Coole Lösungen für das Wärmemanagement von Elektrofahrzeugen
Moderne Materialien zur Verbesserung des Wärmemanagements des Antriebsstrangs sind entscheidend für die Effizienz und Zuverlässigkeit von Elektrofahrzeugen.
12. Februar 2024, von Coherent
Elektrofahrzeuge (EVs) sind möglicherweise nicht so cool, wie manche Leute denken. Vor allem im Traktionswechselrichter des Elektrofahrzeugs entsteht eine Menge Wärme. Dies ist der Schaltkreis, der den Gleichstrom von den Batterien in den Wechselstrom umwandelt, welcher vom Fahrmotor benötigt wird, um die Räder anzutreiben.).
Wenn die elektronischen Bauteile im Traktionswechselrichter zu heiß werden, kann dies deren Betriebseffizienz beeinträchtigen. Darüber hinaus kann der Betrieb bei erhöhten Temperaturen die Lebensdauer und Zuverlässigkeit dieser Elektronik verringern. Dies macht die Kühlung dieser Schaltkreise zu einem wichtigen Faktor beim Design von Elektrofahrzeugen. Die Herausforderung besteht darin, effektive Kühlung mit einem möglichst leichten, zuverlässigen und kompakten System zu erreichen, da zusätzliches Gewicht die Effizienz und Reichweite des Fahrzeugs ebenfalls verringert.
Traditionelle Antriebsstrangkühlung
Üblicherweise wird die Kühlung durch die Montage der Leistungselektronik und anderer wärmeentwickelnder Komponenten auf einer wassergekühlten Grundplatte erreicht. Hierbei wird die Elektronik gekühlt, indem die Wärme abgeführt wird. Derzeit werden die meisten Grundplatten aus Kupfer oder Aluminium hergestellt. Kupfer hat eine gute Wärmeleitfähigkeit, was bedeutet, dass es die Wärme effizient von ihrer Quelle wegleitet. Aluminium hat eine geringere Wärmeleitfähigkeit als Kupfer, ist aber viel leichter. Dadurch ergibt sich also eine Gewichtsersparnis.
Allerdings ist keines dieser Metalle ideal für Grundplatten geeignet. Ein Hauptgrund dafür ist, dass sich diese Materialien beim Erhitzen nicht mit der gleichen Geschwindigkeit ausdehnen wie die gepackte Silizium- oder Siliziumkarbid-Elektronik im Traktionswechselrichter. Diese unterschiedlich starke Ausdehnung belastet die Leistungselektronikpackung mechanisch. Die elektronischen Baugruppen können sich verformen und schließlich zum Bruch der Packung führen.
Verbesserung des Wärmemanagements
Das ideale Grundplattenmaterial müsste eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzen und gleichzeitig den Eigenschaften der Elektronik-Packung hinsichtlich der Wärmeausdehnung weitgehend entsprechen. Ein weiterer Vorteil wäre es, wenn das Material mechanisch fest und hart, korrosionsbeständig und leicht ist und außerdem die Notwendigkeit der Mantelkühlung reduziert oder erübrigt. Dies wiederum würde bei einigen Anwendungen das Gewicht und die Größe des Wechselrichters verringern.
Coherent hat eine Reihe reaktionsgebundener Si/SiC (RBSiC)-Formulierungen entwickelt, um den Anforderungen vieler verschiedener Wärmemanagement-Anwendungen gerecht zu werden. Beispielsweise bieten einige reaktionsgebundene Si/SiC-Zusammensetzungen eine hohe Wärmeleitfähigkeit – ähnlich oder höher als Kupfer. Am wichtigsten ist, dass deren Eigenschaften der Wärmeausdehnung so angepasst werden können, dass sie denen von Substraten für das Electronic Packaging wie AlN oder Si₃N₄ entsprechen. Tests haben gezeigt, dass mit diesem Coherent RBSiC hergestellte Grundplatten den Verzug der Packung deutlich reduzieren.
Darüber hinaus verfügt dieses RBSiC auch über wünschenswerte physikalische Eigenschaften, einschließlich hoher mechanischer Festigkeit und Härte. Dies macht es langlebig und widerstandsfähig gegen Verschleiß und Beschädigungen, was zur langfristigen Zuverlässigkeit des Kühlkörpers beiträgt. Es ist außerdem recht korrosionsbeständig und chemisch inert. Schließlich hat unser RBSiC eine geringere Dichte als Kupfer, was eine leichtere Grundplatte bedeutet.
Da Coherent RBSiC eine hohe Wärmeleitfähigkeit mit höherer Härte (Verformungsbeständigkeit) und einer besseren Wärmeausdehnungsanpassung als Metalle kombiniert, wird auch das Problem des „Auspumpens von Wärmeleitpaste“ drastisch reduziert. Diese Wärmeleitpaste wird manchmal zwischen der Packung des Hochleistungsmoduls und dem Kühlkörper aufgetragen, um einen guten Wärmekontakt herzustellen. Aber bei Metall-Grundplatten wird diese Paste aufgrund des mechanischen Drucks und der thermischen Wechselwirkung allmählich herausgedrückt. Dadurch verringert sich die Kühlwirkung.
Aus praktischer Sicht kann Coherent RBSiC-Grundplatten als Teile in ihrer endgültigen Form herstellen. Darüber hinaus können diese Platten komplexe Merkmale wie Kühlrippen oder Kühlkanäle umfassen. Dies senkt die Fertigungskosten. Außerdem produzieren wir RBSiC in einer Form, die mit additiven Fertigungstechniken kompatibel ist. So wird die Einbindung innerer Strukturen wie Mikrokühlkanälen möglich, ohne dass zusätzliche Bearbeitungsvorgänge erforderlich sind. Dies reduziert die Produktionskosten noch weiter.
Coherent kann Grundplatten aus RBSiC mit Merkmalen für interne und externe Kühlkonzepte sowie mit internen (konturnahen) Kühlwasserkanälen fertigen.
Coherent RBSiC bietet eine überlegene Wärmemanagementlösung für Elektrofahrzeuge, die Silizium-Leistungselektronik verwenden. Und es ist auch eine zukunftssichere Lösung, da Hersteller von Elektrofahrzeugen auf SiC-Leistungselektronik setzen. Dies liegt daran, dass SiC-Leistungselektronik von Natur aus bei höheren Temperaturen arbeitet und daher eine noch bessere CTE-Anpassung zwischen der Grundplatte und dem Electronic Package erfordert. Somit stellt RBSiC ein zuverlässiges und anpassungsfähiges Wirtschaftsgut dar, das die Systemleistung für die kommenden Jahre sichert.
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