Refrigeración líquida versus refrigeración por aire para electrónica de potencia de vehículos eléctricos: costo, rendimiento y cuándo cambiar

La evaluación de arquitecturas automotrices de refrigeración líquida versus refrigeración por aire  es una de las primeras compensaciones de plataformas en el diseño de vehículos eléctricos. Mantener un disipador de calor de tamaño insuficiente y enfriado por aire en módulos de potencia de alta densidad fuerza la reducción térmica durante la carga rápida de verano, mientras que agregar tuberías líquidas a un controlador de bajo voltaje desperdicia el presupuesto de la lista de materiales y agrega puntos de falla por fugas. La refrigeración por aire se adapta a módulos de menos de 150 W con un flujo de calor local inferior a 15 W/cm²; La refrigeración líquida se vuelve obligatoria una vez que la carga de calor total pasa de 300 W a 500 W o el flujo de calor del chip alcanza de 30 a 50 W/cm². Dentro de nuestro cartera de soluciones de gestión térmica automotriz  , esta guía define los límites de conmutación exactos para inversores, cargadores integrados y ECU.

1. Tendencias en refrigeración de dispositivos electrónicos de potencia para vehículos eléctricos: módulos de SiC y aumento de la densidad de potencia

Hace cinco años, los vehículos eléctricos de pasajeros de 400 V dependían de módulos IGBT (transistor bipolar de puerta aislada, un interruptor semiconductor de potencia de tres terminales utilizado en convertidores de voltaje medio a alto) de silicio con huellas de matriz relativamente grandes y frecuencias de conmutación conservadoras. Hoy en día, la migración a arquitecturas de 800 V y MOSFET de carburo de silicio (SiC) ha reducido a la mitad los volúmenes de los paquetes de inversor y cargador integrado (OBC), al tiempo que ha aumentado las clasificaciones de corriente continua.

Reducir el área del chip semiconductor sin reducir el calor residual total provoca que el flujo de calor local (potencia térmica dividida por el área activa del chip, expresada en W/cm²) aumente bruscamente. El moderno hardware de refrigeración de la electrónica de potencia de los vehículos eléctricos  debe extraer de 2 kW a 12 kW de calor residual de espacios más pequeños que una hoja de papel A4 y, al mismo tiempo, mantener las temperaturas de las uniones de carburo de silicio por debajo de 150 °C a 175 °C.

1.1 Carburo de silicio (SiC) y presiones de enfriamiento de doble cara

Las matrices de carburo de silicio funcionan con densidades de corriente más altas que los IGBT de silicio tradicionales, por lo que los flujos de calor rutinarios a nivel de chip ahora alcanzan entre 60 y 120 W/cm² durante la aceleración máxima o el frenado regenerativo. Incluso en la interfaz de la placa base o DBC (cobre adherido directamente, un sustrato cerámico adherido con láminas de cobre en ambas caras para aislamiento eléctrico y distribución de calor), el flujo de calor rara vez cae por debajo de 30 a 50 W/cm².

Para eliminar el calor de estos pequeños troqueles lo suficientemente rápido, los proveedores de nivel 1 están pasando de placas base de un solo lado a módulos de aletas con refrigeración directa y módulos de refrigeración de doble cara. En una pila de doble cara, los canales de refrigeración intercalan las superficies superior e inferior de los interruptores de alimentación, lo que reduce la resistencia térmica de la unión al refrigerante (Rth, medida en K/W) entre un 30% y un 40%. Las aletas de aire no pueden caber dentro de estas apretadas pilas tipo sándwich ni igualar la tasa de eliminación de calor por convección requerida.

1.2 Aumento del flujo de calor en inversores, OBC y convertidores CC-CC

La electrónica de potencia en todo el chasis del vehículo se está consolidando en carcasas de dominios múltiples en uno, concentrando cargas de calor que solían ubicarse en zonas separadas:

·  Inversores de tracción (potencia eléctrica máxima de 150 kW a 350 kW):  incluso con una eficiencia de conversión del 97% al 98,5%, un inversor de tracción genera de 3 kW a 8 kW de pérdida térmica dentro de un gabinete de 4 a 8 litros.

·  Unidades OBC + CC-CC integradas (carga de CA de 11 kW a 22 kW + CC-CC de 3 kW):  la carga bidireccional y los ciclos de trabajo V2G (vehículo a red) producen de 600 W a 1400 W de calor continuo durante 4 a 8 horas mientras el vehículo permanece estacionario con flujo de aire de ram cero.

·  ECU de conducción autónoma y de zona central:  los procesadores de sistema en chip (SoC) de alta computación ahora consumen de 100 W a 400 W dentro de una cabina sellada o compartimentos laterales donde el aire ambiente alcanza una temperatura de 65 °C a 85 °C.

2. Límites físicos de la refrigeración por aire en recintos automotrices

El aire es un fluido pobre para la transferencia de calor. El aire seco a presión atmosférica tiene una conductividad térmica de aproximadamente 0,026 W·m⁻¹·K⁻¹ y una capacidad calorífica volumétrica más de 3.000 veces inferior a la de una mezcla 50/50 de agua y etilenglicol (WEG). Cuando los ingenieros comparan la refrigeración líquida con la refrigeración por aire , esa brecha en las propiedades del fluido establece un límite físico estricto sobre la cantidad de energía que una carcasa de aluminio refrigerada por aire puede rechazar.

2.1 Techos de resistencia térmica (Rth) y penalización por volumen de aletas

En la convección natural (refrigeración pasiva del aire sin ventilador), el coeficiente de transferencia de calor por convección se sitúa entre 5 y 15 W·m⁻²·K⁻¹. Agregar un ventilador axial o de alta velocidad para enfriamiento por aire forzado aumenta ese coeficiente de 35 a 100 W·m⁻²·K⁻¹.

Debido a que el coeficiente convectivo del aire es tan bajo, reducir la resistencia térmica por debajo de 0,15 K/W en un disipador de calor enfriado por aire requiere una superficie enorme. Los ingenieros deben especificar aletas de aluminio extruidas o biseladas altas (de 40 mm a 80 mm de altura) a lo largo de una placa base ancha. Una vez que el flujo de calor en la huella del componente supera los 15 a 20 W/cm², la resistencia a la propagación de la conducción dentro de la placa base de aluminio provoca severos gradientes de temperatura del centro al borde, lo que significa que las aletas externas hacen muy poco trabajo mientras el chip central se sobrecalienta.

2.2 Gabinetes sellados IP67/IP6K9K, ruido acústico y confiabilidad del ventilador

A diferencia de los servidores de centros de datos o los gabinetes industriales, los componentes electrónicos debajo del capó y los bajos de los automóviles no pueden enviar aire ambiental directamente a través de las PCB internas y los dispositivos de alimentación. Las carcasas de automóviles deben pasar las pruebas de ingreso IP67 (inmersión hasta 1 metro) e IP6K9K (lavado con chorro de vapor a alta presión y alta temperatura).

Ese requisito de sellado crea tres barreras operativas para la refrigeración por aire:

1. Resistencia del espacio de aire interno:  el calor de los inductores internos, transformadores y MOSFET debe conducirse a través de la pared del gabinete hacia las aletas externas fundidas o extruidas, agregando una capa de interfaz adicional.

2. Límites de ruido de carga estacionaria:  cuando un vehículo eléctrico se carga por la noche en una entrada residencial, los fabricantes de equipos originales limitan el ruido acústico externo del vehículo de 45 dBA a 52 dBA a 1 metro. Hacer funcionar ventiladores de enfriamiento de alta presión estática en un convertidor OBC o CC-CC enfriado por aire viola los objetivos NVH (ruido, vibración y aspereza) de la cabina y el exterior.

3. Fallo del ventilador en entornos hostiles:  Los ventiladores de refrigeración externos expuestos al polvo de la carretera, lodo, lluvia helada y choques térmicos de -40 °C a +105 °C sufren desgaste de los cojinetes y atascos de las aspas mucho antes del objetivo de servicio de 10 años/250 000 kilómetros del vehículo.

·  La refrigeración por aire pasiva por convección natural  es adecuada para ECU selladas y módulos CC-CC que disipan entre 60 W y 80 W en zonas abiertas debajo del capó; La refrigeración por ventilador de aire forzado  es más apropiada para infoentretenimiento montado en cabina o cajas ADAS de zona seca de entre 80 W y 180 W donde hay aire limpio disponible.

·  Regla de decisión 1:  Descartar ventiladores externos de enfriamiento de aire forzado para cualquier sistema electrónico de potencia de vehículos eléctricos debajo de la carrocería o de base baja expuesto a salpicaduras de la carretera, suciedad de barro o límites estrictos de NVH de carga rápida estacionaria.

3. Ventajas de rendimiento de la refrigeración líquida para la electrónica de potencia de vehículos eléctricos

El cambio de aire forzado a agua-glicol 50/50 bombeada aumenta el coeficiente de transferencia de calor por convección de aproximadamente 50 W·m⁻²·K⁻¹ a 3.000–15.000 W·m⁻²·K⁻¹ dentro de microcanales o campos pin-fin. Comprender las principales ventajas que ofrece la refrigeración líquida  ayuda a los equipos de ingeniería a justificar la conexión fluida con la adquisición de la plataforma.

3.1 Manejo del flujo de calor y control de temperatura de unión de 4x a 5x

Dentro de una placa fría líquida, el refrigerante de glicol de alta velocidad elimina el calor directamente desde la parte posterior de la pared de montaje o de las aletas de pasador integradas. Mientras que un disipador de calor de aire forzado tiene dificultades por encima de los 15 W/cm², las placas frías estampadas, extruidas o soldadas al vacío logran cómodamente de 50 a 120 W/cm² mientras mantienen la resistencia térmica entre 0,008 K/W y 0,035 K/W.

Este aumento de 4 a 5 veces en el manejo del flujo de calor se traduce directamente en ahorros en semiconductores. Debido a que el costo de los troqueles MOSFET de SiC aumenta con el área de la oblea de carburo de silicio, mantener las temperaturas máximas de unión 20 °C más bajas con una placa fría de alta eficiencia permite a los ingenieros eléctricos utilizar menos troqueles de potencia en paralelo para la misma corriente máxima. Los ingenieros pueden comparar arquitecturas de canales y geometrías de aletas en nuestra conjuntos de placas frías de líquido personalizados  para hacer coincidir los caudales con los valores Rth objetivo.

3.2 Compactación envolvente y circuitos térmicos de vehículos compartidos

Reemplazar las aletas de aire externas de 60 mm de altura con una placa de refrigeración líquida integrada de 8 mm a 15 mm reduce la altura del gabinete entre un 50% y un 70% y reduce el peso de la carcasa entre un 30% y un 45%. Más importante aún, un inversor o ECU refrigerado por líquido no requiere su propia bomba, radiador y tanque de expansión dedicados.

Todos los vehículos eléctricos de batería modernos ya hacen circular refrigerante de agua y glicol a través de un circuito térmico central que sirve al paquete de baterías y a la unidad motriz. Al conectar el OBC, el convertidor CC-CC y la ECU de alta potencia en serie o en paralelo con el circuito enfriador del tren motriz principal, el costo incremental de la refrigeración líquida cae solo al canal de la placa fría, dos boquillas de conexión rápida y mangueras de puente cortas. Puedes ver cómo este bucle a nivel del vehículo se conecta al paquete en nuestro Guía de selección de placas frías para baterías de vehículos eléctricos.

En los ejes electrónicos 3 en 1 integrados (que combinan el inversor de tracción, la caja de cambios reductora y el motor eléctrico en una carcasa fundida), la placa fría del inversor frecuentemente comparte su flujo de refrigerante directamente con la camisa del estator del motor; vea nuestro desglose de Aceite de motor para vehículos eléctricos versus enfriamiento con agua y glicol  para reglas de secuenciación de flujo en serie.

·  Las carcasas exclusivas enfriadas por aire  son adecuadas para sensores aislados de baja potencia y controladores de cuerpo ubicados lejos de las tuberías de refrigerante existentes; Las placas frías de líquido de circuito compartido  son más apropiadas para inversores, OBC y ECU de computación central montadas cerca del tren motriz o del colector de batería.

·  Regla de decisión 2:  Siempre que un componente de un vehículo eléctrico se encuentre a menos de 500 mm de un circuito de tren motriz de agua-glicol existente y disipe más de 200 W, aproveche el circuito de líquido existente en lugar de agregar un ventilador de enfriamiento de alto rendimiento dedicado y una pieza fundida con aletas altas.

4. Compensación del costo total del sistema: disipadores de calor con aletas versus circuitos de placa fría líquida

Los gerentes de adquisiciones preguntan con frecuencia por qué un gabinete enfriado por líquido cuesta más en el dibujo mecánico que una caja básica con aletas de fundición a presión, pero termina reduciendo el costo total del vehículo en plataformas de alta potencia. La respuesta está en comparar el costo de la lista de materiales a nivel de componente con los ahorros en empaquetado y semiconductores a nivel de sistema.

4.1 Desglose de la lista de materiales de los componentes: aletas extruidas/fundidas a presión versus placas frías y plomería

Una carcasa refrigerada por aire requiere solo una única fundición a alta presión (ADC12 o AlSi10Mg) o una extrusión 6063-T6, además de mecanizado CNC en la cara de montaje y un acabado superficial ambiental. No hay costuras de soldadura, ni pruebas de fugas de helio ni accesorios de fluido.

Por el contrario, construir una carcasa refrigerada por líquido requiere:

1. Formación de la cavidad del fluido (mediante fundición a presión, fresado CNC, extrusión o estampado).

2. Sellado de la cubierta del canal mediante soldadura por fricción y agitación (FSW) o soldadura fuerte al vacío.

3. Mecanizado e instalación de dos grifos de refrigerante de conexión rápida SAE J2044 (con juntas tóricas de EPDM o juntas soldadas).

4. Ejecutar pruebas de estanqueidad al aire al 100 % al final de la línea (de 3,5 a 5,0 bar) y pruebas de fugas con espectrómetro de masas de helio en cámara de vacío (normalmente <= 1,0×10⁻⁷ mbar·L/s).

5. Agregar mangueras externas de EPDM, abrazaderas de resorte y capacidad de bomba proporcional en la planta de ensamblaje de vehículos.

4.2 Tabla comparativa de peso, poder parásito y complejidad del ensamblaje

La siguiente tabla compara la refrigeración por aire con la refrigeración líquida en los principales indicadores de ingeniería y compras de electrónica de potencia para automóviles.

 

5. Cuándo cambiar: umbrales críticos de flujo de calor y reglas de decisión

Para eliminar debates de ida y vuelta entre los equipos térmicos, mecánicos y de compras durante la congelación de la arquitectura, aplique límites concretos de vatios y flujo de calor.

5.1 Límite de flujo de calor de 30 a 50 W/cm² y cortes de energía total del módulo

En la electrónica automotriz, la transición del aire al líquido se rige por el umbral que se alcance primero: potencia térmica total de la caja o flujo de calor del chip localizado:

·  Por debajo de 100 W de potencia total y < 8 W/cm² de flujo local:  estancia con aletas pasivas de aluminio extruido o fundido a presión natural por convección natural. La refrigeración líquida añade costes y peso de plomería innecesarios.

·  Entre 100 W y 250 W de potencia total y de 8 a 20 W/cm² de flujo local:  Zona gris. Si la unidad se monta dentro de una zona de cabina limpia y ventilada, la refrigeración por aire forzado (o aletas pasivas asistidas por tubos de calor internos de cobre) funciona bien. Si la unidad se monta en un compartimiento sellado debajo del capó a 85 °C o en un soporte debajo de la carrocería, cambie a una placa de ECU con disipador de calor enfriada por líquido  .

·  Por encima de 300 W de potencia total O >= 30 a 50 W/cm² flujo de calor local:  territorio de refrigeración líquida obligatoria. Por encima de 30 W/cm², las placas base refrigeradas por aire sufren graves cuellos de botella en la distribución térmica; en 50 W/cm², incluso los disipadores de calor de cobre grueso no pueden mover el calor hacia las aletas de aire lo suficientemente rápido sin superar las temperaturas máximas de unión de los semiconductores.

Para la refrigeración de inversores de vehículos eléctricos , donde los interruptores de alimentación de SiC generan habitualmente entre 60 y 100+ W/cm² y la disipación total supera los 3000 W, las microaletas soldadas al vacío de alta densidad o las placas frías forjadas con aletas son el único camino de ingeniería viable. Vea nuestra inmersión profunda en Diseño de placa fría del inversor de tracción de SiC  para geometría interna de pasador-aleta y reglas de equilibrio de caída de presión.

5.2 Matriz de decisión del subsistema (inversor de tracción, OBC, DC-DC, ECU de zona/ADAS)

Utilice la siguiente tabla para seleccionar la arquitectura térmica adecuada por subsistema del vehículo.

 

5.3 Escenario de ingeniería del mundo real: actualización de una caja combinada OBC de 11 kW + CC-CC de 3 kW

·  Antecedentes:  un proveedor de vehículos eléctricos de nivel 1 estaba actualizando un cargador a bordo independiente refrigerado por aire de 6,6 kW a un convertidor OBC bidireccional integrado de 11 kW + CC-CC de 3 kW alojado en una única carcasa de aluminio debajo del capó.

·  Desafío:  la disipación térmica total saltó de 240 W a 780 W, y los FET de potencia de SiC aumentaron el flujo de calor local a 34 W/cm². Mantener una carcasa con aletas refrigerada por aire requería aumentar la altura de la caja de 95 mm a 165 mm y utilizar ventiladores axiales duales de 12 V que alcanzaban los 58 dBA, sin alcanzar el límite de ruido de carga en garaje de 48 dBA del OEM.

·  Consideraciones técnicas y lógica de selección:  El equipo de ingeniería cambió a un gabinete de fundición a presión ADC12 con placa base compartida que presenta un canal de fluido serpentino abierto sellado por una placa de cubierta soldada por fricción y agitación 6061-T6. El aprovechamiento del circuito enfriador de agua y glicol de 6 L/min existente en el vehículo mantuvo las temperaturas de la unión MOSFET 22 °C por debajo del límite de reducción, redujo la altura del gabinete a 78 mm, eliminó los modos de falla del ventilador y pasó pruebas acústicas de 45 dBA.

·  Regla de decisión 3:  Cambiar inmediatamente de refrigeración por aire a una placa fría líquida integrada de fundición a presión + FSW siempre que un cargador integrado o un convertidor CC-CC supere los 300 W de pérdida total de calor o deba funcionar en silencio durante la carga nocturna estacionaria.

6. Esquemas híbridos pasivos + líquidos y alternativas con costos optimizados

No todos los módulos electrónicos de vehículos eléctricos se ubican limpiamente en el extremo inferior (aletas de fundición pura) o en el extremo superior (placas frías de microcanales soldadas al vacío). Dos arquitecturas térmicas intermedias cierran la brecha de costo y rendimiento para la electrónica de potencia media.

6.1 Tubos de calor integrados y cámaras de vapor en carcasas enfriadas por aire

Supongamos que un controlador de dominio de conducción autónoma disipa 110 W en total, que en teoría una carcasa de aluminio con aletas externas puede rechazar al aire de la cabina, excepto que 75 W de ese calor provienen de un único chip SoC de 20 mm x 20 mm (18,75 W/cm²). Debido a que el aluminio fundido (ADC12, ~96 W·m⁻¹·K⁻¹) distribuye mal el calor, se forma un punto caliente directamente sobre el procesador mientras las aletas perimetrales exteriores permanecen frías.

En lugar de pagar por tuberías de líquido en una caja de 110 W, los ingenieros mecanizan ranuras en la base de la carcasa de aluminio y sueldan o sueldan tubos de calor de cobre C1020 aplanados con epoxi (o una cámara de vapor de cobre de dos fases) directamente sobre el SoC. Con una conductividad térmica axial efectiva de 5.000 a 15.000 W·m⁻¹·K⁻¹, los heatpipes de cobre transportan el calor concentrado de las virutas hacia las esquinas más alejadas del conjunto de aletas de aluminio, ampliando el techo de refrigeración por aire entre un 30 % y un 50 % sin añadir líneas de fluido.

6.2 Placas frías de tubos integrados para módulos de flujo de calor medio

Cuando un módulo requiere refrigeración líquida (por ejemplo, un inversor auxiliar de 400 W a 800 W, un convertidor CC-CC para vehículos comerciales o un cargador de batería de potencia media) pero el volumen anual es inferior a 10 000 unidades, invertir en troqueles de estampado progresivo o en herramientas complejas de pasador y aleta soldadas al vacío puede perjudicar el retorno de la inversión del programa.

En estos escenarios de flujo de calor medio (10 a 25 W/cm²), una placa fría de tubo integrado (tubo de ajuste a presión) ofrece un compromiso pragmático. Los fabricantes mecanizan por CNC o extruyen una placa base de aluminio con ranuras serpentinas y tubos continuos de cobre o acero inoxidable sin costura, encajados a presión o unidos con epoxi, o tubos multipuerto de aluminio extruido, directamente en la placa.

Debido a que el fluido fluye completamente dentro de un tubo continuo sin costuras y sin soldaduras internas, el riesgo de fugas cae casi a cero y el NRE de herramientas es mínimo. Los ingenieros pueden revisar las geometrías estándar de ajuste a presión y unidas con epoxi en nuestro Consulte la página del producto de placas frías de tubos integrados  para evaluar el ahorro de costos para programas de volumen bajo a medio.

·  La refrigeración por aire asistida por heatpipes de cobre  es adecuada para ECU de 80 W a 160 W donde la potencia total de la caja es lo suficientemente baja para las aletas de aire, pero un único procesador de alto flujo crea un punto caliente local; Las placas frías líquidas con tubo integrado  son más apropiadas para módulos de potencia de 300 W a 1000 W con flujo de calor moderado (< 25 W/cm²) que necesitan refrigeración líquida a prueba de fugas sin soldadura fuerte ni herramientas FSW NRE.

·  Regla de decisión 4:  utilizar tubos de calor de cobre integrados para estirar la refrigeración por aire cuando el calor total sea inferior a 150 W pero el flujo local sea de 12 a 22 W/cm²; especifique placas frías de tubos integrados cuando se requiera refrigeración líquida en volúmenes bajos a medianos (< 10 000 unidades/año) y un flujo de calor moderado.

Debido a que las plataformas automotrices a menudo usan tubos de calor enfriados por aire en módulos ADAS L2+, placas frías fundidas a presión FSW en OBC y placas de aletas soldadas al vacío en inversores de SiC, trabajar con un proveedor que fabrique todos estos formatos evita recomendaciones sesgadas. Fundada en 2009 en Dongguan, Guangdong Winshare Thermal Technology Co., Ltd. opera una base de fabricación de 60.000 m² con más de 800 empleados y más de 200 patentes bajo los sistemas de calidad IATF 16949, ISO 9001, ISO 14001 e ISO 45001. Con mecanizado CNC, biselado, soldadura por fricción y agitación, soldadura fuerte al vacío, fundición a presión, tubos de calor y estampado internos (y una fábrica en construcción en Chonburi, Tailandia), Winshare suministra hardware de producción refrigerado por aire y líquido a BYD, Geely, Chery, XPeng, Lucid, Li Auto, Sungrow y Delta.

7. Conclusión

Decidir entre diseños automotrices con refrigeración líquida o refrigeración por aire  se reduce a hacer coincidir la potencia total de su módulo, el flujo de calor a nivel de chip y la zona de montaje con el costo a nivel del vehículo y las restricciones de NVH:

·  Mantenga la refrigeración por aire pasiva o asistida por heatpipes  cuando la disipación total sea inferior a 150 W, el flujo de calor del chip local se mantenga por debajo de 15 a 20 W/cm² y su gabinete tenga un espacio libre de aire adecuado sin violar los límites de ruido del ventilador estacionario.

·  Pase a placas frías líquidas FSW extruidas o con tubos integrados  para módulos de 250 W a 1000 W (como controladores de dominio ADAS L4 de alta capacidad de procesamiento y convertidores de bajo volumen) donde el flujo de calor moderado (20 a 35 W/cm²) cumple con requisitos de espacio estrictos.

·  Especifique placas frías líquidas de fundición a presión + FSW o soldadas al vacío con aletas de pasador  siempre que la carga de calor total supere los 500 W o el flujo de calor del semiconductor de SiC local supere los 30 a 50 W/cm², aprovechando el circuito de agua-glicol existente del vehículo para reducir el volumen de la caja y proteger las temperaturas de las uniones.

 

Preguntas frecuentes

¿A qué nivel exacto de potencia o flujo de calor necesita una ECU de EV para cambiar de refrigeración por aire a refrigeración líquida?

En entornos automotrices sellados (ambiente de 65 °C a 85 °C), la refrigeración por aire pasiva por convección natural alcanza su límite alrededor de 60 W a 80 W de disipación total del gabinete, y la refrigeración por aire forzado (con distribución de heat-pipe) alcanza un máximo de alrededor de 150 W a 220 W. Independientemente de la potencia total de la caja, debe cambiar a refrigeración líquida (o cámara de vapor de dos fases + líquido) una vez que el flujo de calor del chip localizado supere consistentemente 30 W/cm².

¿Cuánta caída de presión debe agregar una placa fría de la electrónica de potencia de un vehículo eléctrico al circuito de refrigerante?

La mayoría de los presupuestos térmicos de los OEM automotrices asignan de 10 kPa a 30 kPa (0,10 a 0,30 bar) de caída de presión hidráulica a través de una placa fría individual OBC, DC-DC o ECU, y de 15 kPa a 45 kPa a través de una placa fría de aleta de pasador de inversor de tracción de SiC de alta densidad a caudales nominales de agua-glicol de 6 L/min a 16 L/min.

¿Se puede convertir una carcasa de aluminio fundido a presión enfriada por aire a refrigeración líquida a mitad del programa?

Sí, si se conserva la envoltura de montaje del gabinete. Durante las actualizaciones de la muestra B o de mitad de ciclo, los ingenieros modifican con frecuencia la herramienta de fundición a presión de alta presión existente (o mecanizan la cavidad de la aleta trasera plana de la fundición), fresan un canal de refrigerante serpentino en la pared de la base y sellan una placa de cubierta de aluminio 6061 forjado de 3 mm a 4 mm sobre la cavidad mediante soldadura por fricción y agitación (FSW), agregando grifos de refrigerante atornillados o soldados.

¿Qué temperatura de entrada del refrigerante debo asumir al dimensionar un inversor EV o una placa fría de ECU?

A diferencia de los enfriadores industriales que suministran agua fresca a 20°C, el circuito de agua-glicol del sistema de propulsión de un automóvil se calienta durante las subidas de autopistas en verano o durante la carga rápida de CC. Los ingenieros térmicos suelen diseñar placas frías de electrónica de potencia para vehículos eléctricos alrededor de una temperatura nominal de entrada del refrigerante de 50 °C a 65 °C (con excursiones transitorias máximas de hasta 70 °C) utilizando una mezcla de agua y etilenglicol 50/50.

¿Por qué las carcasas de aluminio fundido se sellan con FSW en lugar de soldadura al vacío para OBC refrigerados por líquido?

Los gabinetes integrados de OBC e inversor generalmente están moldeados a alta presión a partir de aluminio ADC12 o AlSi10Mg para formar paredes de conectores 3D complejas y soportes de montaje de una sola vez. Las piezas fundidas a alta presión contienen poros microscópicos de gas atrapado que se expanden y forman ampollas si se calientan a 600°C en un horno de soldadura fuerte al vacío. La soldadura por fricción y agitación une localmente la placa de cubierta del canal en estado sólido por debajo de 500°C, creando un sello hermético al helio sin ampollar la pieza fundida.

¿Cuándo pierde una placa fría de tubo integrado frente a una placa fría FSW o soldada al vacío?

Las placas frías de tubo integrado funcionan bien hasta aproximadamente 20 a 25 W/cm², pero debido a que la pared del tubo redondo o aplanado solo hace contacto con la ranura mecanizada de la placa base a lo largo de su perímetro (a menudo separada por una interfaz delgada de epoxi o de ajuste a presión), tiene una mayor resistencia térmica conductiva y menos área de superficie húmeda que las aletas internas raspadas, los hoyuelos estampados o los conjuntos de aletas forjados utilizados en las placas frías FSW y soldadas al vacío.