Flüssigkeitskühlung vs. Luftkühlung für die Leistungselektronik von Elektrofahrzeugen: Kosten, Leistung und Zeitpunkt des Wechsels

Die Bewertung von Automobilarchitekturen mit Flüssigkeitskühlung und Luftkühlung  ist einer der frühesten Plattform-Kompromisse beim Design von Elektrofahrzeugen. Die Beibehaltung eines zu kleinen luftgekühlten Kühlkörpers bei Leistungsmodulen mit hoher Leistungsdichte erzwingt eine thermische Leistungsreduzierung während des Schnellladens im Sommer, während das Hinzufügen von Flüssigkeitsleitungen zu einem Controller mit geringer Wattzahl das Stücklistenbudget verschwendet und Leckstellen verursacht. Luftkühlung eignet sich für Module unter 150 W mit einem lokalen Wärmefluss unter 15 W/cm²; Flüssigkeitskühlung wird obligatorisch, sobald die Gesamtwärmelast 300 W bis 500 W überschreitet oder der Chip-Wärmestrom 30 bis 50 W/cm² erreicht. Innerhalb unseres In diesem Leitfaden werden die genauen Schaltgrenzen  für Wechselrichter, Onboard-Ladegeräte und Steuergeräte definiert.

1. Kühltrends in der Leistungselektronik von Elektrofahrzeugen: SiC-Module und steigende Leistungsdichte

Vor fünf Jahren waren 400-V-Elektrofahrzeuge für den Personenverkehr auf Silizium-IGBT-Module (Insulated-Gate-Bipolartransistor, ein Leistungshalbleiterschalter mit drei Anschlüssen, der in Mittel- bis Hochspannungswandlern verwendet wird) mit relativ großen Chipflächen und konservativen Schaltfrequenzen angewiesen. Heute hat die Umstellung auf 800-V-Architekturen und Siliziumkarbid-MOSFETs (SiC) das Gehäusevolumen von Wechselrichtern und On-Board-Ladegeräten (OBC) halbiert und gleichzeitig die Dauerstromwerte erhöht.

Wenn die Fläche des Halbleiterchips verkleinert wird, ohne die gesamte Abwärme zu reduzieren, steigt der lokale Wärmefluss (Wärmeleistung geteilt durch aktive Chipfläche, ausgedrückt in W/cm²) stark an. Moderne Kühlhardware für die Leistungselektronik von Elektrofahrzeugen  muss 2 kW bis 12 kW Abwärme aus Stellflächen ableiten, die kleiner als ein Blatt A4-Papier sind, und gleichzeitig die Temperaturen der Siliziumkarbid-Verbindungen unter 150 °C bis 175 °C halten.

1.1 Siliziumkarbid (SiC) und doppelseitige Kühldrücke

Siliziumkarbid-Chips arbeiten mit höheren Stromdichten als herkömmliche Silizium-IGBTs, sodass die routinemäßigen Wärmeströme auf Chipebene jetzt bei Spitzenbeschleunigung oder regenerativem Bremsen 60 bis 120 W/cm² erreichen. Selbst an der Grundplatte oder DBC-Schnittstelle (Direct Bonded Copper, ein Keramiksubstrat, das zur elektrischen Isolierung und Wärmeverteilung auf beiden Seiten mit Kupferblech verbunden ist) sinkt der Wärmefluss selten unter 30 bis 50 W/cm².

Um die Wärme schnell genug von diesen winzigen Chips abzuführen, wechseln Tier-1-Zulieferer von einseitigen Grundplatten zu direkt gekühlten Pin-Fin-Modulen und doppelseitigen Kühlmodulen. In einem doppelseitigen Stapel liegen Kühlkanäle zwischen der Ober- und Unterseite der Leistungsschalter und verringern so den Wärmewiderstand zwischen Verbindungsstelle und Kühlmittel (Rth, gemessen in K/W) um 30 % bis 40 %. Luftlamellen passen nicht in diese engen Sandwich-Stapel und können nicht die erforderliche konvektive Wärmeabfuhrrate erreichen.

1.2 Eskalation des Wärmeflusses zwischen Wechselrichtern, OBCs und DC/DC-Wandlern

Die Leistungselektronik im gesamten Fahrzeugchassis wird in Multi-in-One-Domänengehäusen zusammengefasst und konzentriert Wärmelasten, die früher in separaten Zonen untergebracht waren:

·  Traktionswechselrichter (150 kW bis 350 kW elektrische Spitzenleistung):  Selbst bei einem Umwandlungswirkungsgrad von 97 % bis 98,5 % erzeugt ein Traktionswechselrichter 3 kW bis 8 kW Wärmeverlust in einem 4 bis 8 Liter großen Gehäuse.

·  Integrierte OBC + DC-DC-Einheiten (11 kW bis 22 kW AC-Ladung + 3 kW DC-DC):  Bidirektionales Laden und V2G-Betriebszyklen (Vehicle-to-Grid) erzeugen 600 W bis 1.400 W kontinuierliche Wärme für 4 bis 8 Stunden, während das Fahrzeug stillsteht und kein Stauluftstrom vorhanden ist.

·  Steuergeräte für zentrales zonales und autonomes Fahren:  Hochleistungs-System-on-Chip-Prozessoren (SoC) verbrauchen jetzt 100 W bis 400 W in abgedichteten Kabinen- oder Kofferraumbereichen, wo die Umgebungsluft 65 °C bis 85 °C erreicht.

2. Physikalische Grenzen der Luftkühlung in Automobilgehäusen

Luft ist eine schlechte Wärmeübertragungsflüssigkeit. Trockene Luft bei atmosphärischem Druck hat eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 0,026 W·m⁻¹·K⁻¹ und eine mehr als 3.000-mal niedrigere volumetrische Wärmekapazität als eine 50/50-Wasser-Ethylenglykol-Mischung (WEG). Wenn Ingenieure vergleichen Flüssigkeitskühlung mit Luftkühlung , legt dieser Unterschied in den Flüssigkeitseigenschaften eine harte physikalische Obergrenze dafür fest, wie viel Leistung ein luftgekühltes Aluminiumgehäuse ableiten kann.

2.1 Wärmewiderstandsdecken (Rth) und Lamellenvolumennachteile

Bei natürlicher Konvektion (passive Luftkühlung ohne Ventilator) liegt der konvektive Wärmeübergangskoeffizient zwischen 5 und 15 W·m⁻²·K⁻¹. Durch den Einbau eines Hochgeschwindigkeits-Axial- oder Gebläseventilators zur Zwangsluftkühlung erhöht sich dieser Koeffizient auf 35 bis 100 W·m⁻²·K⁻¹.

Da der Konvektionskoeffizient der Luft so niedrig ist, ist eine enorme Oberfläche erforderlich, um den Wärmewiderstand in einem luftgekühlten Kühlkörper auf unter 0,15 K/W zu senken. Ingenieure müssen hohe extrudierte oder geschälte Aluminiumlamellen (40 mm bis 80 mm Höhe) über eine breite Grundplatte spezifizieren. Sobald der Wärmefluss an der Bauteilfläche 15 bis 20 W/cm² übersteigt, führt der Ausbreitungswiderstand der Leitung innerhalb der Aluminiumgrundplatte zu starken Temperaturgradienten von der Mitte zum Rand – was bedeutet, dass die äußeren Rippen nur noch sehr wenig Arbeit leisten, während der mittlere Chip überhitzt.

2.2 Versiegelte IP67/IP6K9K-Gehäuse, akustische Geräusche und Lüfterzuverlässigkeit

Im Gegensatz zu Servern in Rechenzentren oder Industrieschränken kann die Elektronik unter der Motorhaube und am Unterboden von Fahrzeugen die Umgebungsluft nicht direkt über interne Leiterplatten und Stromversorgungsgeräte blasen. Automobilgehäuse müssen die Schutzart IP67 (Eintauchen bis zu 1 Meter) und IP6K9K (Hochdruck- und Hochtemperatur-Dampfstrahlwäsche) bestehen.

Diese Dichtungsanforderung schafft drei betriebliche Hindernisse für die Luftkühlung:

1. Interner Luftspaltwiderstand:  Wärme von internen Induktivitäten, Transformatoren und MOSFETs muss durch die Gehäusewand in externe gegossene oder extrudierte Rippen geleitet werden, wodurch eine zusätzliche Grenzschicht entsteht.

2. Grenzwerte für den Geräuschpegel beim stationären Laden:  Wenn ein Elektrofahrzeug nachts in einer Wohneinfahrt aufgeladen wird, begrenzen OEMs den externen Fahrzeugschallpegel auf 45 dBA bis 52 dBA in 1 Meter Entfernung. Der Betrieb von Kühlventilatoren mit hohem statischem Druck an einem luftgekühlten OBC oder DC/DC-Wandler verstößt gegen die NVH-Ziele (Geräusch, Vibration und Härte) in der Kabine und im Außenbereich.

3. Lüfterausfall in rauen Umgebungen:  Externe Kühllüfter, die Straßenstaub, Schlammschlamm, gefrierendem Regen und einem Temperaturschock von -40 °C bis +105 °C ausgesetzt sind, erleiden Lagerverschleiß und Blattklemmen, lange bevor das Fahrzeug die angestrebte 10-Jahres-/250.000-Kilometer-Wartung erreicht.

·  Die passive Luftkühlung mit natürlicher Konvektion  eignet sich für versiegelte Steuergeräte und DC-DC-Module mit einer Verlustleistung von weniger als 60 W bis 80 W in offenen Zonen unter der Motorhaube. Zwangsluftgebläsekühlung  eignet sich besser für in der Kabine montierte Infotainment- oder Trockenzonen-ADAS-Boxen zwischen 80 W und 180 W, wo saubere Luft verfügbar ist.

·  Entscheidungsregel 1:  Schließen Sie externe Zwangsluftkühlventilatoren für jegliche Unterboden- oder Low-Cradle-Elektronik von Elektrofahrzeugen aus, die Straßenspritzern, Schlammverschmutzung oder strengen NVH-Grenzwerten für stationäres Schnellladen ausgesetzt sind.

3. Leistungsvorteile der Flüssigkeitskühlung für die Leistungselektronik von Elektrofahrzeugen

Der Wechsel von Umluft zu gepumptem 50/50-Wasser-Glykol erhöht den konvektiven Wärmeübertragungskoeffizienten von etwa 50 W·m⁻²·K⁻¹ bis 3.000–15.000 W·m⁻²·K⁻¹ innerhalb von Mikrokanälen oder Pin-Fin-Feldern. Das Verständnis der Kernvorteile , die die Flüssigkeitskühlung  bietet, hilft Ingenieurteams dabei, die Fluidverbindung zur Plattformbeschaffung zu rechtfertigen.

3.1 4- bis 5-fache Wärmeflussbehandlung und Sperrschichttemperaturregelung

In einer flüssigen Kühlplatte erhitzen Hochgeschwindigkeits-Glykol-Kühlmittelstreifen direkt von der Rückseite der Montagewand oder integrierten Stiftrippen. Während ein Umluftkühlkörper über 15 W/cm² Probleme hat, schaffen gestanzte, extrudierte oder vakuumgelötete Kühlplatten problemlos 50 bis 120 W/cm² und halten gleichzeitig den Wärmewiderstand zwischen 0,008 K/W und 0,035 K/W niedrig.

Dieser 4- bis 5-fache Anstieg der Wärmeflussbewältigung führt direkt zu Halbleitereinsparungen. Da die Kosten für SiC-MOSFET-Chips mit der Fläche des Siliziumkarbid-Wafers skalieren und die Spitzenübergangstemperaturen mit einer hocheffizienten Kühlplatte um 20 °C niedriger gehalten werden, können Elektroingenieure bei gleichem Spitzenstrom weniger parallele Leistungschips betreiben. Ingenieure können Kanalarchitekturen und Lamellengeometrien in unserem gesamten Netzwerk vergleichen Kundenspezifische Kühlplattenbaugruppen für Flüssigkeiten  , um die Durchflussraten an die angestrebten Rth-Werte anzupassen.

3.2 Umschlagverdichtung und gemeinsam genutzte Fahrzeug-Wärmekreisläufe

Durch den Austausch von 60 mm hohen externen Luftlamellen durch eine integrierte 8 mm bis 15 mm dicke Flüssigkeitskühlplatte wird die Gehäusehöhe um 50 bis 70 % reduziert und das Gewicht des Gehäusegusses um 30 bis 45 % reduziert. Noch wichtiger ist, dass ein flüssigkeitsgekühlter Wechselrichter oder ein Steuergerät keine eigene Pumpe, keinen eigenen Kühler und keinen eigenen Ausgleichsbehälter benötigt.

Jedes moderne batterieelektrische Fahrzeug zirkuliert bereits Wasser-Glykol-Kühlmittel durch einen zentralen Wärmekreislauf, der das Batteriepaket und die Antriebseinheit versorgt. Durch den Anschluss von OBC, DC/DC-Wandler und Hochleistungs-ECU in Reihe oder parallel zum Hauptkühlkreislauf des Antriebsstrangs sinken die zusätzlichen Kosten der Flüssigkeitskühlung auf nur den Kühlplattenkanal, zwei Schnellanschlussdüsen und kurze Überbrückungsschläuche. In unserem können Sie sehen, wie diese Schleife auf Fahrzeugebene mit dem Paket verbunden ist Leitfaden zur Auswahl der Kühlplatte für Elektrofahrzeugbatterien.

Bei integrierten 3-in-1-E-Achsen (die Traktionswechselrichter, Untersetzungsgetriebe und Elektromotor in einem Gussgehäuse vereinen) teilt die Wechselrichter-Kühlplatte ihren Kühlmittelfluss häufig direkt mit dem Motorstatormantel; siehe unsere Aufschlüsselung von EV-Motoröl vs. Wasser-Glykol-Kühlung  für Regeln zur Serienflusssequenzierung.

·  Spezielle luftgekühlte Gehäuse  eignen sich für isolierte Sensoren und Karosseriesteuerungen mit geringem Stromverbrauch, die weit entfernt von vorhandenen Kühlmittelleitungen angebracht sind. Flüssigkeitskühlplatten mit gemeinsamem Kreislauf  eignen sich besser für Wechselrichter, OBCs und zentrale Rechensteuergeräte, die in der Nähe des Antriebsstrangs oder des Batterieverteilers montiert sind.

·  Entscheidungsregel 2:  Immer wenn eine EV-Komponente weniger als 500 mm von einem bestehenden Wasser-Glykol-Antriebskreislauf entfernt ist und mehr als 200 W verbraucht, nutzen Sie den vorhandenen Flüssigkeitskreislauf, anstatt einen speziellen Hochleistungs-Kühlventilator und ein hohes Rippengussteil hinzuzufügen.

4. Kompromiss zwischen Gesamtsystemkosten: Rippenkühlkörper vs. Flüssigkeitskühlplattenkreisläufe

Beschaffungsmanager fragen sich häufig, warum ein flüssigkeitsgekühltes Gehäuse in der mechanischen Zeichnung einen höheren Preis hat als ein einfaches Druckguss-Lamellengehäuse – und bei leistungsstarken Plattformen letztendlich die Gesamtkosten des Fahrzeugs senken. Die Antwort liegt im Vergleich der Stücklistenkosten auf Komponentenebene mit den Verpackungs- und Halbleitereinsparungen auf Systemebene.

4.1 Aufschlüsselung der Komponentenstückliste: extrudierte/druckgegossene Rippen vs. Kühlplatten und Rohrleitungen

Für ein luftgekühltes Gehäuse ist nur ein einziger Hochdruck-Druckguss (ADC12 oder AlSi10Mg) oder ein 6063-T6-Strangpressverfahren sowie eine CNC-Bearbeitung der Montagefläche und eine umweltfreundlichere Oberflächenbearbeitung erforderlich. Es gibt keine Schweißnähte, keine Helium-Lecktests und keine Flüssigkeitsanschlüsse.

Im Gegensatz dazu erfordert der Bau eines flüssigkeitsgekühlten Gehäuses:

1. Formen des Flüssigkeitshohlraums (durch Druckguss, CNC-Fräsen, Extrudieren oder Stanzen).

2. Abdichten der Kanalabdeckung durch Reibrührschweißen (FSW) oder Vakuumlöten.

3. Bearbeitung und Installation von zwei SAE J2044-Schnellkupplungs-Kühlmittelstutzen (mit EPDM-O-Ringen oder Schweißverbindungen).

4. Durchführung einer 100-prozentigen End-of-Line-Luftdichtigkeitsprüfung (3,5 bis 5,0 bar) und einer Vakuumkammer-Helium-Massenspektrometer-Leckprüfung (typischerweise <= 1,0×10⁻⁷ mbar·L/s).

5. Hinzufügen externer EPDM-Schläuche, Federklemmen und proportionaler Pumpenkapazität im Fahrzeugmontagewerk.

4.2 Vergleichstabelle zu Gewicht, parasitärer Leistung und Montagekomplexität

In der folgenden Tabelle werden Luftkühlung und Flüssigkeitskühlung anhand der wichtigsten technischen und Einkaufskennzahlen für Leistungselektronik im Automobilbereich verglichen.

 

5. Wann man wechseln sollte: Kritische Wärmeflussschwellen und Entscheidungsregeln

Um Hin- und Her-Debatten zwischen thermischen, mechanischen und Einkaufsteams während des Einfrierens der Architektur zu vermeiden, wenden Sie konkrete Watt- und Wärmeflussgrenzen an.

5.1 Die Wärmestromgrenze von 30 bis 50 W/cm² und die gesamten Modulstromabschaltungen

In der Automobilelektronik wird der Übergang von Luft zu Flüssigkeit durch den Schwellenwert bestimmt, den Sie zuerst erreichen – die gesamte Wärmeleistung des Gehäuses oder den lokalisierten Chip-Wärmefluss:

·  Unter 100 W Gesamtleistung und < 8 W/cm² lokaler Fluss:  Bleiben Sie mit passiven, natürlichen Konvektionslamellen aus Druckguss oder extrudiertem Aluminium. Die Flüssigkeitskühlung führt hier zu unnötigen Kosten und zusätzlichem Installationsaufwand.

·  Zwischen 100 W und 250 W Gesamtleistung und 8 bis 20 W/cm² lokaler Fluss:  Grauzone. Wenn das Gerät in einem sauberen, belüfteten Kabinenbereich montiert wird, funktioniert eine Zwangsluftkühlung (oder passive Lamellen mit Unterstützung durch interne Kupfer-Wärmerohre) gut. Wenn das Gerät in einem versiegelten 85-°C-Schacht unter der Motorhaube oder einer Unterbodenhalterung montiert wird, wechseln Sie zu einer flüssigkeitsgekühlten Kühlkörper-ECU-  Platte.

·  Über 300 W Gesamtleistung ODER >= 30 bis 50 W/cm² lokaler Wärmefluss:  Bereich der obligatorischen Flüssigkeitskühlung. Bei über 30 W/cm² kommt es bei luftgekühlten Grundplatten zu erheblichen Engpässen bei der Wärmeverteilung. um 50 W/cm² können selbst dicke Kupfer-Wärmeverteiler die Wärme nicht schnell genug in die Luftrippen leiten, ohne die maximalen Sperrschichttemperaturen der Halbleiter zu überschreiten.

Für die Kühlung von EV-Wechselrichtern , bei denen SiC-Leistungsschalter routinemäßig 60 bis 100+ W/cm² erzeugen und die Gesamtverlustleistung 3.000 W übersteigt, sind vakuumgelötete Mikrorippen mit hoher Dichte oder geschmiedete Pin-Fin-Kühlplatten der einzig praktikable technische Weg. Sehen Sie sich unseren ausführlichen Einblick an Kühlplattendesign des SiC-Traktionswechselrichters  für interne Pin-Fin-Geometrie und Druckabfallausgleichsregeln.

5.2 Subsystem-Entscheidungsmatrix (Traktionswechselrichter, OBC, DC-DC, Zone/ADAS-ECU)

Verwenden Sie die folgende Tabelle, um die richtige thermische Architektur für jedes Fahrzeugsubsystem auszuwählen.

 

5.3 Reales technisches Szenario: Aufrüstung einer 11-kW-OBC + 3-kW-DC-DC-Kombinationsbox

·  Hintergrund:  Ein Tier-1-Zulieferer für Elektrofahrzeuge rüstete ein eigenständiges luftgekühltes Bordladegerät mit 6,6 kW in einen integrierten bidirektionalen 11-kW-OBC + 3-kW-DC/DC-Wandler um, der in einem einzigen Aluminiumgehäuse unter der Motorhaube untergebracht war.

·  Herausforderung:  Die gesamte Wärmeableitung stieg von 240 W auf 780 W, und SiC-Leistungs-FETs erhöhten den lokalen Wärmefluss auf 34 W/cm². Um ein luftgekühltes, mit Lamellen versehenes Gehäuse beizubehalten, musste die Gehäusehöhe von 95 mm auf 165 mm erhöht und zwei 12-V-Axiallüfter betrieben werden, die 58 dBA erreichen – womit der OEM-Grenzwert für Garagenladegeräusche von 48 dBA unterschritten wurde.

·  Technische Überlegungen und Auswahllogik:  Das Ingenieurteam wechselte zu einem ADC12-Druckgussgehäuse mit gemeinsamer Grundplatte und einem offenen, schlangenförmigen Flüssigkeitskanal, der durch eine rührreibgeschweißte 6061-T6-Abdeckplatte verschlossen ist. Durch die Nutzung des vorhandenen 6-l/min-Wasser-Glykol-Kühlkreislaufs des Fahrzeugs wurden die MOSFET-Übergangstemperaturen um 22 °C unter der Leistungsreduzierungsgrenze gehalten, die Gehäusehöhe auf 78 mm reduziert, Lüfterausfallmodi beseitigt und die Akustikprüfung mit 45 dBA bestanden.

·  Entscheidungsregel 3:  Wechseln Sie sofort von der Luftkühlung zu einer integrierten Kühlplatte aus Druckguss + FSW-Flüssigkeit, wenn ein integriertes Ladegerät oder ein DC-DC-Wandler einen Gesamtwärmeverlust von mehr als 300 W übersteigt oder während des stationären Ladens über Nacht geräuschlos arbeiten muss.

6. Hybride passive + flüssige Systeme und kostenoptimierte Alternativen

Nicht jedes EV-Elektronikmodul sitzt sauber am äußersten unteren Ende (rein gegossene Lamellen) oder am äußersten oberen Ende (vakuumgelötete Mikrokanal-Kühlplatten). Zwei thermische Zwischenarchitekturen schließen die Kosten- und Leistungslücke für Elektronik mittlerer Leistung.

6.1 Eingebettete Wärmerohre und Dampfkammern in luftgekühlten Gehäusen

Angenommen, ein Domänencontroller für autonomes Fahren gibt insgesamt 110 W ab, die ein externes, geripptes Aluminiumgehäuse theoretisch an die Kabinenluft abgeben kann – mit der Ausnahme, dass 75 W dieser Wärme von einem einzelnen 20 mm x 20 mm großen SoC-Chip (18,75 W/cm²) stammen. Da Aluminiumguss (ADC12, ~96 W·m⁻¹·K⁻¹) die Wärme schlecht verteilt, bildet sich direkt über dem Prozessor ein Hot Spot, während die Außenrippen kühl bleiben.

Anstatt für die Flüssigkeitsleitungen einer 110-W-Box zu bezahlen, fräsen Ingenieure Rillen in den Aluminiumgehäuseboden und löten oder epoxidieren abgeflachte C1020-Kupfer-Heatpipes (oder eine zweiphasige Kupferdampfkammer) direkt über dem SoC. Mit einer effektiven axialen Wärmeleitfähigkeit von 5.000 bis 15.000 W·m⁻¹·K⁻¹ transportieren die Kupfer-Wärmerohre die konzentrierte Chipwärme in die entferntesten Ecken der Aluminiumlamellenanordnung und erweitern so die Obergrenze der Luftkühlung um 30 % bis 50 %, ohne dass Flüssigkeitsleitungen hinzugefügt werden müssen.

6.2 Eingebettete Röhren-Kühlplatten für Module mit mittlerem Wärmefluss

Wenn ein Modul eine Flüssigkeitskühlung benötigt (z. B. ein 400-W- bis 800-W-Hilfswechselrichter, ein DC/DC-Wandler für Nutzfahrzeuge oder ein Batterieladegerät mittlerer Leistung), das jährliche Volumen jedoch unter 10.000 Einheiten liegt, kann die Investition in progressive Stanzformen oder komplexe vakuumgelötete Pin-Fin-Werkzeuge den ROI des Programms beeinträchtigen.

In diesen Szenarien mit mittlerem Wärmestrom (10 bis 25 W/cm²) bietet eine Kühlplatte mit eingebettetem Rohr (Pressfit-Rohr) einen pragmatischen Kompromiss. Die Hersteller fertigen eine Aluminium-Grundplatte mit gewundenen Rillen CNC-bearbeitend oder extrudierend und pressen oder epoxidgebunden durchgehende, nahtlose Kupfer- oder Edelstahlrohre – oder extrudierte Aluminium-Mehrfachrohre – direkt in die Platte ein.

Da die Flüssigkeit vollständig in einem durchgehenden, nahtlosen Rohr ohne interne Schweiß- oder Lötnähte fließt, sinkt das Leckrisiko nahezu auf Null und die NRE der Werkzeuge ist minimal. Ingenieure können sich auf unserer Website Standard-Einpress- und epoxidgebundene Geometrien ansehen Sehen Sie sich die Produktseite für eingebettete Röhrenkühlplatten  an, um Kosteneinsparungen für Programme mit geringem bis mittlerem Volumen zu bewerten.

·  Die durch Kupfer-Heatpipes unterstützte Luftkühlung  eignet sich für Steuergeräte mit 80 W bis 160 W, bei denen die Gesamtleistung des Gehäuses niedrig genug für Luftrippen ist, aber ein einzelner Hochleistungsprozessor einen lokalen Hotspot erzeugt. Flüssigkeitskühlplatten mit eingebetteten Röhren  eignen sich besser für Leistungsmodule mit 300 W bis 1.000 W und mäßigem Wärmestrom (< 25 W/cm²), die eine leckagesichere Flüssigkeitskühlung ohne hohe Löt- oder FSW-Werkzeuge (NRE) benötigen.

·  Entscheidungsregel 4:  Verwenden Sie eingebettete Kupfer-Wärmerohre, um die Luftkühlung zu verlängern, wenn die Gesamtwärme unter 150 W liegt, der lokale Fluss jedoch 12 bis 22 W/cm² beträgt; Geben Sie Kühlplatten mit eingebetteten Rohren an, wenn Flüssigkeitskühlung bei geringen bis mittleren Volumina (< 10.000 Einheiten/Jahr) und mäßigem Wärmefluss erforderlich ist.

Da Automobilplattformen häufig luftgekühlte Heatpipes bei L2+ ADAS-Modulen, FSW-Druckguss-Kühlplatten bei OBCs und vakuumgelötete Pin-Fin-Platten bei SiC-Wechselrichtern verwenden, verhindert die Zusammenarbeit mit einem Lieferanten, der alle diese Formate herstellt, voreingenommene Empfehlungen. Guangdong Winshare Thermal Technology Co., Ltd. wurde 2009 in Dongguan gegründet und betreibt eine 60.000 m² große Produktionsbasis mit mehr als 800 Mitarbeitern und mehr als 200 Patenten gemäß den Qualitätssystemen IATF 16949, ISO 9001, ISO 14001 und ISO 45001. Mit hauseigener CNC-Bearbeitung, Schälen, Reibrührschweißen, Vakuumlöten, Druckguss, Wärmerohren und Stanzen – und einer im Bau befindlichen Fabrik in Chonburi, Thailand – liefert Winshare sowohl luftgekühlte als auch flüssigkeitsgekühlte Produktionshardware an BYD, Geely, Chery, XPeng, Lucid, Li Auto, Sungrow und Delta.

7. Fazit

Bei der Entscheidung zwischen Flüssigkeitskühlung und Luftkühlung im Automobilbereich  kommt es darauf an, die Gesamtleistung Ihres Moduls, den Wärmefluss auf Chipebene und die Montagezone mit den Kosten auf Fahrzeugebene und den NVH-Einschränkungen in Einklang zu bringen:

·  Behalten Sie die passive oder Heatpipe-unterstützte Luftkühlung bei,  wenn die Gesamtverlustleistung unter 150 W liegt, der lokale Chip-Wärmefluss unter 15 bis 20 W/cm² bleibt und Ihr Gehäuse über einen ausreichenden Luftabstand verfügt, ohne die Geräuschgrenzwerte für stationäre Lüfter zu verletzen.

·  Steigen Sie auf eingebettete Rohre oder extrudierte FSW-Flüssigkeitskühlplatten  für 250-W- bis 1.000-W-Module (z. B. L4-ADAS-Domänencontroller mit hoher Rechenleistung und Konverter mit geringem Volumen) um, bei denen ein moderater Wärmefluss (20 bis 35 W/cm²) auf strenge Platzverhältnisse trifft.

·  Geben Sie druckgegossene + FSW- oder vakuumgelötete Stiftrippen-Flüssigkeitskühlplatten  immer dann an, wenn die Gesamtwärmelast 500 W übersteigt oder der lokale Wärmefluss des SiC-Halbleiters 30 bis 50 W/cm² überschreitet. Dabei wird der vorhandene Wasser-Glykol-Kreislauf des Fahrzeugs genutzt, um das Kastenvolumen zu verkleinern und die Verbindungstemperaturen zu schützen.

 

FAQ

Bei welchem ​​genauen Leistungs- oder Wärmestromniveau muss ein EV-ECU von Luftkühlung auf Flüssigkeitskühlung umschalten?

In geschlossenen Automobilumgebungen (65 °C bis 85 °C Umgebungstemperatur) erreicht die passive Luftkühlung mit natürlicher Konvektion ihre Grenze bei etwa 60 W bis 80 W der Gesamtverlustleistung des Gehäuses, und die Zwangsluftkühlung (mit Heatpipe-Spreizung) liegt bei etwa 150 W bis 220 W. Unabhängig von der Gesamtleistung des Gehäuses müssen Sie auf Flüssigkeitskühlung (oder Zweiphasen-Dampfkammer + Flüssigkeit) umsteigen, sobald der lokalisierte Chip-Wärmefluss dauerhaft 30 W/cm² übersteigt.

Wie viel Druckabfall sollte eine Kühlplatte für die Leistungselektronik eines Elektrofahrzeugs zum Kühlmittelkreislauf hinzufügen?

Die meisten Wärmebudgets von Automobilherstellern weisen 10 kPa bis 30 kPa (0,10 bis 0,30 bar) hydraulischen Druckabfall über eine einzelne OBC-, DC-DC- oder ECU-Kühlplatte und 15 kPa bis 45 kPa über eine hochdichte SiC-Traktionswechselrichter-Pin-Fin-Kühlplatte bei nominalen Wasser-Glykol-Durchflussraten von 6 l/min bis 16 l/min auf.

Kann ein luftgekühltes Aluminiumdruckgussgehäuse mitten im Programm auf Flüssigkeitskühlung umgerüstet werden?

Ja, wenn die Gehäuseeinbauhülle erhalten bleibt. Bei B-Mustern oder Auffrischungen in der Mitte des Zyklus modifizieren Ingenieure häufig das vorhandene Hochdruck-Druckgusswerkzeug (oder bearbeiten den flachen hinteren Kühlrippenhohlraum aus dem Gussstück), fräsen einen serpentinenförmigen Kühlmittelkanal in die Basiswand und versiegeln eine 3 mm bis 4 mm starke Abdeckplatte aus geschmiedetem 6061-Aluminium über dem Hohlraum mittels Reibrührschweißen (FSW) und fügen angeschraubte oder angeschweißte Kühlmittelstutzen hinzu.

Von welcher Kühlmitteleinlasstemperatur sollte ich bei der Dimensionierung eines EV-Wechselrichters oder einer ECU-Kühlplatte ausgehen?

Im Gegensatz zu Industriekühlern, die klares 20 °C warmes Wasser liefern, läuft der Wasser-Glykol-Kreislauf im Antriebsstrang eines Automobils bei sommerlichen Autobahnauffahrten oder beim Gleichstrom-Schnellladen heiß. Thermoingenieure konstruieren in der Regel Kühlplatten für die Leistungselektronik von Elektrofahrzeugen mit einer nominalen Kühlmitteleinlasstemperatur von 50 °C bis 65 °C (mit Spitzenschwankungen von bis zu 70 °C) unter Verwendung einer 50/50-Wasser-Ethylenglykol-Mischung.

Warum werden Aluminiumdruckgussgehäuse bei flüssigkeitsgekühlten OBCs mit FSW abgedichtet statt mit Vakuumlöten?

Integrierte OBC- und Wechselrichtergehäuse werden in der Regel aus ADC12- oder AlSi10Mg-Aluminium im Hochdruckgussverfahren hergestellt, um komplexe 3D-Anschlusswände und Montagehalterungen in einem Durchgang zu bilden. Hochdruck-Druckgussteile enthalten mikroskopisch kleine eingeschlossene Gasporen, die sich ausdehnen und Blasen bilden, wenn sie in einem Vakuumlötofen auf 600 °C erhitzt werden. Beim Reibrührschweißen wird die Kanalabdeckplatte im festen Zustand unterhalb von 500 °C lokal verbunden, wodurch eine heliumdichte Abdichtung entsteht, ohne dass das Gussstück Blasen wirft.

Wann verliert eine Kühlplatte mit eingebettetem Rohr gegenüber einer FSW- oder vakuumgelöteten Kühlplatte?

Kühlplatten mit eingebetteten Rohren funktionieren gut bis etwa 20 bis 25 W/cm², aber da die runde oder abgeflachte Rohrwand die maschinell bearbeitete Nut der Grundplatte nur entlang ihres Umfangs berührt – häufig getrennt durch eine dünne Epoxidharz- oder Presspassungsschnittstelle –, weist sie einen höheren leitfähigen Wärmewiderstand und eine geringere benetzte Oberfläche auf als interne geschälte Rippen, geprägte Vertiefungen oder geschmiedete Stift-Rippen-Anordnungen, die in FSW- und vakuumgelöteten Kühlplatten verwendet werden.