CTX macht e-mobil

Flüssigkeitskühlung für Batteriemanagementsysteme

Die Batteriemanagementsysteme in Elektroautomobilen sind Hochleistungsprozessoren, die bereits auf wenigen Quadratzentimetern soviel Wärme wie ein herkömmlicher Küchenherd erzeugen. Für eine einwandfreie Funktion und eine lange Lebensdauer benötigen diese Systeme eine effektive Kühlung.
Herkömmliche passive oder lüftergestützte Kühllösungen stoßen hier allerdings an ihre Grenzen. Ausschließlich Kühllösungen, die auf dem Prinzip der Flüssigkeitskühlung basieren, erfüllen die hohen Anforderungen der Elektromobilität. Direkt am Hotspot montiert, transportieren die Flüssigkeitskühlkörper die Wärme zügig ab. 

Die CTX Thermal Solutions GmbH (CTX) bietet effiziente, anwendungsspezifische Flüssigkeitskühlkörper für die Elektromobilität an. Je nach Einsatz werden bestimmte Fertigungsverfahren genutzt. Für die Produktion großer Kühlkörperserien, beispielsweise im Bereich der Elektromobilität, bietet sich das Druckgussverfahren an.

GERINGE ÜBERTRAGUNGSFLÄCHE

Flüssigkeitskörper besitzen eine besonders hohe Leistungsdichte. Entsprechende Kühllösungen können daher sehr kompakt gebaut werden – ideal für die Elektromobilität, denn hier zählen jeder Kubikzentimeter und jedes Gramm.

OBERSTE LEISTUNGSKLASSE

Flüssigkeitskühlkörper leiten 15 bis 25 % mehr Wärme ab, als aktive Kühlsysteme gleicher Größe. Die hohe Leistung der Kühlkörper sichert zuverlässig die Funktion der Batteriemanagementsysteme.

APPLIKATIONSSPEZIFISCHE FERTIGUNGSVERFAHREN

Die genutzten Herstellungsverfahren unterscheiden sich je nach Anwendung des Flüssigkeitskühlkörpers. Werden große Kühlkörpervolumina benötigt, wie im Fall der Elektromobilität, bietet sich das Druckgussverfahren an. 

Anwendungsspezifische Fertigungsverfahren

Flüssigkeitskühlkörper für die Elektromobilität werden typischerweise in großen Mengen hergestellt. Hierfür bieten sich Fertigungsverfahren an, die spezielle Formwerkzeuge einsetzen, um eine Vielzahl baugleicher Kühlkörper zu jeweils geringen Stückkosten produzieren zu können. Dazu zählen das Extrusions- und das Druckgussverfahren.

Anwendungsbeispiel Elektromobilität

Eine typische Anwendung eines Druckguss-Flüssigkeitskühlkörpers ist die Kühlung des Batteriemanagements in Elektroautomobilen. CTX entwickelte eine solche Kühllösung für einen bekannten Automobilkonzern aus einer im Druckgussverfahren hergestellten Aluminiumkühlplatte mit kundenspezifischen Abmaßen und eingepressten Edelstahlrohren. Nach thermischer Simulation und Prototypenfertigung im CNC-Verfahren folgte zunächst die Produktion des Druckgusswerkzeugs für die Vorserie. Danach erfolgte eine in größerer Anzahl gefertigte Null-Serie, ehe dann die Volumenfertigung für den Serienbedarf startete. Bei diesem Fertigungsvolumen fallen die Kosten für die Erstellung eines Druckgusswerkzeugs dann nicht mehr ins Gewicht – im Gegenteil – dann ist das Druckgussverfahren einmalig effizient.

Flüssigkeitskühlkörper aus Aluminiumdruckguss

Das Druckgussverfahren zur Herstellung der Kühlplatte empfiehlt sich erst bei sehr hohen Produktionsmengen, da die einmalige Herstellung des Werkzeugs sehr kostenintensiv ist. Es überwiegen jedoch die Vorteile des Verfahrens bei weitem:

  • auch schwierige Kühlkörpergeometrien lassen sich bei der Werkzeuggestaltung berücksichtigen
  • eine kostspielige CNC-Nachbearbeitung ist nur an Stellen mit besonders hohen Oberflächenanforderungen erforderlich
  • mit einem Werkzeug können pro Gussvorgang mehrere Kühlplatten produziert werden
  • keine Beschränkungen hinsichtlich des Materials der Kühlrohre
  • Oberflächenveredelung – Chromatieren, Eloxieren, Pulverlackieren etc. – ist problemlos möglich

WEITERE TECHNOLOGIEN BEI FLÜSSIGKEITSKÜHLKÖRPERN

Flüssigkeitskühlkörper unterscheiden sich nach Herstellungsverfahren und Anwendung.  So gibt  u. a. eine Aluminiumkühlplatte mit eingepressten Kupferrohren, einen hartverlöteten und oberflächenbehandelten Kühlköper und einen Flüssigkeitskühlkörper mit außen liegenden Kühlrippen.

Thermische Simulation

Mit dem analytischen Prozess der thermischen Simulation lässt sich der Temperaturzustand eines elektronischen Bauteils vorausberechnen und ein entsprechendes Kühlkörperdesign entwickeln. Die Simulation zeigt mögliche thermische Probleme frühzeitig auf. So lassen sich das Design und die Kühlleistung optimieren und zudem Kühlkörpermaterial und -gewicht einsparen. Voraussetzung für eine verlässliche thermische Simulation ist die Eingabe der definierten thermodynamischen Randbedingungen. Dazu zählen die zu erwartende Verlustleistung und das Design des Bauelements mit Bemaßung und Position des Hotspots. Hinzu kommen geometrische Einschränkungen sowie die für einen optimalen Betrieb maximal zulässige Oberflächentemperatur des Bauteils und die voraussichtliche Umgebungstemperatur. Schließlich fließt die Differenz zwischen Umgebungs- und Komponententemperatur ebenfalls in die Berechnung des Wärmewiderstands des Kühlkörpers ein. Durch eine thermische Simulation lässt sich der Prozess der Prototypenfertigung minimieren oder sogar eliminieren.

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