Esempio di applicazione (case study) sui veicoli ibridi

Dettagli del progetto

Cliente: Infineon

Applicazione: Electric and HybridVehicles

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 in combinazione con le esigenze di progettazione per inverter compatti e leggeri ha reso la gestione termica un importante ostacolo per gli ingegneri e i produttori automobilistici. Le soluzioni termiche per questi moduli di potenza devono essere leggere, abbastanza piccole da rientrare nel treno elettrico, abbastanza potenti da raffreddare componenti estremamente caldi e abbastanza convenienti da non aumentare i punti di prezzo di questi veicoli.

Per superare queste sfide, Infineon Technologies è venuto ad Aavid,Thermal Division di Boyd Corporation, per aiutare a sviluppare una soluzione di raffreddamento per la loro ultima famiglia di moduli di potenza, 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

Le specifiche per questa applicazione: potenza da dissipare da ciascuno dei tre moduli DSC, connessioni elettroniche e integrazione, e condizioni limite. Partendo dalle caratteristiche dei moduli DSC e dalla resistenza termica richiesta e dal calo di pressione, Aavid ha iniziato l'analisi dei possibili concetti di piastre a freddo liquido (LCP); l'idea di base era quella di mettere un LCP in cima e uno LCP sul fondo, al fine di raffreddare i due lati attivi di ogni modulo.

Sono stati presi in considerazione diversi punti chiave: geometria complessiva, struttura di raffreddamento interna, spessori della parete, posizione di inserimento e presa, connessione dal alto al basso, tecnica di montaggio e costo di destinazione. 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 bloccaggio meccanico tra la parte superiore e inferiore: considerando la distanza minima e le distanze di pagina cree da garantire, sono stati aggiunti otto punti di fissaggio, esternamente alla superficie di scambio attiva. 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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