Kühlungslösungen für das Wärmemanagement in Elektrofahrzeugen
Fortschrittliche Materialien zur Verbesserung des Wärmemanagements im Antriebsstrang sind entscheidend für die Steigerung der Effizienz und Zuverlässigkeit von Elektrofahrzeugen.
12. Februar 2024, Autor:Coherent
Elektroautos (EV) sind vielleicht gar nicht so „kühl“, wie manche denken. Vor allem der Antriebswechselrichter eines Elektroautos erzeugt eine Menge Wärme. Diese Schaltung wandelt den von der Batterie gelieferten Gleichstrom in den für den Antriebsmotor (der die Räder antreibt) benötigten Wechselstrom um.
Wenn sich die elektronischen Bauteile im Traktionswechselrichter überhitzen, sinkt deren Wirkungsgrad. Zudem verkürzt der Betrieb bei hohen Temperaturen die Lebensdauer dieser Bauteile und beeinträchtigt ihre Zuverlässigkeit. Daher ist die Kühlung dieser Schaltkreise ein wichtiger Faktor bei der Konstruktion von Elektrofahrzeugen. Die Herausforderung besteht darin, dieses Ziel mit einem möglichst leichten, zuverlässigen und kompakten Kühlsystem zu erreichen, da zusätzliches Gewicht die Effizienz des Fahrzeugs und die Reichweite verringert.
Kühlung herkömmlicher Antriebsstränge
Die Kühlung wird in der Regel dadurch erreicht, dass elektronische Bauteile und andere wärmeerzeugende Komponenten auf einer wassergekühlten Grundplatte montiert werden. Dadurch wird die Wärme abgeleitet und die elektronischen Bauteile gekühlt. Derzeit bestehen die meisten Grundplatten aus Kupfer oder Aluminium. Kupfer verfügt über eine gute Wärmeleitfähigkeit, was bedeutet, dass es Wärme effizient von der Quelle ableiten kann. Aluminium hat eine geringere Wärmeleitfähigkeit als Kupfer, ist jedoch wesentlich leichter. Dadurch lässt sich das Gewicht reduzieren.
Allerdings sind beide Metalle keine idealen Trägermaterialien. Der Hauptgrund dafür ist, dass sich die Ausdehnungskoeffizienten dieser beiden Materialien bei Erwärmung von denen der in den Traktionswechselrichtern verbauten elektronischen Bauteile aus Silizium oder Siliziumkarbid unterscheiden. Diese ungleichmäßige Ausdehnung führt zu mechanischen Spannungen in den Gehäusen der Leistungselektronik. Dies kann zu Verformungen der elektronischen Bauteile und letztlich zum Versagen der Gehäuse führen.
Verbesserung des Wärmemanagements
Ein ideales Substratmaterial sollte eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen und hinsichtlich seiner Wärmeausdehnungseigenschaften gut auf die der elektronischen Bauteile abgestimmt sein. Es ist zudem von Vorteil, wenn das Material eine hohe mechanische Festigkeit aufweist, hart und korrosionsbeständig ist, ein geringes Gewicht hat und den Bedarf an Wassermänteln verringert oder ganz überflüssig macht. Dies wiederum führt in bestimmten Anwendungen zu einer Verringerung des Gewichts und der Abmessungen des Wechselrichters.
Coherent Vielzahl von reaktionsgesinterten Si/SiC-Formulierungen (RBSiC) Coherent , um den Anforderungen verschiedener Wärmemanagement-Anwendungen gerecht zu werden.So weisen beispielsweise einige reaktionsgesinterte Si/SiC-Formulierungen eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf – ähnlich wie oder höher als die von Kupfer. Vor allem lassen sich ihre Wärmeausdehnungseigenschaften individuell anpassen, um sie an die Wärmeausdehnungseigenschaften von Substratmaterialien für elektronische Gehäuse (z. B. AlN oder Si₃N₄) anzupassen. Tests haben gezeigt, dass Substrate aus Coherent die Verformung von Gehäusen deutlich reduzieren können.
Darüber hinaus weist dieses RBSiC ideale physikalische Eigenschaften auf, darunter eine hohe mechanische Festigkeit und Härte. Daher ist es langlebig, verschleißfest und bruchsicher, was zur langfristigen Zuverlässigkeit des Kühlkörpers beiträgt. Es verfügt zudem über eine hohe Korrosionsbeständigkeit und chemische Inertheit. Schließlich ist die Dichte unseres RBSiC geringer als die von Kupfer, was zu einer Gewichtsersparnis bei der Grundplatte führt.
Da Coherent sowohl eine hohe Wärmeleitfähigkeit als auch eine höhere Härte (Verformungsbeständigkeit) als Metall sowie eine bessere thermische Ausdehnungsanpassung aufweist, wird das Problem des „Herausdrückens der Wärmeleitpaste“ erheblich reduziert. Diese Wärmeleitpaste (oder Wärmeleitpaste) wird manchmal zwischen Hochleistungsmodulgehäusen und Kühlkörpern aufgetragen, um einen guten thermischen Kontakt zu gewährleisten. Bei Verwendung von Metallsubstraten wird die Wärmeleitpaste jedoch aufgrund von mechanischem Druck und Temperaturwechselbeanspruchungwird die Wärmeleitpaste allmählich aus dem Substrat herausgedrückt. Dies führt zu einer Verringerung der Kühlleistung.
Aus praktischer SichtCoherent diese RBSiC-SubstrateCoherent in ihrer endgültigen Form herstellen. Darüber hinaus können diese Substrate komplexe Funktionen wie Kühlrippen oder Kühlkanäle enthalten. Dies senkt die Herstellungskosten. Außerdem produzieren wir RBSiC in einer Form, die mit additiven Fertigungstechnologien kompatibel ist. So können die Substrate interne Strukturen (wie Mikro-Kühlkanäle) enthalten, ohne dass zusätzliche Bearbeitungsschritte erforderlich sind. Dies senkt die Produktionskosten weiter.
Coherent problemlos RBSiC-Substrate herstellen, die über interne und externe Kühlrippen sowie interne Wasserströmungskanäle verfügen.
Coherent bietet mit SiC-Leistungselektronikmaterialien hervorragende Wärmemanagementlösungen für Elektrofahrzeuge. Da Elektrofahrzeughersteller zunehmend auf SiC-Leistungselektronikmaterialien setzen, stellt dies auch eine zukunftsorientierte Lösung dar. Dies liegt daran, dass SiC-Leistungselektronikmaterialien von Natur aus bei höheren Temperaturen betrieben werden können, was eine bessere Anpassung der Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) zwischen Substrat und Elektronikgehäuse erfordert. Daher ist RBSiC ein zuverlässiges und anpassungsfähiges Material, das die Systemleistung in den kommenden Jahren sicherstellt.
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