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전기자동차의 액체 냉각 솔루션

개요

이 백서에서는 배터리 및 인버터 냉각에 중점을 두고 전기 자동차 및 eMobility의 현재 및 향후 동향 및 열 관리 설계 과제를 해결합니다. 액체 냉각은 더 높은 열 부하를 처리하는 데 매우 효율적이지만 시스템은 크기, 무게, 성능, 신뢰성 및 내구성을 최적화하도록 설계되어야 합니다. 고급 설계 및 기술 통합을 통해 Boyd는 디자이너와 협력하여 현재의 요구 사항을 충족하고 차세대 혁신을 가능하게하며 전반적인 차량 성능 및 운전자 만족도에 기여하는 방식으로 이러한 목표를 달성하고 있습니다. 이 기사는 엔지니어가 시스템 개발을 개선하고 설계 창의성을 육성하기 위해 액체 냉각의 역할을 이해하는 데 도움이 될 것입니다.

현재 전기 자동차 시장 동향

운송 시장은 현재 eMobility를 향한 중요하고 근본적인 변화를 겪고 있습니다. 환경 인식, 역사적인 가스 위기 및 도시화에 이르기까지 다양한 글로벌 트렌드와 연결성, 안전한 운전, 최대 효율성, 지속 가능성 및 비용 절감에 대한 고객의 요구가 결합되어 전기 자동차 (EV)에 대한 수요와 사용이 기하 급수적으로 증가했습니다.

글로벌 전자 함대는 지난 십 년 동안 극적으로 상승했습니다. 2019에 의해 도로에 추정 된 5.6 백만 전기 자동차가 있었고 시장 전문가들은 신차의 절반 이상이 2040에 의해 전기가 될 것이라고 추정했다.

배터리 비용, 안전, 신뢰성, 충전소 가용성 및 기술 제한과 같은 이전에 제한된 전기 자동차 채택에 대한 우려가 해결되었습니다. 현재 배터리가 더 빨리 충전되고 전력이보다 효율적으로 변환되며 전자 장치의 속도, 복잡성, 연결 및 처리 전력이 증가합니다. 그러나 시장 확장성과 성장에 대한 새로운 장벽은 부산물로 생성됩니다 : 더 많은 열.

다 기술 히트 파이프 어셈블리

더 오래 지속, 고성능 배터리, 더 큰 연결성, 더 정확하고 연결된 센서, 향상된 시스템 모니터링, 더 빠른 충전 및 향상된 객실 기능을 포함한 발전으로 인해 훨씬 더 높은 열 부하가 발생하고 있습니다. 이러한 향상된 성능 및 기능 외에도 제조업체는 더 작고 가벼운 폼 팩터를 요구하고 있습니다. 이러한 콤팩트한 형태로 너무 많은 전력에 의해 발생하는 과도한 열은 효율적이고 효과적으로 관리되지 않으면 시스템 고장과 승객 안전에 위협이 될 수 있습니다.

각 EV 세대는 더 가볍고, 안전하고, 더 안정적이며, 더 잘 연결되었으며, 앞으로도 새로운 모델마다 계속 그렇게 할 것입니다. 냉각 솔루션은 안전성과 신뢰성을 테스트하고 입증하기 위해 새로운 발전마다 차량 혁신보다 앞서 나아가는 것이 필수적입니다.

Boyd는 지난 수십 년 동안 주요 eMobility 혁신가 및 설계 팀과 긴밀히 협력하여 당사의 열 관리 솔루션이 업계의 발전을 뛰어넘어 미래 혁신에 힘을 실어줄 수 있도록 했습니다. 이러한 긴밀한 협력을 통해 Boyd 엔지니어는 향후 시장 변화, 산업 동향 및 진화하는 설계 요구 사항을 예측하여 연구 개발에 영향을 미치고 기술 로드맵을 안내하며 향상된 열 솔루션 및 시스템 통합을 위해 개발을 조기에 시작할 수 있었습니다. 이러한 관행은 더 높은 신뢰성으로 더욱 최적화되고 비용 효율적인 냉각으로 이어질 뿐만 아니라 시장 출시 시간을 단축하고 전체 비용을 절감하며 OEM에 상당한 경쟁 우위를 제공합니다.

차량은 가혹한 조건에서 효과적으로 작동해야합니다.

이모빌리티 냉각의 주요 과제 해결

전반적인 환경 및 사용 고려 사항

전기 자동차 내의 모든 열 관리 시스템을 둘러싼 몇 가지 중요한 고려 사항이 있으며, 가장 중요한 것 중 하나는 환경 조건입니다. 차량은 극한의 온도, 습도 수준, 강수량, 모래, 바닷물 및 기타 환경 요인에 대한 노출이 다양한 조건에서 성능, 안전 및 신뢰성을 보장받아 작동 할 수 있어야합니다. 차량은 또한 거친 지형, 극심한 충격 및 진동, 충돌 충격, 첨단 전자 시스템의 전자기 간섭 및 기타 여러 요인에 노출 될 수 있습니다. 중요한 구성 요소와 시스템은 알려진 가능한 위험으로부터 보호하면서도 서비스 가능하고 유지 관리가 용이하며 비용 효율적이도록 설계되어야 합니다.

최적화된 설계는 보호 및 구조적 기능을 냉각 솔루션에 통합하는 것과 같은 재료 및 조립 비용을 최소화하는 솔루션에 여러 기능을 통합하는 간소화된 형상에서 특정 성능 및 환경 노출에 가장 적합한 재료를 선택하는 것으로 시작됩니다. 엄격한 테스트와 품질 보증은 까다로운 환경에서 신뢰할 수 있는 고성능을 유지하기 위한 핵심 측면이기도 합니다.

과제: 배터리 및 인버터 냉각

eMobility의 성장과 채택을 촉진하는 가장 중요한 기술은 배터리 및 인버터로, 배터리 에너지를 기계적 동력으로 변환하여 차량을 추진합니다.

배터리 비용 절감과 EV 채택 사이에는 상관 관계가 있으며, 이로 인해 엔지니어링 부서는 배터리 비용 절감에 중점을 두었습니다. 배터리 용량, 충전 속도 및 신뢰성의 향상으로 인해 더 가볍고 작으며 더 높은 전력 배터리를 만들어 성능을 향상시키고 전반적인 소유 비용을 낮추는 혁신이 이루어졌습니다. 배터리에 대한 비용 절감 조치와 설계 혁신은 소형 폼 팩터에서 관리해야 하는 고밀도 열 부하로 이어지고 있습니다. 냉각 시스템은 크기, 무게 및 성능 요구 사항을 충족하도록 개발되어야 하지만 배터리 비용 절감을 부정해서는 안 됩니다.

차량 작동을 위해 전력을 실현하는 데 필요한 더 높은 열유속 인버터는 필요한 열 제거 시스템에 또 다른 복잡성을 추가합니다. 배터리와 높은 열유속 인버터는 냉각 요구 사항이 상당히 다를 수 있지만 함께 작동합니다. 배터리 열 관리는 균일하게 냉각될 수 있는 표면적을 최대화하는 데 의존합니다. 인버터 전력 밀도는 로컬 핫 스폿 열 확산 및 냉각을 필요로 하는 국부적인 고출력 밀도 열원에 따라 달라집니다. 인버터는 또한 차량 성능을 최적화하기 위해 임계 온도 이하로 냉각되어야 합니다. 냉각 시스템은 공간, 무게 및 비용 절감을 위해 동일한 시스템, 냉각수 및 냉각 루프에서 배터리와 다양한 인버터를 최적으로 냉각하도록 조정되어야 합니다.

EV 배터리의 예
EV 인버터의 예 - 컷 아웃 포함

배터리 및 인버터 냉각을 위한 열 설계

전통적인 승용차의 냉각은 열 요구 사항과 시스템 설계 요구 사항이 다른 연소 엔진을 중심으로 이루어졌습니다. 전기 배터리 차량은 완전히 다른 시스템 설계로 완전히 새로운 냉각 요구 사항을 가지고 있습니다. 엔지니어는 운전자가 익숙한 자동차 안전 프로토콜과 표준 기능을 유지하면서 새로운 기술을 완전히 활용하고 처음부터 시스템을 재설계하기 위해 창의적이고 미래 지향적 인 사고를 취해야합니다.

연소 구동 차량은 연소 과정에서 극한의 배기 온도를 열적으로 관리하기 위해 엔진 시스템이 필요합니다. 연소가 아닌 배터리를 사용하면 매우 높은 온도를 관리하는 문제가 제거되지만 배터리와 인버터 간의 공생 관계 내에서 전기 변환 에너지를 관리하는 것과 같은 새로운 설계 문제가 발생합니다.

통합 리퀴드 시스템은 증가하는 eMobility 고객의 요구를 충족시키기 위해 새로운 배터리 및 인버터 열 문제를 해결하는 데 가장 적합한 솔루션으로 부상했습니다. 액체 시스템은 하나의 중앙 열 시스템 내에서 배터리와 인버터의 요구 사항을 모두 충족하도록 설계에서 가장 효율적인 냉각 및 유연성을 제공합니다. 하나의 최적화된 루프를 활용하면 모든 시스템 구성 요소에 대해 최상의 성능을 제공할 수 있을 뿐만 아니라 무게, 공간 및 비용을 절감할 수 있습니다.

완전히 최적화된 액체 시스템에는 일반적으로 다음이 포함됩니다.

  • 핫 스폿 냉각 또는 최대화 된 표면적 접촉을위한 열원 요구 사항에 맞게 설계된 콜드 플레이트. 이러한 콜드 플레이트가 누출이없고 신뢰할 수 있으며 내구성이 뛰어나도록 철저히 테스트되고 제조되도록하는 것이 중요합니다.
  • 열 인터페이스 재료 및 장착 하드웨어는 열 방출을 극대화하기 위해 열원에서 냉각 시스템으로 열이 전달되는 동안 손실을 최소화합니다.
  • 열교환기 및 라디에이터는 제한된 구역 내에서 가능한 한 빨리 열을 발산하도록 설계되었습니다.
  • 커넥터, 호스, 펌프, 저수지 및 신뢰성, 내구성 및 시스템 유지 보수의 용이성을 보장하는 기타 하드웨어.
  • 성능을 향상시키고 히트 파이프, 고급 엔지니어링 재료, 팬, 송풍기 및 고급 방열판 핀 유형과 같은 시스템 무게 또는 크기를 줄이는 추가 통합 기술.

크기, 무게, 성능 및 비용 (SWAP-C)의 일반적인 과제 외에도; 전기 자동차의 엔진 컴파트먼트용 액체 시스템 개발에서 가장 큰 어려움은 배터리와 인버터의 냉각 요구 사항의 고유한 차이를 하나의 냉각 루프로 조정하고 관리하는 것입니다. 이러한 어려움을 해결하는 열쇠는 콜드 플레이트 설계에 있습니다.

전기 자동차 인버터의 EV 드라이브 유닛의 예 - 컷 아웃 포함
더 크고 얇은 냉판으로 배터리와의 표면적 접촉을 극대화하여 냉각 개선
주요 콜드 플레이트 고려 사항 - 배터리
  • 가능한 한 균일하게 냉각된 표면적을 최대화하는 것이 배터리 냉각을 최적화하는 열쇠입니다.
  • 배터리 콜드 플레이트는 인버터 콜드 플레이트와 같이 핀 향상이 필요하지 않지만 플레이트 내의 유체 경로는 가능한 한 많은 표면을 덮을 수 있도록 신중하게 설계되어야합니다.
  • 배터리의 열유속 밀도는 인버터보다 훨씬 적지 만 콜드 플레이트는 더 높은 표면적 접촉을 수용하고 전체 배터리의 주변 영역에 유체를 가져 오는 구조 하우징을 제공하기 위해 훨씬 큽니다. 이 구조 하우징은 배터리 팩의 보호까지 확장되므로 전체 어셈블리는 엄격한 충격 및 진동 사양을 통과 할 수 있어야합니다.
  • 콜드 플레이트는 배터리 팩에 넣을 수 있는 셀 수를 최적화하기 위해 더 클 뿐만 아니라 더 얇아지도록 구성되어야 합니다. 이것은 DFM (Design for Manufacturing)과 비용 절감을 창출하는 방법에 큰 역할을 할 것입니다. 다이캐스트 플레이트는 실행 가능한 옵션이 아닙니다. 모양의 흐름 통로가있는 스탬프 알루미늄이 더 최적의 선택입니다.
  • 배터리 어레이 내에는 유전체 재료가 호환 열 패드와 함께 필요한 경우 다른 전압 전위가 있을 수 있습니다. 전기 장벽과 열 패드의 적절한 조합은 배터리 모듈에 가장 적합한 냉각 재킷을 얻기 위해 필수적입니다.
주요 콜드 플레이트 고려 사항 - 인버터
  • 인버터 작동은 상당한 양의 열을 발생시켜 임계 온도에 도달하고 차량을 추진하는 성능 요구 사항을 충족하기 위해 극적으로 냉각해야 합니다.
  • 인버터의 열유속이 너무 커서 콜드 플레이트에 대한 열 계면이 총 열 손실의 거의 50 %입니다. 특정 마운팅 및 인터페이스 재료는 콜드 플레이트를 부착하고 얇고 높은 열전도율 재료로 더 높은 압축 하중을 제공하도록 설계되어야 합니다.
  • 적절한 제품 구성 및 제조 공정을 선택하는 것은 업계의 다양한 설계 옵션으로 인해 더 복잡합니다. 일반적인 설계에는 핀 강화가 있거나없는 브레이징 된 알루미늄, 다이 캐스트 유체 하우징에 밀폐 적으로 부착 된 알루미늄 스키드 핀 및 고성능 도금 구리 스키브 핀이 포함되지만 이에 국한되지 않습니다. 각 옵션에 대해 설계자는 차량 냉각 시스템이 실행 가능한지 확인하기 위해 냉각수 흐름 및 그에 따른 압력 강하로 재료 열전도율 및 핀 설계를 최적화하는 방법도 고려해야 합니다.
  • 연소 엔진에서 냉각하기위한 이전의 다이 캐스팅 공정은 다이 캐스트 알루미늄의 열전도율이 알루미늄 코일보다 낮기 때문에 인버터에게는 옵션이 아닙니다. 다이 캐스트 알루미늄은 유체 하우징에만 사용할 수 있으며 인버터와의 접촉에 덜 실용적입니다.
작고 가벼운 EV 인버터 냉각을 위해 맞춤 설계된 콜드 플레이트.

배터리 및 인버터 냉각의 추가 발전

Boyd는 열 관리 기술의 모든 측면에서 수십 년간의 경험, 전문 지식 및 혁신을 활용하여 eMobility 냉각의 요구 사항과 기대치를 초과하는 최적화된 통합 시스템을 개발했습니다. Boyd는 새로운 기술을 개척하고, 제조 공정을 개선하고, 업계 리더와의 파트너십을 통해 과거와 현재의 우려를 완화함으로써 전기 자동차에 대한 시장 성장을 가속화하고 시장 침투를 촉진 할 수있는 독보적 인 입지를 확보하고 있습니다. 여기에는 고급 경량화, 더 나은 성능, 더 많은 구조적 안정성과 기능을 제공하는 통합 설계, 비용 및 설계 볼륨을 줄이기 위해 시스템이 함께 작동하는 방식의 개선이 포함됩니다.

앞으로의 주요 고려 사항은 차량이 더 많은 안전, 주행 향상, 연결성 및 성능을 제공함에 따라 유량 제어를 강화하고 추가 열 용량을 가능하게하는 데 중점을 둘 것입니다. 현재의 솔루션은 정상 상태 또는 최악의 경우 일정한 부하를 위해 설계되었으며, 이는 견고한 설계 전략이지만 차량 성능을 저해 할 수 있습니다. Boyd는 이미 eMobility 고객과 협력하여 적시에 적절한 열원에 냉각 및 최적화된 용량을 제공하기 위해 더 잘 조절되는 차세대 열 솔루션을 개발하고 있습니다. 발전에는 전자 장치 온도 및 실시간 전력 부하에 따라 시스템을 통해 냉각수를 이동시키기 위해 더 빠른 응답 시간을 제공하도록 고속 밸브를 추가 및 구성하는 것이 포함됩니다.

또한, Boyd의 액체 열교환기 대 액체 열교환기 개발은 특히 과도 상태이고 정상 상태가 아닐 수 있는 전력 사이클링 시대에 추가적인 열 용량과 냉각수 온도 감소를 가져옵니다.

소매점과 주차 구역의 가정용 충전기 및 충전소는 점점 더 보편화되고 있습니다.

과제: 충전 및 충전 스테이션을 위한 열 관리

고객들은 전기 자동차 배터리에 대해 더 빠르고 보편적인 충전을 요구하고 있습니다. 충전기 가용성은 EV 브랜드 발전을위한 채택, 시장 성장 및 차별화에 주요 기여를합니다. EV 충전은 배터리 크기에 따라 변동할 수 있는 지속적인 기간 동안 많은 양의 열을 발생시키며 이는 고유한 안전 및 성능 문제를 야기합니다.

급속 충전에는 더 큰 전압이 필요합니다. 더 큰 전압은 열 관리 시스템, 특히 콜드 플레이트가 열 결합되고 충전 플러그로부터 전기적으로 절연되어야한다는 것을 의미합니다. 높은 열전도율과 임계 유전 강도 사이의 균형은 특정 재료를 평가할 때 서로 반대됩니다. 이를 위해서는 최대 성능 콜드 플레이트와 함께 인터페이스 솔루션을 위한 매우 구체적인 설계 형상 및 사이트 위치가 필요합니다.

다행스럽게도 충전소를 통해 엔지니어는 충전 포트에 결합하고 폐쇄 된 엔진 실보다 차가운 주변 환경에 직접 열을 제거하는 주변 공기 냉각 솔루션을 활용할 수 있습니다. 엔지니어는 주변 냉각을 활용하여 액체 용액의 크기와 무게를 줄일 수 있습니다. 그러나 주변 공기를 활용하면 충전소가 요소와 가혹한 환경 조건에 노출되는 경우가 많으므로 구성 요소와 인클로저를 보호해야합니다. 이러한 뉘앙스와 설계 고려 사항으로 인해 충전소 냉각은 많은 설계 엔지니어가 깨닫는 것보다 더 복잡해집니다.

이러한 독특한 과제를 극복하기 위해 Boyd는 철저한 테스트, 독창적 인 고급 재료 및 매우 신뢰할 수있는 솔루션 통합을 활용합니다. 통합 열 시스템은 각 구성 요소의 성능을 극대화하고 시스템 성능이 해당 부품의 합보다 크도록 사용자 정의됩니다.

과제: 광범위한 연동 전자 시스템

차량을 추진하는 수많은 전자 시스템 외에도 엔진실, 캐빈 및 차량 외부 내에는 추가 기능을 가능하게하는 다양한 다른 기술이 있습니다. 연결성과 스마트 시스템은 전기 자동차와 동일한 기하 급수적 인 속도로 발전하고 있습니다. 센서, 카메라, 제어 모듈, 인포테인먼트, 에너지 절약 모드, 시스템 모니터링, 터치 스크린 및 음성 인식이 모두 표준 기술이 되고 있습니다. 새롭고 혁신적인 기술과 시스템이 계속 등장하고 있습니다. 자율 주행도 증가하고 있으며, 새로운 컴퓨팅 및 안전 요구와 복잡성을 가져오고 있습니다.

기능이 기하급수적으로 발전함에 따라 이러한 작업에 전력을 공급하는 데 필요한 CPU 및 GPU는 처리 능력과 속도가 혁신적으로 발전하여 더 많은 양의 열을 발생시키고 새로운 열원을 추가하고 있습니다. 매우 얇은 열 확산은 새로운 과도한 열을 처리하고 핵심 액체 냉각 시스템 및 콜드 플레이트와의 통합에 가장 중요합니다.

헤드 업 디스플레이, 모니터링 시스템, 터치 스크린 및 커넥티드 장치는 모두 향후 기내 경험에서 중요한 역할을 할 것입니다.

e모빌리티 냉각 시스템의 보이드 어드밴티지

전기 자동차 및 eMobility 응용 제품의 기능 및 채택이 증가하고 배터리 크기가 감소함에 따라 주요 제한 요소는 열 관리입니다. 구성 요소는 훨씬 더 많은 열을 발생시키고 있지만 차량 폼 팩터는 동일하거나 더 작게 유지됩니다. 열을 적절하게 방출할 공간이 더 많지 않으면 유일한 옵션은 더 진보된 고효율 냉각 시스템입니다. 비용 효율성을 희생하지 않고 크기, 무게 및 성능 요구 사항을 충족하기 위해 이러한 보다 효과적인 솔루션을 개발하려면 냉각 설계 및 재료 선택의 모든 측면에서 세부 사항에 세심한주의를 기울여야합니다.

Boyd는 단일 냉각 루프, 통합 구성 요소 및 최적화된 조절 냉각 및 신속한 전환을 위한 첨단 기술을 갖춘 미래 지향적인 고성능 시스템 개발에 중점을 둡니다. Boyd는 혁신과 고객 파트너십에 중점을 두어 당사의 냉각 시스템이 지원하는 차량만큼 혁신적이라는 것을 보장합니다. eMobility 연구 및 개발에 대한 우리의 헌신은 우리의 혁신이 다음 세대의 요구 사항보다 앞서 있음을 보장합니다.

질문이 있으십니까? 저희가 도와드리겠습니다!