Esempio di applicazione (case study) sui veicoli ibridi

Dettagli del progetto

Cliente: Infineon

Applicazione: veicoli elettrici e ibridi

Tecnologia: raffreddamento a liquido

Settore: automotive

Luogo: Germania

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La sfida della progettazione

Negli ultimi 2 decenni, lo sviluppo e la produzione di veicoli elettrici e ibridi hanno registrato una crescita, una tendenza che è destinata ad aumentare esponenzialmente nei prossimi 20 anni. Mentre le case automobilistiche cercano di utilizzare energia più pulita e meno costosa e di soddisfare le normative sulle emissioni di CO2 in tutto il mondo entro il 2020, i veicoli elettrici e ibridi conquisteranno un segmento molto più ampio del mercato.

Tuttavia, la potenza necessaria per far funzionare un veicolo, combinata con le esigenze di progettazione di inverter compatti e leggeri, ha reso la gestione termica un importante ostacolo per gli ingegneri e le case automobilistiche. Le soluzioni termiche per questi moduli di alimentazione devono essere leggere, abbastanza piccole da poter essere inserite nel gruppo propulsore, sufficientemente potenti da raffreddare componenti estremamente caldi e convenienti a un punto tale da non causare l'aumento del prezzo dei veicoli.

Per superare queste sfide, Infineon Technologies ha chiesto aiuto ad Aavid, la divisione di gestione termica di Boyd Corporation, per sviluppare una soluzione di raffreddamento per la loro ultima famiglia di moduli di alimentazione, HybridPACK™ Double Sided Cooling (DSC) per veicoli ibridi ed elettrici. Le loro dimensioni e caratteristiche permettono a questi moduli di essere più flessibili, grazie a un design compatto dell'applicazione complessiva, e di dissipare il calore su entrambi i lati del modulo. Infineon e il nostro centro di progettazione europeo hanno studiato una soluzione di raffreddamento a liquido in grado di garantire le prestazioni specifiche.

La Soluzione di Aavid

Specifiche dell'applicazione: potenza dissipata da ciascuno dei tre moduli DSC, collegamento e integrazione elettronica, condizioni limite. Partendo dalle caratteristiche dei moduli DSC, dalla resistenza termica e dal calo della pressione richiesti, Aavid ha iniziato l'analisi delle possibili soluzioni con piastre di raffreddamento a liquido; l'idea di base era quella di posizionare una piastra in alto e una in basso, in modo da raffreddare i due lati attivi di ogni modulo.

Sono stati considerati diversi punti chiave: geometria complessiva, struttura interna del raffreddatore, spessori delle pareti, posizione di ingresso e di uscita, collegamento alto-basso, tecnica di montaggio e obiettivo di costo. La struttura è stata definita dai principali limiti meccanici: dimensioni dell'area attiva dei moduli DSC, spazio disponibile intorno ai moduli e integrazione con l'intero sistema.

La struttura interna è stata definita in funzione delle prestazioni richieste (resistenza termica e calo della pressione), e la chiave è stata quella di aggiungere un turbolatore accuratamente ottimizzato per aumentare la superficie di scambio e il coefficiente di scambio termico per convezione, mantenendo il calo della pressione al di sotto del limite stabilito. Sono inoltre state effettuate alcune simulazioni CFD. Lo spessore del materiale è stato correttamente valutato per resistere alla pressione di esercizio e di collaudo richiesta. Un'ulteriore analisi si è concentrata sul collegamento tra la piastra di raffreddamento a liquido superiore e inferiore (LCP) e la posizione di ingresso e uscita; in questa fase, il collegamento tra la parte superiore e inferiore è stato considerato esterno all'LCP stessa, realizzato mediante tubi flessibili e morsetti (ogni LCP è dotato di un ingresso e di un'uscita). In questo modo è stato possibile ottenere una connessione parallela tra la LCP superiore e quella inferiore, con il vantaggio di ottenere due flussi paralleli uguali e, di conseguenza, lo stesso livello di rendimento sulle due LCP.

Infine, è stato studiato il blocco meccanico tra la parte superiore e inferiore: tenendo conto delle distanze minime di gioco e di dispersione da garantire, sono stati aggiunti otto punti di fissaggio, esterni alla superficie di scambio attivo. Il collegamento meccanico tra la parte superiore e inferiore può essere realizzato velocemente sia con i rivetti che con le viti. Sono stati realizzati alcuni prototipi di questa soluzione per convalidare l'analisi termica e meccanica e i risultati dei test sperimentali hanno confermato l'idoneità a sopportare la pressione richiesta e a garantire sia la resistenza termica indicata che il calo della pressione. Per i primi prototipi, sono stati utilizzati dei rivetti per fissare le piastre di raffreddamento a liquido superiori e inferiori.

La soluzione sviluppata da Aavid e la disponibilità di prototipi consente all'industria automobilistica di progettare rapidamente inverter efficienti per veicoli ibridi ed elettrici che usano i moduli HybridPACK DSC di Infineon.

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