingscycli. Deze pieken correleren met vroege celdegradatie tijdens latere capaciteitsbehoudtests. Acceptatiecriteria vereisen dat alle celoppervlaktetemperaturen binnen de ΔT-uniformiteitsband vallen binnen de derde verwarmingscyclus.

Bloedingsprotocol en randvoorwaarden

Onvoldoende ontluchting is de oorzaak van de meeste vroege storingen in thermische systemen die we hebben onderzocht. De eerste vulling in de fabriek vereist drie stappen: vacuümgestuurde vulling, een statische koeling op systeemdruk en actieve pompcirculatie gedurende ten minste één volledige thermische cyclus. Thermische beeldvorming na de ontluchting bevestigt dat alle lucht is verwijderd.

Voor service in het veld is een gedefinieerde alternatieve procedure met aangepaste acceptatiecriteria vereist. In parallelle systemen met meerdere aftakkingen moet de ontluchting elke aftakking afzonderlijk aanpakken. Een ontluchting op één punt ontlucht niet alle parallelle paden volledig. We vereisen gedocumenteerde naleving van de ontluchtingsprocedure als verplichte kwaliteitscontrole bij de installatie.

Conclusie

Bij de meeste programma's voor koelplaten van EV-accu's wordt de uniformiteit van de stroomverdeling de belangrijkste bottleneck nadat de materiaalkeuze en de interface zijn vastgelegd. Drie variabelen maken doorgaans het verschil tussen succesvolle prestaties in de praktijk en vroege storingen: de uniformiteit van de stroomverdeling over parallelle vertakkingen, de consistentie van de contactdruk van het thermische interfacemateriaal (TIM) over verschillende productiebatches en de kwaliteit van de uitvoering van het ontluchtingsprotocol tijdens de installatie.

Bij Trumonytechs beschouwen we de stroomverdeling als een primair beoordelingscriterium voordat we de kanaalgeometrie of materiaalkeuze optimaliseren. We passen het volledige validatiekader toe – dat ontwerp, prestaties, veiligheid en inbedrijfstelling omvat – voordat we onze producten vrijgeven. waterkoelplaten voor de productie van de benodigde gereedschappen. Deel uw accupakketconfiguratie, celformaat, spanningsarchitectuur en duty cycle met ons team. Wij zullen uw thermische randvoorwaarden beoordelen en een voorlopige ontwerprichtlijn geven.

FAQ