Als Ingenieur in einem Batterietray-Herstellungswerk, der an mehreren Projekten für Batteriegehäuse von Elektrofahrzeugen beteiligt war, habe ich die Branchenkonflikte im Spannungsfeld „Leichtbau-Sicherheit-Kosten“ intensiv miterlebt. Dieser Artikel analysiert die aktuelle Technologieauswahl und industrielle Herausforderungen aus drei Perspektiven: Materialstrategie, Herstellungsverfahren und Zukunftstrends, unter Einbezug praktischer Fallbeispiele.

1-Materialstrategie: Abwägung zwischen Leichtbau und Kosten

Die Materialauswahl für Batteriegehäuse beeinflusst direkt die Fahrzeugleistung und Wirtschaftlichkeit. Die aktuellen Hauptrichtungen lassen sich in Aluminiumlegierungen, hochfesten Stahl und Verbundwerkstoffe unterteilen, die jeweils spezifische Anwendungsbereiche haben.

a. Aluminiumroute: Treiber des Leichtbaus

Extrudierte Aluminiumprofile: BYD setzt bei mehreren Modellen auf extrudiertes Aluminium, das durch optimierte Querschnittsformen Gewicht reduziert und die Steifigkeit erhöht.

Integralguss: Teslas 4680-Batterie mit CTC-Technologie erreicht über 50 % Gewichtsersparnis, erfordert jedoch Gussformen mit Kosten über 200 Millionen CNY, die erst ab einer Jahresproduktion von 500.000 Stück wirtschaftlich sind – geeignet für Großserienhersteller.

Aluminium-Verbundmaterialien: Der Porsche Taycan nutzt eine Aluminium-Kohlefaser-Hybridstruktur, die das Gewicht um 15 % senkt, jedoch die Kosten um 30 % erhöht, was nur für Premiumfahrzeuge vertretbar ist.

b. Hochfester Stahl: Kosteneffizienz für preissensitive Märkte

Hochfester Stahl (z. B. 22MnB5) mit einer Streckgrenze von 1.500 MPa ist in über 40 % der Nutzfahrzeuge im Einsatz. Die Kosten pro GWh liegen 40 % unter Aluminium, allerdings bei 8 % geringerer Energiedichte. Daher wird er vorwiegend in Fahrzeugen unter 100.000 CNY eingesetzt, um Kosten und Basissicherheit zu vereinen.

c. Verbundwerkstoffe: Experimente im Premiumsegment

SMC-Materialien: Glasfaserverstärkte Verbundwerkstoffe für Gehäusedecken reduzieren das Gewicht um 30 %, erfordern jedoch dickere Wandstärken (3 mm + 5 mm Verstärkungsrippen) für ausreichende Schlagfestigkeit.

Kohlefaser: BMW i3-Gehäuse sind 50 % leichter als Aluminium, aber mit Kosten von 800 CNY/kg und hohen Fertigungshürden derzeit nur in Luxusmodellen realisierbar.

Praxisfazit: Die Materialauswahl muss der Fahrzeugklasse entsprechen. Mittelklasse (20–30.000 €) setzt auf Aluminium, preisgünstige Modelle auf Stahl, während Premiumhersteller Verbundlösungen erforschen.

2-Herstellungsverfahren: Balance zwischen Effizienz und Zuverlässigkeit

Herstellungstechnologien beeinflussen Produktivität und Qualität. Aktuelle Hauptverfahren umfassen Guss, Schweißextrusion und Strukturintegration.

a. Guss vs. Schweißextrusion

Extrudiertes Aluminium (z. B. GM Bolt): Stückkosten ca. 800 CNY, geeignet für Großserien, aber komplexe Fertigungsschritte.

Aluminiumdruckguss (z. B. NIO ET5): Stückkosten 1.500 CNY, jedoch 5-fach höhere Produktivität, ideal für schnelle Hochlaufphasen.

Rührreibschweißen (FSW): Verformungen um 50 % reduziert, Ermüdungsfestigkeit um 30 % erhöht, erfordert jedoch 40 % höhere Investitionen – geeignet für Nutzfahrzeuge mit hohen Lebensdaueranforderungen.

b. Strukturintegrationstechnologien

CTP-Moduloptimierung (CATL Qilin-Batterie): Raumnutzung von 72 % auf 85 % gesteigert, Kostensenkung um 15–20 %, erfordert jedoch verbesserten thermischen Schutz.

CTC-Chassisintegration (Tesla Model Y): 370 Teile reduziert, Reichweite +54 %, aber Reparaturkosten +300 %, was hohe Anforderungen an die Wartungsinfrastruktur stellt.

Kritische Daten im Vergleich

Produktionserfahrung: CTP bleibt aufgrund besserer Kompatibilität aktuell dominant. CTC erfordert tiefe Kooperation zwischen Herstellern und ist kurzfristig schwer umsetzbar. 

3-Zukünftige Trends: Technologiefusion und intelligente Optimierung

a. Materialkombinationen

Alu-Kohlefaser-Hybridgehäuse (z. B. Porsche Taycan) können 15 % Gewicht sparen und 800 MPa Druckfestigkeit erreichen. Die Grenzflächenhaftung muss jedoch >25 MPa betragen (bei Toyota bZ4X liegt die Ausbeute bei nur 65 %), was die Prozessstabilität herausfordert.

b. Funktionsintegration

Integrierte Kühlplatten (GAC弹匣电池): Kühlfläche +50 %, Temperaturdifferenz <5 °C, aber Porositäten bei Alu-Kupfer-Schweißnähten erfordern Laserpendelschweißen.

Fasersensoren (Continental): Echtzeitüberwachung von Dehnung und Temperatur steigert BMS-Reaktionsgeschwindigkeit um 30 %, jedoch müssen Haltbarkeitsprobleme gelöst werden.

c. Nachhaltige Kreisläufe

BMWs Recycling-Aluminium reduziert CO₂-Emissionen um 60 %, aber die Leistungseinbußen müssen unter 10 % bleiben. Großflächiger Dünnwandguss (z. B. LK 9000T-Gussmaschine) erfordert präzise Temperaturkontrolle (±5 °C), und die Gratentfernung bleibt ein Engpass.

Prozessdurchbruchrichtung:

Zykluszeitverkürzung bei Verbundwerkstoffen (z. B. LGF-PP-Spritzguss von 180 auf 90 Sekunden).

Digitale Zwillinge reduzieren Simulationsfehler von ±20 % auf ±5 %, um die Designzuverlässigkeit zu erhöhen.

4-Marktsegmentierung und industrielle Perspektiven

Kurzfristig (1–3 Jahre): CTP + extrudiertes Aluminium bleibt dominant; CATL hält mit 34 % Marktanteil die Führung

Mittelfristig (5–10 Jahre): CTC und Kohlefaser gewinnen im Premiumsegment an Bedeutung – bis 2030 könnten 25 % der Gehäuse aus Kohlefaser bestehen.

Langfristig: Energiedichten von 400 Wh/kg sowie verbesserte Sicherheitsreserven über die gesetzlichen 30 Minuten Hitzeschutz hinaus.

5-Fazit

Die Wahl der Batteriegehäuse-Technologie ist letztlich eine anwendungsspezifische Anpassung, die Fahrzeugklasse, Kostengrenzen und Lieferkettenreife berücksichtigen muss. Als Ingenieure müssen wir Innovationen begrüßen, aber auch die Machbarkeit in der Serienproduktion im Auge behalten. Mit fortschreitender Digitalisierung und nachhaltiger Fertigung werden Batteriegehäuse von „passivem Schutz“ zu „aktiver Sicherheit“ evolvieren und so die breite Einführung der E-Mobilität unterstützen.

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Im tatsächlichen Produktions-, Montage- und Verwendungsprozess kommt es häufig zu einem Ausfall der Isolationsspannungsfestigkeit von Batteriewannen, der wie ein Riff in der rasanten Entwicklung der neuen Energiebranche verborgen ist und die Fahrsicherheit von Fahrzeugen und den zuverlässigen Betrieb des Energiespeichersystems bedroht. Dieser Artikel versucht, die typischen Ausfallarten basierend auf der Herstellungspraxis zu analysieren, um einige oberflächliche Referenzen für relevante Praktiker bereitzustellen und Branchenkollegen dabei zu helfen, gemeinsam wirksame Möglichkeiten zur Verbesserung der Isolationsspannungsfestigkeit von Batteriewannen zu erkunden.

Teil 3 - Häufige Fehleranalyse

Abbildung 1 Isolationsspannungsprüfung

1- Analyse gängiger Ausfallmechanismen

Die Anwendungsszenarien von Batteriewannen für Energiespeicher und Fahrzeuge mit alternativer Antriebstechnik sind unterschiedlich, was sowohl Gemeinsamkeiten als auch Unterschiede in den Anforderungen an die Isolationsfestigkeit und den Ausfallbedingungen mit sich bringt:

a. Unterschiede

Dynamische Belastung: Fahrzeuge mit alternativer Antriebstechnik müssen mit hochfrequenten mechanischen Schwingungen von 20-2000 Hz zurechtkommen, während Energiespeichersysteme hauptsächlich einer langfristigen statischen Verformung ausgesetzt sind, deren kumulative Verformungszeit 10 Jahre übersteigt.

Spannungsniveau: Die Isolationsfestigkeitsspannung von Batteriewannen für Fahrzeuge mit alternativer Antriebstechnik muss 3000 VDC und mehr erreichen (basierend auf GB 38031), während Energiespeichersysteme eine Isolationsfestigkeitsspannung von 4200 VAC und mehr erfordern (basierend auf IEC 61439).

Ausfallbeschleunigungsfaktor: Fahrzeuge mit alternativer Antriebstechnik erzeugen aufgrund von mehr als 2000 Lade- und Entladezyklen pro Jahr thermischen Stress, was den Isolationsausfall beschleunigt; Energiespeichersysteme sind rund um die Uhr in Betrieb, mit einer durchschnittlichen jährlichen Betriebszeit von mehr als 8000 Stunden, was zu elektrochemischer Alterung führt, die wiederum Isolationsfehler beschleunigt.

b. Gemeinsamkeiten

Beide müssen eine Frühwarnung vor Isolationsfehlern durch Überwachung des Isolationswiderstands (nicht weniger als 100 MΩ im kalten Zustand und nicht weniger als 1 MΩ/kV im heißen Zustand) und Teilentladungskontrolle (weniger als 5 pC) erreichen.

2- Häufige Herstellungsfehler, die zu einem Ausfall der Isolationsspannungsfestigkeit von Batteriewannen führen

(1) Konstruktionsphase der Isolationsspannungsfestigkeit

a. Analyse möglicher Fehler und Ursachen

· Materialfehler:

Ursache: Die Isolationsspannungsfestigkeit ist unzureichend, Alterung durch Feuchtigkeit oder Oberflächenverunreinigung (Ölflecken, Metallabrieb).

Leistung: Niedriger Isolationswiderstand (<100 MΩ), Leckstrom überschreitet den Standard oder direkter Durchschlag während der Spannungsfestigkeitsprüfung.

· Prozessprobleme:

Ursache: Metallreste (grober Schweiß-/Schneidprozess), ungleichmäßige Dicke der Isolationsbeschichtung oder nicht ausgehärtet.

Leistung: Teilentladung, Beschädigung der Isolationsschicht führt zu Kurzschluss.

· Umwelteinflüsse:

Ursache: Hohe Temperaturen und hohe Luftfeuchtigkeit führen zur Aufnahme von Feuchtigkeit und chemischer Korrosion des Materials.

Leistung: Die Isolationsleistung verschlechtert sich mit der Umgebung und Kondenswasser führt zu Kriechen.

· Testfehler:

Ursache: Falsche Einstellung von Testspannung/-zeit (z. B. nicht in Übereinstimmung mit dem Standard GB/T 38661), schlechte Erdung.

Leistung: Fehleinschätzung qualifizierter oder durch Überspannung entstandener Schäden an Bauteilen.

b. Reaktionsstrategie

· Materialoptimierung: Wählen Sie feuchtigkeitsbeständige Materialien (wie etwa Kohlefaserverbundwerkstoffe) mit einer Spannungsfestigkeit von ≥1000 V DC und tragen Sie eine Antifouling-Beschichtung auf.

· Prozesskontrolle: Verwenden Sie automatisierte Schweiß-/Sprühgeräte und richten Sie eine saubere Werkstatt ein.

· Umweltmanagement: Installieren Sie Temperatur- und Feuchtigkeitsüberwachung und trocknen Sie die Materialien vor dem Bau vor.

· Testspezifikationen: Segmentierte Tests (500-V-Vortest + 1000-V-Formaltest), kalibrieren Sie die Instrumente und zeichnen Sie die Daten auf.

(2) Modulinstallationsphase

a. Analyse möglicher Fehler und Ursachen

· Montagefehler:

Ursache: Die Isolierschicht fehlt, die Schrauben sind zu fest und die Isolierschicht ist beschädigt.

Leistung: Niedriger Isolationswiderstand zwischen Modul und Gehäuse und Spannungsabfall.

· Mechanische Beschädigung

Ursache: Kratzer auf Handhabungswerkzeugen, Metallspäne durchbohren die Isolierfolie.

Leistung: Lokaler Kurzschluss oder plötzlicher Ausfall während des Betriebs.

· Designkompatibilität

Ursache: Unzureichender elektrischer Abstand aufgrund von Größenabweichungen zwischen Modul und Batteriewannen.

Leistung: Parasitäre Kapazität verursacht Spannungsüberlagerungsausfall.

· Gefahren bei elektrischen Verbindungen:

Ursache: Verschleiß und Ausfall der Steckerdichtung aufgrund eines nicht befestigten Kabelbaums.

Leistung: Verschleiß und Leckage der Isolierschicht des Hochspannungskabelbaums.

b. Gegenmaßnahmen

· Fehlersicheres Design: Verwenden Sie Positionierungsstiftwerkzeuge, um eine fehlende Installation zu verhindern, und passen Sie die Schraubenlänge an, um ein zu festes Anziehen zu verhindern.

· Sauberer Betrieb: Vor der Installation absaugen und Werkzeuge mit kratzfestem Silikon umwickeln.

· Toleranzsimulation: Überprüfen Sie den Übereinstimmungsgrad zwischen dem Modul und dem Fach durch CAE, um sicherzustellen, dass der Abstand ≥10 mm beträgt.

· Prozessprüfung: Führen Sie nach der Installation eine Stichprobenprüfung mit einem Megaohmmeter (≥100 MΩ) durch und führen Sie einen segmentierten Spannungsfestigkeitstest durch, um den Fehlerpunkt zu lokalisieren.

(3) Systemintegrationsphase

a. Analyse möglicher Fehler und Ursachen

· Systemübergreifender Schnittstellenfehler:

Ursache: Die Isolationsparameter der Komponenten stimmen nicht überein (z. B. Unterschiede in der Nennspannung der Anschlüsse).

Leistung: Ausfall der Hochspannungssammelschienenverbindung oder BMS-Interferenz.

· Überlagerung parasitärer Kapazitäten:

Ursache: Die gesamte parasitäre Kapazität steigt, wenn mehrere Module parallel angeschlossen werden, und der Kapazitätsanstiegseffekt ist erheblich.

Leistung: Der Testleckstrom auf Systemebene überschreitet den Standard.

· Fehler durch Umweltbelastung:

Ursache: Vibrationen führen zu Isolationsermüdung und Kühlmittel sickert in die Hochspannungsschnittstelle.

Leistung: Der Isolationswiderstand nimmt während des Betriebs regelmäßig ab.

· Blinder Fleck im Test:

Ursache: Reale Arbeitsbedingungen (hohe Temperatur/Vibration/Feuchtigkeit) konnten nicht simuliert werden.

Leistung: Im Labor bestanden, im tatsächlichen Betrieb jedoch nicht.

b. Gegenmaßnahmen

· Kompatibilitätsdesign: Vereinheitlichung der Komponentenstandards der Lieferanten.

· Kontrolle parasitärer Kapazitäten: Polyimid-Isolationsschicht hinzufügen und Layout durch SPICE-Simulation optimieren.

· Simulationstest für Arbeitsbedingungen: Führen Sie einen kombinierten Test durch: „Zyklus von -40 °C bis 85 °C + Vibration von 5 Hz bis 200 Hz + Spannungsfestigkeit“.

· Intelligente Überwachung: Integriertes Online-Isolationsüberwachungsmodul, KI prognostiziert potenzielle Risiken.

3-Isolationsspannungsprüfung

Die Isolationsspannungsprüfung ist sowohl eine Sicherheitsmaßnahme als auch eine mögliche Fehlerursache. Die Isolationsspannungsprüfung selbst kann aufgrund von unsachgemäßer Bedienung, Geräteproblemen oder Konstruktionsfehlern zu Fehlern führen und sogar Folgeschäden am zu prüfenden Gerät verursachen.

(1) Häufige Fehlerarten während der Prüfung

(2) Die Reaktionsstrategien lauten wie folgt:

a. Präzise Kontrolle der Testparameter

· Spannung und Zeit: gemäß den Standards einstellen; dynamischen Kompensationsalgorithmus für kapazitive Lasten (wie Batteriemodule) aktivieren, um den Effekt der Kapazitätserhöhung zu unterdrücken.

· Leckstromschwelle: gemäß den Gerätespezifikationen einstellen (wie ≤10 mA) und zwischen DC-/AC-Modi unterscheiden (DC-Tests erfordern eine niedrigere Schwelle).

b. Geräte- und Betriebsspezifikationen

· Instrumentenkalibrierung: Der Spannungsfestigkeitsprüfer wird alle 6 Monate kalibriert und die Isolationsschicht der Hochspannungsleitung wird täglich visuell überprüft.

· Sicherer Betrieb: Zwangstrennung von Niederspannungskreisen vor dem Testen; Verwendung von Roboterarmen oder automatischen Vorrichtungen, um manuellen Kontakt mit Hochspannungsbereichen zu vermeiden.

c. Fehlerverhütung und -behebung

· Segmentierte Tests: Testen Sie komplexe Systeme in Modulen (wie zuerst den Hochspannungsbus testen, dann die Modulisolierung testen), um den Ausfallpunkt zu lokalisieren.

· Reparatur von Fehlern: Füllen Sie den beschädigten Bereich nach dem Ausfall mit Epoxidharz aus. Nach der Reparatur muss der vollständige Spannungsgradiententest (z. B. 500 V → 1000 V Stufendruck) erneut durchgeführt werden.

d. Umgebungs- und Datenmanagement

· Umgebungskontrolle: Starten Sie den Luftentfeuchter, wenn die Luftfeuchtigkeit im Testbereich über 75 % liegt, oder verschieben Sie den Test, bis die Umgebung den Standards entspricht.

· Datenrückverfolgbarkeit: Zeichnen Sie die Testspannung, die Leckstromkurve und die Umgebungsparameter auf und verwenden Sie das MES-System, um die Produktionschargennummer zuzuordnen.

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Das Batteriewannen besteht hauptsächlich aus Isoliermaterialien, um Stromlecks zu verhindern, die Sicherheit des Personals zu schützen und den normalen Betrieb des Batteriesystems sicherzustellen. Bei der Auswahl müssen die Isoliereigenschaften, die Wärmebeständigkeit, die chemische Stabilität und die mechanische Festigkeit des Materials berücksichtigt werden. Diese Faktoren bestimmen zusammen die Anwendungswirkung des Isoliermaterials im Batteriewannen und wirken sich somit auf die Sicherheit und Zuverlässigkeit des gesamten Batteriesystems aus.

Teil 2 - Leistungsgarantie für Druckfestigkeit

Abbildung 1 Batteriewannen für Elektrofahrzeuge

1-Auswahl des Isoliermaterials und Lösungsdesign

Bei der Auswahl von Isoliermaterialien für Batteriewannen liegt der Schwerpunkt auf den dielektrischen Eigenschaften, der Umweltverträglichkeit und den mechanischen Eigenschaften der Materialien. Im Folgenden sind 6 häufig verwendete Isoliermaterialien in Batteriewannen und die dazugehörigen Informationen aufgeführt:

Bei der Entwicklung einer Lösung müssen wir im Allgemeinen die drei Schlüsselfaktoren Anwendungsszenario, Leistungsanforderungen und Kostenbudget umfassend berücksichtigen, um das geeignete Isoliermaterial auszuwählen. Beispiel:

(1) Auswahl entsprechend dem Anwendungsszenario: Wenn in einem Hochspannungs-, Hochstrom-Energiespeicherbatteriesystem die Seite des Batteriewannen Hochleistungsisolationsmaterial erfordert, wird empfohlen, die PI-Filmbefestigungslösung zu verwenden; wenn die Anforderungen an die Isolierleistung nicht hoch sind, kann die Isolierpulversprühlösung ausgewählt werden. Wenn für die Bodenplatte des Batteriewannen eine kostengünstige Isolierlösung gesucht wird, ist die Isolierpulversprühlösung oder die Isolierlackbeschichtungslösung besser geeignet.

(2) Auswahl entsprechend den Leistungsanforderungen: Wenn die Anforderungen an Isolierleistung, Hochtemperaturbeständigkeit, chemische Korrosionsbeständigkeit usw. hoch sind, ist die PI-Filmbefestigungslösung die bessere Wahl; wenn diese Leistungsanforderungen relativ niedrig sind, kann die Isolierpulversprühlösung oder die Isolierlackbeschichtungslösung den Anforderungen entsprechen.

(3) Auswahl entsprechend dem Kostenbudget: Wenn das Kostenbudget begrenzt ist, ist die Isolierpulversprühlösung oder die Isolierlackbeschichtungslösung wirtschaftlicher; Wenn das Kostenbudget ausreicht, kann die PI-Filmbefestigungslösung ausgewählt werden.

2-Technische Anforderungen an PI-Folie für Batteriewannen

(1) Material: PI, Dicke der Basisfolie 0,1–0,14 mm, Dicke des rückseitigen Klebstoffs 0,03 mm, Wärmeleitfähigkeit der PI-Folie > 0,3 W/(m·k);

(2) Druckfestigkeit: AC 3000 V, 60 S, Leckstrom ≤ 0,5 mA;

(3) (Kaltpaste) 180°-Abziehfestigkeit ≥ 15 N/24 mm;

(4) Isolierung: DC 1500 V, 60 S, Isolationswiderstand > 1000 MΩ;

(5) Wärme- und Elektrolytbeständigkeit der Isolierungsleistung: bei 500 °C, 700 V Gleichspannung, 2 ml Elektrolyt hinzufügen (Testfläche 13000 mm<H>2<H>), 1 Stunde lang aufbewahren, kein Durchschlag und keine Funkenbildung;

(6) Wärme- und Isolationsleistung: Bei 500 ± 2 °C wird das Backen (Muffelofen) 0,5 Stunden lang fortgesetzt. Die Gesamtmorphologie der Probe ändert sich ohne Selbstentzündung und die Probe besteht den Test zweimal. Auf die Oberfläche wird 1000 V Wechselstrom angelegt und die Spannung wird 10 Sekunden lang von 0 V auf 3000 V erhöht und dann 60 Sekunden lang fortgesetzt. Die getestete Probe weist keinen Durchschlag und keine Funkenbildung auf.

(7) Flammhemmungsgrad: UL94 V-0;

(8) Hohe Temperatur und hohe Luftfeuchtigkeit: Nach 1000 Stunden Test bei 85 °C und 85 % Luftfeuchtigkeit weist die Probe keine Risse und keine Verformungen auf und erfüllt den nationalen Standard „GBT 13542.6-2006 Elektrische Isolierfolie Teil 6: Polyimidfolie für elektrische Isolierung“ hinsichtlich Isolationswiderstand, Spannungsfestigkeit und Anforderungen an elektrische Festigkeit. Die Zugfestigkeit, Bruchdehnung und Schälfestigkeit sind im Vergleich zum nicht gealterten Material um weniger als 30 % reduziert;

(9) Hitze- und Kälteschock: 85 °C für eine Stunde, Umschaltung auf -40 °C für eine Stunde und dann Umschaltung auf 85 °C für Hoch- und Niedertemperaturzyklen. Die Umschaltungszeit beträgt eine Stunde und ≤ 3 Minuten. Nach 1000 Stunden Hoch- und Niedertemperaturzyklen weist die Probe keine Risse oder Verformungen auf und erfüllt den nationalen Standard „GBT 13542.6-2006 Elektrische Isolierfolie Teil 6: Polyimidfolie für elektrische Isolierung“ hinsichtlich Isolationswiderstand, Spannungsfestigkeit und Anforderungen an elektrische Festigkeit. Die Zugfestigkeit, Bruchdehnung und Schälfestigkeit sind im Vergleich zum nicht gealterten Material um weniger als 30 % reduziert.

(10) Salzsprühtest: Neutraler Salzsprühtest (NSS) nach GB/T 10125-Standard, Temperatur 35 °C, Luftfeuchtigkeit ≥ 85 % RH, Testlösung ist (5 ± 0,1 %) (Massenanteil) NaCl, pH = 6,5–7,2, kontinuierliches Sprühen für 72 Stunden. Nach dem Salzsprühtest weist die Probe keine Risse und keine Verformungen auf und erfüllt den nationalen Standard „GBT 13542.6-2006 Elektrische Isolierfolie Teil 6: Polyimidfolie für elektrische Isolierung“ hinsichtlich Isolationswiderstand, Spannungsfestigkeit und Anforderungen an elektrische Festigkeit. Zugfestigkeit, Bruchdehnung und Abziehfestigkeit sind im Vergleich zum ungealterten Material um weniger als 30 % reduziert.

(11) Das Produkt entspricht der RoHS-Richtlinie.

Abbildung 2 PI-Folie für Batteriewannen

3-Methoden für Isolationsspannungsprüfungen und Lösungen für häufige Probleme

(1) Methode für Isolationsspannungsprüfungen

Die Isolationsspannungsprüfung ist ein wichtiges Mittel zur Bewertung der Isolationsleistung elektrischer Geräte und umfasst hauptsächlich Gleichstrom- und Wechselstromspannungsprüfungen. Die Gleichstromspannungsprüfung erkennt, ob das Isoliermaterial innerhalb einer bestimmten Zeit durch Anlegen einer Gleichstromhochspannung zusammenbricht. Die Ausrüstung umfasst einen Gleichstromhochspannungsgenerator, ein Voltmeter usw. Die Schritte sind Anlegen, Beibehalten und Reduzieren der Spannung. Bei der Wechselstromspannungsprüfung wird Wechselstromhochspannung angelegt. Die Ausrüstung und Schritte sind denen der Gleichstromprüfung ähnlich. Beide Methoden erfordern eine Vorbereitung vor dem Test, um sicherzustellen, dass das Gerät gut geerdet ist und der Oberflächenzustand des Isoliermaterials während des Tests genau beobachtet wird.

(2) Häufige Probleme und Lösungen

Häufige Probleme bei der Isolationsspannungsprüfung sind Isolationsdurchschlag, übermäßiger Leckstrom und Ausfall der Testausrüstung. Isolationsdurchschlag kann durch unzureichende Leistung des Isoliermaterials, innere Defekte oder Feuchtigkeit verursacht werden. Lösungen umfassen die Auswahl hochwertiger Materialien, eine verstärkte Wartung und eine Verbesserung der Isolierstruktur. Übermäßiger Leckstrom kann durch verringerten Isolationswiderstand, Oberflächenverunreinigung oder unzureichende Genauigkeit der Prüfgeräte verursacht werden. Lösungen umfassen das Sauber- und Trockenhalten des Isoliermaterials und das Kalibrieren der Prüfgeräte. Ein Ausfall der Prüfgeräte kann durch Alterung der Geräte, unsachgemäße Wartung oder unsachgemäßen Betrieb verursacht werden. Lösungen umfassen regelmäßige Wartung, korrekten Betrieb und rechtzeitige Reparatur.

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Mit der rasanten Entwicklung von Fahrzeugen mit alternativer Energie und Energiespeichertechnologien haben die Sicherheit und Zuverlässigkeit von Batteriesystemen als zentrale Energieträger große Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Als Stütz- und Schutzstruktur des Batteriemoduls steht die elektrische Isolationsleistung des Batteriewannen in direktem Zusammenhang mit dem sicheren Betrieb des Fahrzeugs, der Batterielebensdauer und der persönlichen Sicherheit des Benutzers. Das elektrische Sicherheitsdesign des Batteriewannen ist der Eckpfeiler der Sicherheit des Batteriesystems. Durch mehrstufigen Schutz wie Isolierung, Struktur, Wärme und Überwachung gewährleistet es einen stabilen Betrieb der Batterie unter komplexen Arbeitsbedingungen, verringert das Risiko von Feuer, Explosion oder Stromschlag durch elektrische Störungen, verlängert die Batterielebensdauer und verbessert die Systemzuverlässigkeit.

Dieser Artikel konzentriert sich auf die elektrische Isolationssicherheit von Batteriewannen und erläutert systematisch deren Konstruktionsprinzipien, die Überprüfungsmethode der Druckfestigkeitsleistung sowie die Ursachenanalyse und Verbesserungsstrategien für typische Fehlerfälle, um theoretische Unterstützung und praktische Referenz für das hochsichere Design von Batteriesystemen zu bieten.

Teil 1: Designgrundlagen

Der Kern des elektrischen Sicherheitsdesigns des Batteriesystems liegt in der Dreifaltigkeit „Prävention-Kontrolle-Notfall“: Vermeidung von Ausfällen durch Isolierung, zuverlässige Verbindung, Wärmemanagement und andere Maßnahmen; Erreichen einer Echtzeitsteuerung mithilfe von Sensoren und BMS; Einsatz von Brandschutz, Druckentlastung und anderen Designs zur Bewältigung extremer Situationen. Alle wichtigen Punkte müssen zusammenarbeiten, um die Sicherheit und Zuverlässigkeit des Batteriesystems während seines gesamten Lebenszyklus zu gewährleisten und gleichzeitig Wartungsfähigkeit und Konformität zu berücksichtigen. Das Batteriewannen ist nicht nur eine strukturelle Stütze im Batteriesystem, sondern hat auch mehrere Funktionen wie elektrische Isolierung, Wärmemanagement, Rutschfestigkeit, mechanischen Schutz, Erdung und modulares Design, was für die Gewährleistung der elektrischen Sicherheit des Batteriesystems von entscheidender Bedeutung ist.

1-Strukturelle Unterstützung gewährleistet die Zuverlässigkeit der elektrischen Verbindung

Das Batteriewannen gewährleistet die Zuverlässigkeit und Sicherheit elektrischer Verbindungen unter komplexen Arbeitsbedingungen, indem es Batteriemodule fixiert, mechanische Belastungen reduziert, Vibrationen und Stößen standhält, die Ausrichtung beibehält und Umweltschutz und Wärmemanagement integriert.

Abbildung 1 Batteriewannen

A.Physische Unterstützung und Fixierung gewährleisten die präzise Ausrichtung elektrischer Verbindungspunkte (wie Sammelschienen, Kabelbäume und Steckverbinder), um schlechten Kontakt durch strukturelle Verformung oder Verschiebung zu vermeiden; bieten einen starren Rahmen zur Befestigung von Batteriemodulen und Steckverbindern, um ein Lösen oder Brechen durch Vibration oder Stöße zu verhindern.

B.Umweltisolierung und -schutz: Verhinderung des Eindringens von Wasserdampf, Staub, Salznebel usw. durch Dichtungsdesign (wie IP67/IP68), Vermeidung von Kurzschlüssen durch Korrosion oder Isolationsfehler; Blockierung externer mechanischer Stöße oder Fremdkörpereinwirkung, um Hochspannungsverbindungskomponenten zu schützen.

C.Synergie des Wärmemanagements: Integrierte Wärmeableitungsstruktur (wie Flüssigkeitskühlplatte, Wärmeleitpad) gleicht die Temperatur aus, um zu verhindern, dass lokale Überhitzung zu Oxidation oder Verschweißen der Verbindungspunkte führt; Reduzierung der thermischen Interferenz zwischen benachbarten Modulen durch Wärmeisolationsdesign, um Materialausdehnungsunterschiede durch Temperaturgradienten zu vermeiden.

D.Unterstützung der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV): Unterdrückung elektromagnetischer Interferenzen durch Metallabschirmschicht oder leitfähige Beschichtung, um Niederspannungssignalleitungen (wie BMS-Kommunikationsleitungen) vor Hochspannungsschaltungsinterferenzen zu schützen.

2-Isolationsschutz schafft eine effiziente Isolationsumgebung

Der Schwerpunkt des Designs der elektrischen Batterieisolierung liegt auf der Schaffung einer Umgebung, die Hochspannungsstrom wirksam isolieren und einen effizienten Betrieb des Systems gewährleisten kann. Dadurch wird sichergestellt, dass das Batteriemodul unter allen Betriebsbedingungen sicher verpackt werden kann, eine versehentliche Freisetzung elektrischer Energie verhindert und somit potenzielle elektrische Risiken vermieden werden.

A.Bei der Konstruktion des Batteriewannen wird sowohl die Tragfähigkeit als auch der Isolationsschutz berücksichtigt:

l Aluminiumlegierungen, wie beispielsweise extrudierte Aluminiumlegierungen, werden bevorzugt, um ein geringes Gewicht bei gleichzeitig hoher Steifigkeit und Schlagfestigkeit zu erreichen. Der Außenrahmen trägt das Gewicht des gesamten Batteriesystems und äußere Stöße. Profile mit geschlossenem Querschnitt werden verwendet, um die strukturelle Festigkeit zu verbessern. Der Innenrahmen ist so konzipiert, dass er Batteriemodule und wassergekühlte Platten usw. trägt, um deren Stabilität und Wärmeableitungsanforderungen sicherzustellen.

l Isoliermaterialien werden als Polster oder Beschichtungen verwendet, um eine gute elektrische Isolierung zwischen dem Batteriemodul und dem Träger sicherzustellen. Der Hochspannungskabelbaum sollte über einen eigenen Managementpfad und eine Isolierhülle verfügen, um den elektrischen Abstand und die Kriechstrecke zum Träger sicherzustellen.

l Fortschrittliche Schweißtechnologien wie Rührreibschweißen werden verwendet, um die Verbindungsfestigkeit zu verbessern und gleichzeitig wärmebeeinflusste Zonen zu reduzieren, wodurch Verformungen und potenzielle Risse vermieden werden. Für Teile, die sich nur schwer schweißen lassen, werden Bolzenverbindungen oder Nieten in Kombination mit Dichtungsmitteln verwendet, um die Zuverlässigkeit mechanischer Verbindungen und die elektrische Isolierung sicherzustellen.

l Bei der Konstruktion wird die Modularität berücksichtigt, um den Batteriewechsel und die Wartung zu erleichtern, ohne die Stabilität der Gesamtstruktur zu beeinträchtigen.

Abbildung 2 Schematische Darstellung der elektrischen Luft- und Kriechstrecke

B.Wichtige Punkte beim Design der Hoch- und Niederspannungsisolation:

l Die positiven und negativen Punkte des Batteriesystems müssen vom Niederspannungsversorgungssystem und dem Batteriewannen isoliert werden, um sicherzustellen, dass zwischen dem Hochspannungskreis und dem Niederspannungssteuerkreis ausreichend elektrische Abstände und Kriechstrecken vorhanden sind, um die Sicherheitsstandards zu erfüllen und ein Abfließen von Hochspannung in das Niederspannungssystem zu verhindern.

l Das Design der Hoch-Niederspannungsisolation muss die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) berücksichtigen, um sicherzustellen, dass die Isolationsmaßnahmen keine Störungen verursachen und das System stabil läuft.

l Hochohmige Verbindung, die Hoch- und Niederspannungssysteme sind über eine hohe Impedanz verbunden, und nur die Fahrzeugkarosseriemasse (Batteriewannen) darf den Stromfluss begrenzen, um sicherzustellen, dass sich der Fehler im Hochspannungssystem auf das Niederspannungssystem ausbreitet.

l Physikalische Isolationsmaßnahmen: Beim Design des Batteriewannen können die Hochspannungs- und Niederspannungskomponenten in verschiedenen geschlossenen Kammern angeordnet werden, um die gegenseitige Beeinflussung durch physische Trennung zu verringern; verwenden Sie Isoliermaterialien als Polster zwischen dem Batteriemodul und dem Batteriewannen, wie z. B. Polymerkunststoffe oder Gummi, um eine physische und elektrische Isolation zu gewährleisten.

l Berücksichtigen Sie bei der Konstruktion die Wartbarkeit der Isolationsmaßnahmen, um sicherzustellen, dass sie bei Bedarf sicher repariert oder ersetzt werden können.

C.Wichtige Punkte bei der Gestaltung des Berührungsschutzes:

l Hochspannungskabelbaummanagement: Hochspannungskabelbäume sollten ordnungsgemäß in Isolierhüllen eingewickelt und ordentlich durch Befestigungsklammern oder Kabelkanäle geführt werden, um Freilegung zu vermeiden und das Risiko eines direkten Kontakts zu verringern.

l Sicherheitstrennwände: Zwischen Batteriemodulen und zwischen Batteriemodulen und Batteriewannen werden Isoliertrennwände angebracht, um das Risiko eines indirekten Stromschlags durch austretenden Elektrolyt bei beschädigter Batterie zu verhindern.

l Verpackung von Hochspannungskomponenten: Schlüsselkomponenten wie Hochspannungsanschlüsse und Relais werden so verpackt, dass diese Komponenten auch im Fach nicht versehentlich direkt berührt werden.

l Geschlossenes Design: Das Batteriewannen ist insgesamt als geschlossene Struktur konzipiert und verwendet eine Metall- oder Verbundschale, um sicherzustellen, dass die internen Hochspannungskomponenten nicht freiliegen. Die Schale selbst muss außerdem gute Isoliereigenschaften aufweisen.

l Verriegelungsmechanismus: Für wartungsfähige Hochspannungsanschlusspunkte wird ein Verriegelungsmechanismus verwendet, um sicherzustellen, dass sie bei nicht professionellen Vorgängen nicht leicht geöffnet werden können, wodurch das Risiko eines versehentlichen Kontakts verringert wird.

l Anwendung von Isoliermaterial: Isoliermaterialien werden als Isolierschicht zwischen dem Batteriewannen und dem Batteriemodul verwendet, um sicherzustellen, dass selbst bei einer Beschädigung des Batteriewannen der direkte Kontakt des menschlichen Körpers mit stromführenden Teilen verhindert werden kann. Zu diesen Materialien zählen unter anderem Polymerkunststoffe, Gummidichtungen oder Beschichtungen.

3-Elektrisches Logo-Design

Durch die elektrische Kennzeichnung des Batteriewannen kann nicht nur die Betriebssicherheit verbessert werden, sondern auch der Wartungsvorgang vereinfacht und die Gefahr von Fehlbedienungen verringert werden.

A.Eindeutige Kennzeichnung

l Markieren Sie Warnschilder wie „Hochspannungsgefahr“ und „Nicht berühren“ deutlich auf dem Batteriewannen und den umliegenden Hochspannungskomponenten, um eine schnelle Identifizierung auch im Notfall zu gewährleisten.

l Verwenden Sie international anerkannte Farbcodierungen, wie Rot oder Orange zur Kennzeichnung von Hochspannungsbereichen und Blau für Gleichstrom, um verschiedene elektrische Eigenschaften intuitiv unterscheiden zu können.

l Verwenden Sie standardisierte elektrische Sicherheitssymbole, wie die grafischen Symbole in IEC 60417, um Hochspannung, Erdung, Stromausschaltpunkte usw. anzuzeigen, um eine globale Verständlichkeit der Informationen sicherzustellen.

l Fügen Sie die Seriennummer, das Produktionsdatum und die Chargeninformationen des Batteriewannen hinzu, um eine einfache Nachverfolgung und Rückrufverwaltung zu ermöglichen.

l Wählen Sie verschleißfeste und korrosionsbeständige Materialien und Drucktechnologien, um sicherzustellen, dass das Etikett während des gesamten Lebenszyklus des Batteriewannen klar und lesbar bleibt.

B.Warnsignale

l Gefahren durch Hochspannung sind auf dem Batteriewannen und in den umliegenden Bereichen deutlich gekennzeichnet, um das Wartungspersonal daran zu erinnern, auf die elektrische Sicherheit zu achten und die Betriebsverfahren einzuhalten.

l Geben Sie sichere Betriebsabstände an, insbesondere in der Nähe von Hochspannungsanschlüssen und exponierten Stellen, um die Personen daran zu erinnern, einen angemessenen Abstand einzuhalten.

C.Bedienungsanleitung

l Markieren Sie die Erdungsstellen des Batteriesystems und des Batteriewannen deutlich, um eine ordnungsgemäße Umsetzung der Erdungsmaßnahmen sicherzustellen.

l Identifizieren Sie sichere Testpunkte und Wartungszugangspunkte, die für den Betrieb bei niedriger Spannung oder ohne Stromversorgung ausgelegt sein sollten.Grundlegende Betriebs- und Sicherheitsanweisungen können in nicht kritischen Bereichen des Batteriewannen kurz aufgeführt werden, um den korrekten Betriebsablauf zu leiten.

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Die beliebtesten Wasserblöcke sind grundsätzlich Mikrokanal-Wasserblöcke aus reinem Kupfer. Die Kupferbodenplatte wird direkt mit Schälen bearbeitet und die Lamellen sind in die Bodenplatte integriert, um den Wärmewiderstand zu verringern. Die Bodenplatte und die Deckplatte werden gelötet oder diffundiert, um die Zuverlässigkeit der Abdichtung zu gewährleisten.

Teil 3: Die Hauptkostenstruktur von Wasserblöcken, die im Schälverfahren hergestellt werden

1- Vorteile des Schälprozesses zur Herstellung von Wasserkühlerblöcken

l Integriertes Design: Der Schälprozess kann Boden und Lamellen integrieren, was hilfreich ist, um den thermischen Kontaktwiderstand zu verringern und die Wärmeleitfähigkeit zu verbessern. Darüber hinaus kann das integrierte Design von Bodenplatte und Lamellen auch die strukturelle Festigkeit verbessern.

l Hochpräzise Verarbeitung: Der Schälprozess kann eine sehr feine Zahnstruktur erzeugen, und Zahnhöhe, Zahndicke und Zahnteilung können präzise gesteuert werden, wodurch die Kühlrippen dichter, die Wärmeableitungsfläche größer und die Wärmeableitung effizienter wird. Gleichzeitig können auch die individuellen Anforderungen verschiedener Kunden hinsichtlich Form, Größe usw. besser erfüllt werden.

l Die Produktionseffizienz ist hoch und der Schälprozess kann in Massenproduktion hergestellt werden. Im Vergleich zu herkömmlicher CNC kann der Schälprozess mehrere Zahnradteile gleichzeitig verarbeiten, was die Produktionseffizienz erheblich verbessert.

Abbildung 1: Wasserblockbasis mit verschiedenen Verarbeitungstechnologien a-Skiving b-CNC c-Kaltschmieden

2- Kostenstruktur des Skiving-Wasserblocks

l Entwicklungs- und Herstellungskosten: Die Designkomplexität des Skiving-Wasserblocks ist relativ hoch, insbesondere wenn hohe Anforderungen an die Wärmeabfuhrleistung gestellt werden, was eine komplexe Prozessgestaltung und -optimierung erfordert.  

l Materialkosten: Die im Skiving-Prozess verwendeten Materialien sind hauptsächlich Aluminium und Kupferlegierung. Das Design, das Aluminiumplatten und Kupferlegierungen kombiniert, ist in der Radiatorherstellung gängiger und bietet ein besseres Kosten-Nutzen-Verhältnis, sodass die Qualität von Aluminium und Kupfer die Kosten direkt beeinflusst.  

l Bearbeitungskosten:

Kosten des Zahnradschneideprozesses: Beim Zahnradschneideprozess kommen hochpräzise CNC-Bearbeitungsmaschinen zum Einsatz, beispielsweise dreiachsige CNC-Werkzeugmaschinen. Der Einsatz derartiger Geräte erfordert hohe Investitionskosten und stellt zudem hohe technische Anforderungen an die Bediener, was die Produktionskosten erhöht.

Kosten des Schweißprozesses: Im Fertigungsprozess von Wasserblöcken ist der Schweißprozess ebenfalls ein wichtiger Kostenfaktor. Vakuumlöten und Diffusionsschweißen sind zwei gebräuchliche Schweißmethoden. Das Löten kann mehrere Verbindungen gleichzeitig herstellen, hat eine hohe Produktions-effizienz, erfordert Lötmaterialien, hat hohe Anforderungen an die Prozessbedingungen und die Qualitätskontrolle ist schwierig; die Ausrüstung für das Diffusionsschweißen hat eine hohe einmalige Investition, und das Diffusionsschweißen benötigt keine Füllstoffe, hat jedoch hohe Anforderungen an die Oberflächenbearbeitung des Werkstücks.  

Kosten der Oberflächenbehandlung: Zu den gängigen Methoden der Oberflächenbehandlung gehören Eloxieren, Beschichten usw. Bei Wasserblöcken aus Aluminiumlegierungen kann das Eloxieren die Oberflächenhärte, Abriebfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit verbessern und gleichzeitig die Ästhetik des Produkts erhöhen; Kupferwasserblöcke werden beschichtet, z.B. mit Nickel, um Oxidation und Korrosion des Kupfers zu verhindern und die Lebensdauer und Zuverlässigkeit des Produkts zu erhöhen.

l Sonstige Kosten: Inspektion und Prüfung, Verpackung und Transport usw.

3-Vorschläge zur Kostenoptimierung

l Optimierung des Materialeinsatzes

Wählen Sie das richtige Material: Kupfer hat beispielsweise eine hohe Wärmeleitfähigkeit, eine hohe Stückdichte und einen hohen Stückpreis; Aluminium ist leicht, hat einen niedrigen Stückpreis und eine etwas schlechte Wärmeleitfähigkeit.

Materialeinsatz: Sorgen Sie für einen effizienten Materialeinsatz und reduzieren Sie Materialabfall, indem Sie Materialstärke und -spielraum genau berechnen.

Abbildung 2: Schematische Darstellung der Materialverbrauchsberechnung

l Optimierung von Produktionsprozessen

Formen vereinfachen: Entwerfen Sie einfache Formen, um die Komplexität und Kosten der Formen zu reduzieren.

Reduzieren Sie die Ausschussrate: Reduzieren Sie die Ausschussrate durch präzise Prozesskontrolle und Qualitätskontrolle.

Formen in einem Schritt: Optimieren Sie Prozessabläufe, reduzieren Sie mehrere Verarbeitungsschritte und verbessern Sie die Produktionseffizienz.

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Als Schlüsselkomponente des Flüssigkeitskühlsystems muss das Design des Wasserblocks mehrere Faktoren berücksichtigen, wie Wärmeaustauschleistung, strukturelle Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Leckagefestigkeit und Kostenkontrolle. Der Wasserblock ist normalerweise mit einer komplexen Wärmeaustauschschlitzstruktur (d. h. Strömungskanal) ausgestattet, und die Qualität seines internen Strömungskanaldesigns bestimmt direkt die Wärmeaustauscheffizienz des gesamten Systems.

Teil 2: Wasserblockdesign, Verarbeitungstechnologie und Herausforderungen

1-Designanforderungen für Wasserblöcke in verschiedenen Szenarien

l Hochleistungs-Computing:

Hochleistungs-Computing-Geräte (wie Hochleistungs-CPUs, GPUs usw.) erzeugen während des Betriebs viel Wärme, daher muss der Wasserblock über effiziente Wärmeableitungsfähigkeiten verfügen. Um die Anforderungen an die Wärmeableitung mit hoher Wärmestromdichte zu erfüllen, verwendet der Wasserblock normalerweise ein hochdichtes Mikrokanaldesign, um die Wärmeaustauschfläche zu vergrößern und die Wärmeableitungseffizienz zu verbessern. Darüber hinaus integrieren einige Designs den Wasserblock direkt auf der CPU, wodurch der Schritt des Auftragens von Silikonfett entfällt, was nicht nur den Montageprozess vereinfacht, sondern auch die Wärmeableitungsleistung weiter verbessert. In Bezug auf die Zuverlässigkeit muss der Wasserblock eine hervorragende Abdichtungsleistung aufweisen, um Leckagen zu verhindern und einen langfristig stabilen Betrieb zu gewährleisten.

l Kühlung der Grafikkarte:

Grafikkarten sind Bereiche, die viel Wärme erzeugen. Daher muss der Wasserblock ein Design haben, das die gesamte Wärme abdichtet, damit alle wärmeerzeugenden Komponenten auf der Grafikkarte effektiv gekühlt werden können. Gleichzeitig erfordert die Kühlung der Grafikkarte eine hohe Durchflussrate des Kühlmittels. Daher muss die innere Struktur des Wasserblocks eine hohe Durchflussrate unterstützen, um die Wärme schnell abzuführen.

l Rechenzentrum:

In Rechenzentren muss die strukturelle Gestaltung von Wasserblöcken mehrere Anforderungen erfüllen, wie etwa effiziente Wärmeableitung, geringe Geräuschentwicklung, hohe Zuverlässigkeit, Anpassungsfähigkeit an hohe Leistungsdichte, intelligentes Management und Anpassungsfähigkeit an die Umgebung, um einen stabilen Betrieb und eine effiziente Wärmeableitung von Rechenzentren zu gewährleisten.

2- Entwicklungstrend der Wasserblockstruktur

Der Entwicklungstrend des Wasserblockstrukturdesigns spiegelt das duale Streben nach technologischer Innovation und Leistungsverbesserung wider, was sich hauptsächlich in den folgenden Aspekten widerspiegelt:

l Verbesserte Wärmeableitungsleistung:

Kontaktfläche vergrößern: Einige Wasserblockdesigns verbessern die Wärmeableitungsleistung, indem sie die Kontaktfläche mit dem Heizelement vergrößern. Beispielsweise kann ein großflächiges Kupferbasisdesign einen guten Kontakt und eine gute Wärmeleitung erreichen.

Optimieren Sie die interne Struktur: Optimieren Sie den internen Wasserkanal. Eine Idee besteht darin, den Flüssigkeitsfluss zu optimieren, beispielsweise durch den Wechsel von gewöhnlichen Lamellen zu Lenklamellen, wodurch ein langer Streifenströmungskanal entsteht, die Trennung der Strömungsgrenzschicht gefördert, die Dicke der Grenzschicht verringert und die Wärmeaustauscheffizienz verbessert wird. Eine andere Idee besteht darin, die Wärmekapazitätsfläche zu vergrößern, beispielsweise durch den Wechsel von herkömmlichen groben Wasserkanälen zu einem Mikrokanaldesign, wodurch die Kontaktfläche zwischen dem Kühlmittel und der Grundplatte erheblich vergrößert und die Wärmeableitungseffizienz verbessert wird. Bei einigen Designs wird das Kühlmittel durch eine Führungsplatte auf die Mikrokanalgrundplatte gesprüht, um die lokale Strömungsgeschwindigkeit und Turbulenz zu erhöhen und die Wärmeabsorptionseffizienz erheblich zu verbessern.

l Integriertes und intelligentes Design:

Integriertes Design: Das integrierte Design integriert Wasserpumpe, Kühlrippen, Wärmeleitbasis und andere Komponenten miteinander, um die Anzahl der Verbindungspunkte zu reduzieren und die Systemstabilität und Wärmeableitungseffizienz zu verbessern.

Multifunktionale Integration: Neben der Wärmeableitungsleistung verfügen moderne Wasserblöcke auch über Temperaturanzeige- und Überwachungsfunktionen.

Modulares Design: Die modulare Schnallenstruktur verbessert den Komfort und die Organisationsfreiheit.

Abbildung 1: Wasserblocksockel mit unterschiedlichen Lamellenstärken

l Hochleistungsmaterialien und -oberflächen:

Die Verwendung von Hochleistungsmaterialien wie reinem Kupfer in Kombination mit Oberflächenbehandlungstechnologien wie Vernickeln verbessert die Wärmeleitfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit.

3-Verarbeitungstechnologie und Herausforderungen

l Materialeigenschaften beeinflussen die Verarbeitung:

Probleme mit Härte und Zähigkeit des Materials: Heizkörper aus verschiedenen Materialien wie Kupfer, Aluminium und deren Legierungen weisen unterschiedliche Härte und Zähigkeit auf und stellen unterschiedliche Anforderungen an die Werkzeuge und Prozesse der Verarbeitung. Materialien mit höherer Härte verschleißen schneller und erfordern häufigere Werkzeugwechsel; Materialien mit besserer Zähigkeit neigen beim Schneiden zu Verformungen und Graten.

Die Verarbeitung von Kupfer-Aluminium-Verbundwerkstoffen ist komplex: Schaufelzahn-Kühlkörper aus Kupfer-Aluminium-Verbundwerkstoffen müssen zunächst mithilfe der Strangguss-Halbschmelzpresstechnologie zu Verbundwerkstoffen verarbeitet werden, und dann wird eine Schaufelzahnverarbeitung durchgeführt. Der Prozess ist komplizierter und erfordert eine höhere Präzision der Geräte und Prozesse.

l Hohe Anforderungen an die Maßgenauigkeit

Es ist schwierig, die Konsistenz von Zahnhöhe und -dicke sicherzustellen: Bei einigen hochdichten Zahnkühlkörpern müssen Höhe und Dicke jedes Zahns sehr konsistent sein, um die Leistung und Gleichmäßigkeit des Kühlkörpers sicherzustellen. Wenn der Unterschied in Zahnhöhe und Zahndicke zu groß ist, führt dies zu einer ungleichmäßigen Wärmeübertragung und beeinträchtigt den Wärmeableitungseffekt. Während der Verarbeitung sind hochpräzise Geräte und automatisierte Steuerungssysteme erforderlich, um sicherzustellen, dass die Spezifikationen jedes Zahns konsistent sind.

Es ist schwierig, den Zahnabstand zu kontrollieren: Wenn die Zähne auf dem Kühlkörper zu dicht sind, erschweren ihre Dichte und ihr Abstand den Verarbeitungsprozess, und die Verarbeitungsgeräte müssen schneller und präziser sein, um die Gleichmäßigkeit der Zähne aufrechtzuerhalten. Wenn beispielsweise der Zahnabstand zu klein ist, ist das Werkzeug beim Schneiden anfällig für Störungen, was die Verarbeitungsgenauigkeit und Oberflächenqualität beeinträchtigt.

l Strenge Anforderungen an die Oberflächenqualität

Gratproblem: Während der Verarbeitung entstehen leicht Grate, die nicht nur die Ästhetik des Heizkörpers beeinträchtigen, sondern auch den Luftstrom behindern und die Wärmeableitung verringern können. Die Entstehung von Graten kann durch geringe Materialschneidegenauigkeit, Verschleiß der Verarbeitungswerkzeuge usw. verursacht werden und muss durch entsprechende Entgratungsprozesse behoben werden.

Oberflächenrauheit: Die Oberflächenrauheit des Heizkörpers beeinträchtigt seine Wärmeableitungsleistung und die nachfolgenden Oberflächenbehandlungseffekte. Eine übermäßige Oberflächenrauheit erhöht den Widerstand gegen den Luftstrom und verringert die Wärmeableitungseffizienz. Um die Rauheit zu verringern, ist eine zusätzliche Oberflächenbehandlung erforderlich, was die Verarbeitungskosten und -zeit erhöht.

l Hohe Anforderungen an Verarbeitungsgeräte und -prozesse

Genauigkeit und Stabilität der Geräte: Das Zahnradschaufeln erfordert eine hochpräzise Zahnradschaufelmaschine, und die Genauigkeit der Geräte wirkt sich direkt auf die Maßgenauigkeit und Oberflächenqualität der Zähne aus. Gleichzeitig muss das Gerät eine gute Stabilität aufweisen, um die Maßkonsistenz während der Langzeitverarbeitung sicherzustellen.

Werkzeugauswahl und -verschleiß: Geeignete Werkzeuge sind entscheidend für die Verarbeitungsqualität. Das Material, die geometrischen Parameter usw. des Werkzeugs müssen entsprechend den Materialeigenschaften ausgewählt werden. Während des Verarbeitungsprozesses führt Werkzeugverschleiß zu erhöhter Schnittkraft, verringerter Maßgenauigkeit und erhöhter Oberflächenrauheit, und das Werkzeug muss rechtzeitig angepasst oder ausgetauscht werden.

Vorschubgeschwindigkeit und Schnitttiefe: Unangemessene Einstellungen von Vorschubgeschwindigkeit und Schnitttiefe können leicht zu Verarbeitungsfehlern führen. Wenn die Vorschubgeschwindigkeit zu hoch und die Schnitttiefe zu groß ist, wird das Werkzeug überlastet, was zu einem Werkzeugreißen, Werkzeugspringen, Werkzeugabfall usw. führt, was die Verarbeitungsgenauigkeit und Oberflächenqualität beeinträchtigt.

Abbildung 2: Schälprozess

l Hohe Anpassungsanforderungen

Verschiedene Anwendungsszenarien stellen unterschiedliche Anforderungen an Größe, Form, Zahnhöhe, Zahndicke, Zahnabstand und andere Parameter des Kühlers, die entsprechend den spezifischen Anforderungen angepasst werden müssen. Dies erfordert vom verarbeitenden Hersteller flexible Prozessanpassungsmöglichkeiten und umfassende Erfahrung, um den unterschiedlichen Anpassungsanforderungen gerecht zu werden.

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Angesichts des rasanten Wachstums der Rechenleistung künstlicher Intelligenz weltweit und der kontinuierlichen Steigerung der thermischen Leistungsaufnahme (TDP) von Chips steht der Kühlbedarf von Rechenzentren vor beispiellosen Herausforderungen. Gleichzeitig haben die immer strengeren Energiespar- und CO2-Reduktionsrichtlinien auf der ganzen Welt die Innovation der Kühltechnologie weiter gefördert. In diesem Zusammenhang wird es für herkömmliche Luftkühlungslösungen zunehmend schwieriger, die doppelte Anforderung einer effizienten Wärmeableitung und Energieeinsparung zu erfüllen. Die Flüssigkeitskühlungstechnologie gewinnt aufgrund ihrer hervorragenden Wärmeableitungsleistung und erheblichen Energiesparvorteile schnell an Bedeutung und wird zur gängigen Wahl für Kühllösungen in Rechenzentren. Als Kerngerät für die Datenverarbeitung und -speicherung stehen die Leistung und Stabilität des Servers in direktem Zusammenhang mit der Betriebseffizienz des gesamten Systems. Die Kernkomponenten des Servers – einschließlich Motherboard, CPU, Speicher, Festplatte und Grafikkarte – erzeugen bei kontinuierlichem Hochlastbetrieb viel Wärme. Wenn die Wärme nicht rechtzeitig und effektiv abgeführt werden kann, beeinträchtigt dies die Leistung und Lebensdauer des Servers erheblich. Zu diesem Zweck wurden moderne Flüssigkeitskühlsysteme in Serverkühllösungen eingeführt und direkt an den Hauptwärmequellen wie CPUs und Grafikkarten installiert, um die Effizienz der Wärmeableitung deutlich zu verbessern.

Teil 1: Struktur und Funktionsprinzip des Wasserblocks

Eine der Kernkomponenten des Flüssigkeitskühlsystems ist der Wasserblock, der normalerweise aus Kupfer- oder Aluminiummaterialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit besteht und mit präzisen Wasserkanälen und Kühlkörperstrukturen ausgestattet ist. Diese Wasserblöcke passen eng an die Oberfläche von Wärmequellen wie CPUs und GPUs und absorbieren und übertragen schnell Wärme durch das im Inneren zirkulierende Kühlwasser. Die Wärme wird dann zum Kühlkörper transportiert, der dann durch das Wasserkühlsystem zirkuliert und schließlich in die Umgebungsluft abgegeben wird.

Abbildung 1: Trends beim thermischen Stromverbrauch von Chips bei den wichtigsten Chipherstellern

1- Gängige Wasserblocktypen und -eigenschaften

l Mikrokanal-Wasserblock

Merkmale: Der Mikrokanal-Wasserblock verfügt über ein präzises Mikrowasserkanal-Design. Die Wasserkanalstruktur ist fein und komplex, wodurch die Kontaktfläche zwischen dem Kühlmittel und den wärmeerzeugenden Komponenten erheblich vergrößert werden kann, wodurch die Wärmeableitungseffizienz erheblich verbessert wird. Das Mikrowasserkanal-Design kann während des Kühlmittelflusses auch einen starken Turbulenzeffekt erzeugen, wodurch der Konvektionswärmeübertragungskoeffizient weiter verbessert und eine effiziente Wärmeübertragung erreicht wird.

Anwendungsszenarien: Es eignet sich besonders für CPUs und GPUs mit hoher Wärmeerzeugung, insbesondere in Hochleistungscomputern, beim Übertakten und in Rechenzentren, die extrem hohe Anforderungen an die Wärmeableitung stellen.

l Wasserblock mit großem Durchfluss

Merkmale: Die interne Struktur von Hochdurchfluss-Wasserkühlern ist relativ einfach und besteht normalerweise aus Kupferplatten oder geätzten Rillen, was die Herstellungskosten niedrig hält. Ihr Hauptvorteil liegt darin, dass sie durch den schnellen Wasserfluss Wärme effizient abführen, was sie ideal für den Einsatz in Hochdurchfluss-Wasserkühlsystemen macht. Obwohl die Struktur einfach ist, macht ihre hohe Kühlleistung sie zu einer äußerst kosteneffizienten Wahl.  

Anwendungsszenarien: Geeignet für Szenarien, in denen eine gewisse Kühlleistung gefordert ist, aber das Budget begrenzt ist, wie zum Beispiel bei mittel- bis hochpreisigen DIY-PC-Systemen oder kleinen bis mittelgroßen Server-Clustern.

l Einspritztyp-Wasserblock

Merkmale: Der Jet-Wasserkühlblock sprüht das Kühlmittel aus einer schmalen Düse mit hoher Geschwindigkeit durch die Führungsplatte auf die Mikrokanal-Bodenplatte, wodurch ein starker Turbulenzeffekt entsteht und die Wärmeableitungseffizienz deutlich verbessert wird. Dieses Design vergrößert nicht nur die Kontaktfläche zwischen Kühlmittel und Basis, sondern optimiert auch die Wärmeaustauschleistung durch Hochgeschwindigkeitsfluss weiter.

Anwendungsszenarien: Geeignet für Hochleistungs-CPUs und GPUs, insbesondere bei hohen Anforderungen an die Wärmeableitung und Szenarien mit hohem Durchfluss, wie z. B. Übertaktungsberechnungen, Training künstlicher Intelligenz und Grafik-Rendering.

2-Allgemeine Struktur des Wasserblocks

Ein Wasserblock ist ein Metallblock mit Wasserkanälen im Inneren, der normalerweise aus Kupfer oder Aluminium besteht. Er kommt nicht mit der CPU, der Grafikkarte oder anderen wärmeerzeugenden Geräten in Kontakt. Sein strukturelles Design bestimmt direkt die Qualität der Wärmeableitungsleistung. Ein typischer Wasserblock besteht normalerweise aus den folgenden Hauptteilen:

l Die Basis besteht normalerweise aus Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit wie Kupfer oder Aluminiumlegierungen und die Oberfläche ist fein verarbeitet, um einen engen Kontakt mit den wärmeerzeugenden Komponenten sicherzustellen. Die Basis ist mit einem komplexen Strömungskanaldesign ausgestattet, um die Kontaktfläche zwischen dem Kühlmittel und der Basis zu vergrößern.

l Die Abdeckplatte bildet zusammen mit der Basis einen Strömungskanal-Abdichtungshohlraum, um den Strömungskanal, die Dichtung und andere Komponenten im Inneren des Wasserblocks vor Staub, Verunreinigungen und äußeren physikalischen Schäden zu schützen.

l Der Wassereinlass und -auslass sind die Schnittstellen für das Kühlmittel, um in den Wasserkühlkopf einzutreten und ihn zu verlassen. Sie sind im Allgemeinen seitlich oder oben am Wasserkühlkopf angebracht, um sicherzustellen, dass das Kühlmittel reibungslos ein- und ausfließen kann. Bei der Positionsgestaltung muss der Strömungsweg der Flüssigkeit berücksichtigt werden, um den Strömungswiderstand zu verringern und die Strömungsrate des Kühlmittels zu erhöhen.

l Mithilfe von Clips lässt sich der Wasserkühlkopf fest an der CPU oder anderen wärmeerzeugenden Komponenten befestigen, um einen festen Halt und eine effiziente Wärmeleitung zu gewährleisten.

Abbildung 2: Typischer Aufbau eines Wasserblocks

3- Umfassende Optimierung der Wärmeableitungsleistung

l Optimierung des Fließkanaldesigns

Erhöhen Sie die Kontaktfläche des Strömungskanals: Durch die Gestaltung schmalerer und dichterer Strömungskanäle kann die Kontaktfläche zwischen dem Kühlmittel und der Basis erheblich vergrößert werden, wodurch der konvektive Wärmeübertragungskoeffizient verbessert wird. Beispielsweise weist das Mikrokanaldesign eine feine Wasserkanalstruktur auf. Die Designparameter des Mikrokanal-Wasserblocks (wie Kanalbreite, -höhe und -abstand) haben einen entscheidenden Einfluss auf seine Wärmeableitungseffizienz: Mit abnehmender Kanalbreite steigt der Wärmeübertragungskoeffizient dank des verstärkten Turbulenzeffekts des Kühlmittelflusses im schmalen Kanal erheblich an, wodurch die Wärmeaustauscheffizienz verbessert wird; die höhere Kanalhöhe trägt dazu bei, den Strömungsraum des Kühlmittels zu vergrößern, wodurch die Wärmeübertragungsleistung verbessert wird; der kleinere Kanalabstand kann die Kontaktfläche zwischen dem Kühlmittel und der Wärmequelle vergrößern, wodurch die Wärmeableitungseffizienz verbessert wird.

Es kann auch optimiert werden, indem das Strömungskanallayout optimiert und die Strömungskanalbiegungen reduziert werden: Ein vernünftiges Strömungskanallayout kann sicherstellen, dass das Kühlmittel die Oberfläche der wärmeerzeugenden Komponenten gleichmäßig bedeckt und den lokalen Temperaturunterschied verringert. Die Biegungen im Strömungskanal erhöhen den Druckverlust und den internen Strömungswiderstand und verringern dadurch die Kühlleistung. Die Anzahl der Biegungen sollte bei der Konstruktion minimiert werden. Wenn dies nicht vermieden werden kann, sollten die Biegungen als sanfte Übergänge ausgelegt werden, um den Druckabfall zu verringern und die Strömungsleistung zu optimieren.

l Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit: Die Basis des Wasserblocks besteht normalerweise aus Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit wie reinem Kupfer oder Aluminiumlegierungen. Diese Materialien können Wärme effizient von der Wärmequelle auf das Kühlmittel übertragen und so die Gesamtwärmeableitungsleistung verbessern.

l Optimierung der Strukturparameter, wie z. B. Dicke des Basissubstrats, Lamellen, Spoilerstruktur usw. Eine Erhöhung der Substratdicke führt zu einer Erhöhung der Maximaltemperatur, daher muss bei der Konstruktion das beste Gleichgewicht zwischen Wärmeableitungseffekt und Strukturfestigkeit gefunden werden. Durch Erhöhung der Höhe, Dicke und des Abstands der Lamellen kann die Wärmeableitungsleistung verbessert werden, gleichzeitig erhöht sich jedoch auch der Strömungswiderstand. Finden Sie die beste Lamellendesignkombination, um die Wärmeableitungsleistung zu maximieren. Die Form der Spoilersäule kann den Turbulenzeffekt effektiv verstärken und die Wärmeaustauscheffizienz verbessern.

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Dieser Artikel fasst auf Grundlage einer tatsächlichen Produktion die häufigsten Probleme, Ursachen und Verbesserungsmethoden beim Rührreibschweißverfahren zu Ihrer Information zusammen.

1-Oberflächendefekte

(1) Oberflächenrillen

l Problembeschreibung: Oberflächenrillen, auch als Pflugfehler bekannt, treten in der Regel auf der oberen Oberfläche der Schweißnaht auf, tendieren zur vorrückenden Kante der Schweißnaht und haben eine rillenförmige Gestalt.

l Ursache: Der thermoplastische Metallfluss um die Schweißnaht ist unzureichend und das plastische Metall der Schweißnaht kann den momentanen Hohlraum, der durch die Rührnadel während ihrer Bewegung entsteht, nicht vollständig ausfüllen.

l Verbesserungsmethode: Erhöhen Sie den Schulterdurchmesser, erhöhen Sie den Druck und verringern Sie die Schweißgeschwindigkeit.

Abbildung 1: Rillen

（2）Kantengrate

l Problembeschreibung: An der Außenkante der Schweißnaht bilden sich Gratgrate, die eine wellenförmige Gestalt aufweisen.

l Ursache: Falsche Abstimmung von Drehzahl und Schweißgeschwindigkeit, zu hoher Abwärtsdruck.

l Verbesserungsmethode: Schweißparameter optimieren und Druck reduzieren.

Abbildung 2: Kantengrate

（3）Oberflächenablösung

l Problembeschreibung: Auf der Oberfläche der Schweißnaht tritt eine Oberflächenablösung oder -ausfransung in Form einer Haut oder eines Fadens auf.

l Ursache: Im Oberflächenmetall der Schweißnaht staut sich die durch Metallreibung erzeugte große Wärmemenge, wodurch das Metall an der Oberfläche geschmolzen wird.

l Verbesserungsmethode: Schweißparameter optimieren, Rotationsgeschwindigkeit reduzieren und Schweißgeschwindigkeit erhöhen.

Abbildung 3: Oberflächenablösung

(4) Rückschweißknoten

l Problembeschreibung: Auf der Rückseite der Schweißnaht bildet sich eine Schweißperle.

l Ursache: Unsachgemäße Kontrolle der Tiefe und des Drucks des Rührkopfes beim Schweißen.

l Verbesserungsmethode:Optimieren Sie die Tiefen- und Druckeinstellungen des Mischkopfes.

2-Interne Defekte

(1) Unvollständige Penetration

l Problembeschreibung: Ein „rissähnlicher“ Defekt entsteht, wenn die Schweißnahtunterseite nicht oder nicht vollständig verbunden ist.

l Ursache: Die Rührnadel ist nicht lang genug, dadurch wird das Material an der Schweißnahtunterseite nicht ausreichend durchmischt.

l Verbesserungsmethode: Wählen Sie die entsprechende Rührnadellänge, um sicherzustellen, dass das Material auf der Schweißnahtdicke vollständig gerührt werden kann.

Abbildung 4: Unvollständige Penetration

(2) Löcher

l Problembeschreibung: Ein „rissähnlicher“ Defekt entsteht, wenn die Schweißnahtunterseite nicht oder nicht vollständig verbunden ist.

l Ursache: Beim Schweißvorgang gelangt aufgrund ungenügender Reibungswärmezufuhr nicht genügend Material in den plastifizierten Zustand, was zu einem unzureichenden Materialfluss und einer unvollständigen Schließung der Schweißstelle führt.

l Verbesserungsmethoden: Schweißparameter optimieren, Rührnadeldesign verbessern und Schweißgeschwindigkeit und Rotationsgeschwindigkeit steuern.

Abbildung 5: Löcher

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In letzter Zeit ist dem Herausgeber aufgefallen, dass viele Unternehmen der Energiespeicherung durch Immersionsflüssigkeitskühlung Aufmerksamkeit schenken und diese planen. Nach einer Zeit der Stille hat die Immersionsflüssigkeitskühlungstechnologie wieder Aufmerksamkeit erregt und scheint wieder populär zu werden. Ich glaube, dass auch viele Kollegen dieser Entwicklung Aufmerksamkeit schenken.

1- Merkmale der Immersionsflüssigkeitskühlungstechnologie

Energiespeicherzellen bewegen sich in Richtung 300+ Ah und Energiespeichersysteme in Richtung 5MWh+. Je größer die Zelle, desto mehr Wärme erzeugt sie, desto schwieriger ist es, Wärme abzuleiten und desto schwieriger ist es, eine Temperaturkonstanz sicherzustellen. Darüber hinaus besteht das Energiespeichersystem aus einer großen Anzahl gestapelter Zellen und die Betriebsbedingungen sind komplex und veränderlich, was eher zu einer ungleichmäßigen Wärmeerzeugung und einer ungleichmäßigen Temperaturverteilung führt. Wenn die Probleme der Wärmeableitung und der Temperaturkonstanz nicht richtig gelöst werden, verringern sich die Lade- und Entladeleistung, die Kapazität und die Lebensdauer der Batterie, was sich auf die Leistung des gesamten Systems auswirkt. Darüber hinaus war die Sicherheit schon immer das „Damoklesschwert“, das über der Energiespeicherung von Lithiumbatterien schwebt, und die gängigste Methode zur Verbesserung der Sicherheit besteht darin, sich den drei Dimensionen Eigensicherheit, aktive Sicherheit und passive Sicherheit zuzuwenden.

Bei der Immersionsflüssigkeitskühlung wird die Batteriezelle in eine isolierende, ungiftige, wärmeableitende Flüssigkeit eingetaucht. Das Kühlmittel hat eine höhere Wärmeleitfähigkeit und spezifische Wärmekapazität. Diese Methode des direkten Kontakts kann eine extrem hohe Wärmeübertragungseffizienz bieten und gleichzeitig eine bessere Temperaturgleichmäßigkeit verbessern. Darüber hinaus kann das Kühlmittel nicht nur als Temperaturkontrollmedium, sondern auch als Feuerlöschflüssigkeit für Energiespeichersysteme verwendet werden, wodurch Temperaturkontrolle und Brandschutz kombiniert werden, was ebenfalls ein wichtiges Merkmal der Immersionsflüssigkeitskühlungstechnologie ist. Die Immersionsflüssigkeitskühlung wird im Kontext einer Branche, die eine höhere Wärmeableitungsleistung und mehr Sicherheit erfordert, zweifellos weitere Vorteile bieten.

Abbildung 1:Eintauchende Flüssigkeitskühlung Energiespeicher Batteriepack-Box

2-Eintauchende Flüssigkeitskühlungsspeichersystemlösung

Als Zweig der Flüssigkeitskühlungstechnologie ist die Immersionsflüssigkeitskühlungstechnologie nicht die erste, die in der Energiespeicherbranche eingesetzt wird. Sie wurde zunächst im Bereich des Hochleistungsrechnens eingesetzt und später schrittweise auf Rechenzentren, künstliche Intelligenz, Kryptowährung usw. ausgeweitet.

Die ursprüngliche Absicht des Designs des Energiespeichersystems mit Immersionsflüssigkeitskühlung besteht darin, die Mängel der herkömmlichen Luftkühlung und der indirekten Flüssigkeitskühlung hinsichtlich der Kühleffizienz und der Kontrolle der Batterietemperaturdifferenz zu beheben. Die offizielle Inbetriebnahme des Projekts Southern Power Grid Meizhou Baohu markiert die erfolgreiche Anwendung der Immersionsflüssigkeitskühlung, einer Spitzentechnologie, im Bereich der neuen Energiespeichertechnik.

l Kühlmethode und Kühlmittelzirkulationsmethode

Die Kühlmethoden werden in einphasig und phasenwechselnd unterteilt. Es wird einphasige Immersionsflüssigkeitskühlung verwendet, die hauptsächlich Mineralöl, Silikonöl, natürliche Ester usw. umfasst. Andere Schemata verwenden zweiphasige Immersionsflüssigkeitskühlung, die hauptsächlich durch Fluorwasserstoff dargestellt wird, und verwenden latente Phasenwechselwärme, um Wärme abzuleiten und die Wärmeableitungseffizienz zu verbessern. Unvollständigen Statistiken zufolge ist das Schema der „einphasigen Immersionskühlung“ das am weitesten verbreitete unter den derzeit auf dem Markt erhältlichen Energiespeichersystemen mit Immersionsflüssigkeitskühlung.

Je nach dem Unterschied im Zirkulationsmodus des Kühlmittels gibt es bei der einphasigen Immersionsflüssigkeitskühlung drei technische Wege: natürliche Konvektion, Pumpenantrieb und immersionsgekoppelte Kaltplattenflüssigkeitskühlung. Die natürliche Konvektion nutzt die Eigenschaften der Flüssigkeitsvolumenausdehnung und Dichtereduzierung nach dem Erhitzen, um das Schweben des heißen Kühlmittels und das Absinken nach dem Abkühlen zu erreichen und so die Zirkulationswärmeableitung abzuschließen; der Kern des Pumpenantriebssystems besteht darin, dass die Flüssigkeitskühleinheit das Kühlmittel antreibt, um es zwischen der Flüssigkeitskühlleitung und der Batterietauchbox zirkulieren zu lassen, um den gesamten Zirkulationswärmeableitungsprozess abzuschließen; und beim Immersionskühlungsschema mit gekoppelter Plattenflüssigkeit wird die Batterie in die dielektrische Flüssigkeit eingetaucht und die in Kontakt mit der dielektrischen Flüssigkeit stehende Kühlplatte wird zum Abführen der Wärme verwendet, wodurch die Verwendung komplexer Sekundärkreisläufe zum Kühlen der dielektrischen Flüssigkeit vermieden wird.

l Produktform und Integrationslösung

Die Iteration der Integrationslösung des flüssigkeitsgekühlten Energiespeichersystems ist ein Prozess vom Ganzen zum Teil und dann zum Detail. Jeder Schritt wird auf der Grundlage der vorherigen Phase optimiert und verbessert, um eine höhere Leistung und Sicherheit zu erreichen.

Von der Kabinenebene bis zur Paketebene weist die Systemintegrationstechnologie die Merkmale der Szenenanpassung auf. Die Diversifizierung der Energiespeicherszenarien macht die Nachfrage nach Energiespeichersystemen unterschiedlich. Ein einzelnes Produkt kann die Marktnachfrage nicht befriedigen. Das modulare Design ermöglicht die Optimierung und Erweiterung von Energiespeicherprodukten entsprechend der Größe und dem Leistungsbedarf des Projekts, sodass Energiespeicherlösungen schnell angepasst und entsprechend unterschiedlichen Anwendungsszenarien und Anforderungen eingesetzt werden können.

3-Herausforderungen und Implementierungsszenarien im Industrialisierungsprozess

Während des Kommerzialisierungsprozesses stehen flüssigkeitsgekühlte Energiespeichersysteme vor zahlreichen Herausforderungen, darunter der wirtschaftlichen Machbarkeit, der technischen Komplexität, der Marktakzeptanz und der Reife der Industriekette.

l Technische Komplexität: Im Vergleich zu Kaltplatten-Flüssigkeitskühlsystemen sind Immersions-Flüssigkeitskühlsysteme komplexer zu entwerfen und zu implementieren.

l Reife der Industriekette: Die Industriekette der Immersionsflüssigkeitskühlungstechnologie ist noch nicht vollständig ausgereift, was ihre Anwendung in einem breiteren Bereich einschränkt. Die Reife der Industriekette wirkt sich direkt auf die Förderung und Kommerzialisierung der Technologie aus.

l Wirtschaftliche Herausforderungen: Die Energiespeicherbranche befindet sich noch in der Anfangsphase der kommerziellen Entwicklung, und die mangelnde Rentabilität erschwert es, teure Technologiewege auf dem Markt zu bevorzugen. Viele Unternehmen konkurrieren mit niedrigen Preisen um befristete Aufträge, was die Verbreitung der Immersionsflüssigkeitskühlung einschränkt.

Derzeit wird der Hauptmarkt der Energiespeicherbranche noch immer von Luftkühlung und Kaltplattenflüssigkeitskühlung dominiert, und die Immersionsflüssigkeitskühlung wurde vom Markt noch nicht vollständig akzeptiert. Obwohl die Marktdurchdringung und Akzeptanz der Immersionsflüssigkeitskühlungstechnologie nicht hoch sind, weist sie in einigen speziellen Szenarien möglicherweise kein erhebliches Potenzial auf, wie zum Beispiel:

l Gefahrstoffindustrie: Unternehmen, die Gefahrstoff produzieren, haben extrem strenge Sicherheitskontrollen für Energiespeichergeräte, da die meisten der von ihnen produzierten und gelagerten Chemikalien leicht entflammbar, explosiv, giftig oder ätzend sind. Kommt es zu einem Unfall, verursacht dies nicht nur schwere Verluste für das Unternehmen selbst, sondern kann auch Umweltverschmutzung und Schäden in den umliegenden Gemeinden verursachen.

l Basisstationen und Rechenzentren: Basisstationen und Rechenzentren haben eine geringe Toleranz gegenüber thermischem Durchgehen. Energiespeichersysteme in Rechenzentren müssen über Batterien mit stabiler Leistung verfügen und dürfen nicht zu thermischem Durchgehen neigen, um die Systemsicherheit zu gewährleisten. Die Anforderungen an die Stromqualität sind hoch und das Energiespeichersystem muss schnell reagieren können. Im Falle eines Notfalls wie einem Netzausfall oder Stromausfall muss das Energiespeichersystem in der Lage sein, direkt in den Entlademodus zu wechseln, um die Kontinuität und Stabilität der Stromversorgung zu gewährleisten.

l Schnellladestation: Beim Laden und Entladen mit hoher Geschwindigkeit erzeugt die Batterie in kurzer Zeit viel Wärme, was zu einer zu hohen und ungleichmäßigen Temperatur der Batterie führt und die Leistung, Lebensdauer und Sicherheit der Batterie gefährdet. Dies bedeutet, dass das Wärmemanagement der Batterie in Szenarien mit hoher Lade- und Entladegeschwindigkeit besonders wichtig wird.

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Die Luftdichtheit des Akkupacks ist ein entscheidender Indikator in Elektrofahrzeugen und Energiespeichersystemen. Der Luftdichtheitstest des Akkupacks wird hauptsächlich an der Akkupackhülle, der Schnittstelle, dem Anschluss, der Kühleinheit usw. durchgeführt, um sicherzustellen, dass das Innere des Akkupacks nicht durch Verunreinigungen wie Staub und Feuchtigkeit aus der äußeren Umgebung verunreinigt oder befallen ist und dass die Kühleinheit nicht leckt, um sicherzustellen, dass der Akkupack seine normale Leistung und Lebensdauer beibehält und keine Sicherheitsunfälle wie Kurzschlüsse oder Explosionen verursacht.

1-Standardformulierung für die Prüfung des Schutzniveaus und der Luftdichtheit von Batteriepacks

Internationale Schutzart (IEC60529), auch bekannt als Fremdkörperschutzniveau oder IP-Code. Das IP-Schutzniveausystem (Ingress Protection) ist ein von der International Electrotechnical Commission (IEC) festgelegter Standard zur Klassifizierung des Schutzniveaus von Gehäusen elektrischer Geräte gegen das Eindringen von Fremdkörpern und Wasser. Der Luftdichtigkeitsgrad des Akkupackgehäuses muss normalerweise IP67 oder IP68 erreichen, was bedeutet, dass das Akkupackgehäuse vollständig vor dem Eindringen von Staub geschützt sein muss (Staubdichtigkeitsgrad 6) und für einen bestimmten Zeitraum in Wasser mit einem bestimmten Druck eingetaucht werden kann, ohne dass Wasser bis zu einem schädlichen Grad eindringt (Wasserdichtigkeitsgrad 7). Strengere Anforderungen sind, dass der Akkupack 60 Minuten lang in 1 m tiefes Wasser eingetaucht werden kann, ohne dass Wasser eindringt (Wasserdichtigkeitsgrad 8). Das IP-Schutzniveau besteht normalerweise aus zwei Ziffern. Je größer die Zahl, desto höher das Schutzniveau, wie in Abbildung 1 dargestellt:

Abbildung 1: Beschreibung der IP-Schutzstufen

Um sicherzustellen, dass der Akkupack die IP67- und IP68-Anforderungen erfüllt, muss der Akkupack in Wasser getaucht werden. Diese Methode ist zeitaufwändig, zerstört den Akkupack und birgt gewisse Sicherheitsrisiken. Sie ist nicht als Offline-Test für Akkus geeignet. Daher ist es in der Branche gängige Praxis geworden, Luftdichtheitstests durchzuführen, um sicherzustellen, dass der Akkupack die IP67- und IP68-Anforderungen erfüllt. Bei der Formulierung von Luftdichtheitsteststandards muss die Beziehung zwischen Druckabfallwert und Leckrate sowie die Beziehung zwischen Öffnung und Wasserleckage berücksichtigt werden. Die Formulierung von Luftdichtheitsteststandards umfasst eine Reihe von Schritten von theoretischen Extremen bis hin zur experimentellen Überprüfung, um die Umwandlung von IP-Ebene in Luftdichtheitsteststandards zu erreichen. Nehmen wir beispielsweise IP68 als Beispiel:

Abbildung 2: Schritte zur Formulierung von Standards für luftdichte Prüfungen

2- Auswahl der Luftdichtheitsprüfmethoden und Analyse der Prüfschwierigkeiten

Die Konstruktions- und Fertigungsqualität des Akkupacks sind Schlüsselfaktoren, die die Luftdichtheit beeinflussen, darunter die Robustheit und Festigkeit des Akkugehäusedeckels, die Abdichtung des Akkupackgehäuses, Schnittstellen und Anschlüsse, explosionssichere Entlüftungsöffnungen und die Abdichtung des elektrischen Anschlusses selbst. Darüber hinaus treten während des Gebrauchs einige Probleme auf, die die Luftdichtheit beeinträchtigen, wie z. B. Probleme mit Wärmeausdehnung und -kontraktion, Materialalterung sowie Vibrationen und Stöße. Bei der Herstellung und Fertigung von Akkupackgehäusen achten wir stärker auf schlechte Luftdichtheit, die durch Probleme wie Schweißpunkte und Verbindungsqualität verursacht wird, wie z. B. ungleichmäßige Schweißpunkte, schwache oder rissige Schweißnähte, Luftspalte und schlechte Abdichtung von Verbindungsverbindungen.

Der Luftdichtheitstest des Akkupacks ist hauptsächlich in den Luftdichtheitstest der Oberschale, der Unterschale und der Montageteile unterteilt. Der Luftdichtheitstest der Ober- und Unterschale muss nach der Montage die Anforderungen an die Luftdichtigkeit erfüllen. Bei der Auswahl der Luftdichtheitstestmethode für den Akkupack werden die Eigenschaften des Akkupacks, die Anforderungen an die Testgenauigkeit, die Produktionseffizienz und die Kosten im Allgemeinen umfassend berücksichtigt.

Die Prüfung von Batteriepackhüllen in der Technik wird im Allgemeinen in Prozessluftdichtheitsprüfungen und Versandluftdichtheitsprüfungen unterteilt. Darüber hinaus muss die Luftdichtheitsprüfung der Ober- und Unterschale nach der Montage die Anforderungen an die Luftdichtheit erfüllen, was strengere Anforderungen an die Prüfnormen mit sich bringt. Um sicherzustellen, dass die Luftdichtheit den Anforderungen entspricht, müssen im tatsächlichen Betrieb die folgenden Schwierigkeiten überwunden werden:

l Stabilität der Produktstruktur: Die Qualität der Schweißnähte, einschließlich Lochschweißnähte, Hahnschweißnähte, Balkenschweißnähte, Schweißnähte der Rahmenbodenplatte, Schweißnähte der vorderen und hinteren Rahmenabdeckungsplatten usw. Schweißleckageprobleme konzentrieren sich hauptsächlich auf die Start- und Endpunkte des Lichtbogens sowie auf Defekte, die durch Durchbrennen verursacht werden; Risse, die durch Schweißverformungsspannungen verursacht werden, wie z. B. Schweißen der Seitenwände der Bodenplattenhohlräume, Schichtung des Materials der Bodenplattenhohlräume und Unfähigkeit, Schweißverformungsspannungen standzuhalten.

l Anpassungsfähigkeit und Stabilität luftdichter Vorrichtungen: Das Design der Vorrichtungen sollte der Form und den Abmessungen der getesteten Komponenten möglichst genau entsprechen, um sicherzustellen, dass die Komponenten während des Testvorgangs sicher an den Vorrichtungen befestigt werden können, wodurch Testfehler durch Positionsverschiebungen oder Vibrationen reduziert werden. In der Praxis variieren Größe und Form von Batteriepacks jedoch erheblich, was die Entwicklung und Herstellung mehrerer verschiedener Testvorrichtungen erforderlich macht, was die Kosten und die betriebliche Komplexität erhöht. Die Entwicklung einer universellen Vorrichtung würde den Designprozess noch komplizierter machen.

l Repeatability of airtightness test results: Factors such as air pressure, temperature, and dryness of the test workpiece/fixture will affect the airtightness test results.

l Bei Werkstücken mit vielen nicht durchdringenden winzigen Rissen kann es aufgrund von Faktoren wie der Genauigkeit der Erkennungsausrüstung und den Erkennungsparametern vorkommen, dass die Leckquelle nicht erkannt wird, was zu einer verpassten Erkennung führt.

Abbildung 3: Werkzeug zur Prüfung der Luftdichtheit

3-Kombination von in der Technik häufig verwendeten Lösungen zur Erkennung der Luftdichtheit von Batteriepacks

Der Luftdichtheitstest des Batteriepackgehäuses umfasst im Allgemeinen einen Luftdichtheitstest und einen Wassertauchtest. Beim Luftdichtheitstest wird die obere Abdeckung des Batteriekastens versiegelt, sodass nur ein Anschlussanschluss als Lufteinlass übrig bleibt. Die Luftdichtheit des Batteriepacks wird beurteilt, indem der Luftdruck kontrolliert und beobachtet wird, ob Luft austritt. Beim Wassertauchtest wird der gesamte Batteriekasten vollständig in Wasser getaucht und seine Luftdichtheit beurteilt, indem geprüft wird, ob sich Wasser im Kasten befindet.

Helium leak detection is a technology that uses helium as a tracer gas to detect leaks by detecting the helium concentration at the leak location. If helium enters the inside or outside of the device under test where a leak may exist, if a leak occurs, the helium will quickly enter or escape from the system through the leak and be detected by the mass spectrometer. The helium leak detection method has high detection efficiency, especially in detecting small leaks.

Abbildung 4: Vergleich der Lecksuchmethoden

In der tatsächlichen Produktion werden in der Regel mehrere Erkennungsmethoden kombiniert, um die Erkennungseffizienz und -genauigkeit zu verbessern. Beispielsweise eignet sich die Helium-Leckerkennungsmethode für die hochpräzise und kleine Leckerkennung, während die Differenzdruckmethode die Eigenschaften hoher Präzision und schneller Reaktion aufweist. Darüber hinaus weist die herkömmliche Wassererkennungsmethode zwar eine geringe Erkennungsgenauigkeit auf, ist aber intuitiv und kostengünstig und stellt eine bequeme Möglichkeit zum Auffinden von Lecks dar.

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Der mögliche Ausfall der Flüssigkeitsdichtigkeit des Energiespeicher-Flüssigkeitskühlpakets ist auf mehrere Aspekte zurückzuführen, beispielsweise: Leckage, Korrosion und Ablagerung, Kondenswasser und andere Ausfallarten.

1- Fluidverbindung und Zusammensetzung

Im Flüssigkeitskühlsystem des Energiespeichers ist die Flüssigkeitsverbindung für die Übertragung des Kühlmittels zwischen den verschiedenen Komponenten verantwortlich. Durch eine effektive Flüssigkeitsverbindung wird sichergestellt, dass das Kühlmittel effizient im System zirkuliert und so die überschüssige Wärme abgeführt wird, die beim Laden und Entladen der Batterie entsteht.

Ein gut abgedichtetes System kann Kühlmittellecks wirksam verhindern. Leckagen führen nicht nur zu Kühlmittelverlust und erfordern häufiges Nachfüllen, sondern beeinträchtigen auch die Wärmeableitungsleistung und Stabilität des Systems. Bei der Energiespeicherung kann ein Kühlmittelleck auch zu einem Kurzschluss der Batterie führen, was Sicherheitsprobleme verursacht.

2-Flüssigkeitsdichtes Design des Flüssigkeitsverbindungssystems

Das flüssigkeitsdichte Design des Flüssigkeitsverbindungssystems ist das Schlüsselglied, um sicherzustellen, dass das System unter verschiedenen Betriebsbedingungen dicht bleibt und Flüssigkeitslecks vermieden werden.

Abbildung 1: Typischer Einsatz eines Flüssigkeitskühlsystems zur Energiespeicherung

(1) Analysieren Sie mögliche Leckagequellen und Risikopunkte im System:

l Die selbstdichtende Eigenschaft der Flüssigkeitskühlungsbaugruppe. Beispielsweise werden beim integrierten Design des Flüssigkeitskühlkanalsystems und der Packbox die Komponenten durch Schweißen verbunden. Schweißqualitätsmängel, schlechte Schweißnähte, Poren, Risse usw. können zu Problemen mit dem Austreten von Flüssigkeit führen.

l Die Konstruktion ist nicht sinnvoll. Beispielsweise liegen die Positionierungslöcher oder Gewindelöcher der Flüssigkeitskühlbox zu nahe am Strömungskanal, und die schlecht geschweißten Teile können leicht zu Kanälen für das Austreten von Flüssigkeit werden.

l Verbindungsteile: Die Rohrverbindungen, Ventile und Verbindungen des Flüssigkeitskühlsystems sind häufige Leckstellen. Wenn die Verbindungsstruktur nicht richtig ausgelegt ist oder der Herstellungsprozess nicht ausgereift ist, gibt es in den Verbindungen winzige Defekte, und das Kühlmittel kann auch aus diesen Defekten austreten.

l Undichtigkeiten aufgrund unsachgemäßer Installation, Alterung oder Beschädigung des Materials usw.

(2) Gestaltung der Dichtungsstruktur:

l Das flüssigkeitsgekühlte PACK verwendet eine Trocken-Nass-Kühlmethode mit getrennter Kaltplatte. Unter normalen Betriebsbedingungen haben die Batteriezellen keinen Kontakt mit dem Kühlmittel, wodurch der normale Betrieb der Batteriezellen gewährleistet werden kann. Eine Lösung für den Energiespeicher-Flüssigkeitskühler besteht darin, ihn durch einen Extrusionsprozess zu formen, den Strömungskanal direkt auf der Kaltplatte zu integrieren und dann durch mechanische Bearbeitung den Kühlkreislaufweg zu öffnen. Bei diesem Prozess ist die Wahl des richtigen Schweißverfahrens ein wichtiger Schritt, um die Abdichtung sicherzustellen. Einzelheiten finden Sie unter „Entwurf des Schweißverfahrens für die untere Box zur Energiespeicherung“.

l Flüssigkeitskühlleitungen werden hauptsächlich für Übergangsverbindungen zwischen weichen (harten) Rohren zwischen Flüssigkeitskühlquellen und Geräten, zwischen Geräten und zwischen Geräten und Leitungen verwendet. Die wichtigsten Verbindungsmethoden sind:

Schnellanschluss: Eine der Anschlussmethoden für Flüssigkeitskühlsysteme zur Energiespeicherung ist die Verwendung eines VDA- oder CQC-Schnellanschlusses.

Gewindeverbindung: Beide Enden der Verbindungsstruktur sind gleitend mit Rohren verbunden, und die Gewindeverbindung zwischen dem Innengewindering und der Gewindehülse erhöht die Festigkeit der Verbindung.

Begrenzungsrohr- und Mutternverbindung: Ein Verbindungsrohr ist an einem Ende des Rohrs festgeklemmt, und Begrenzungsrohre sind auf beiden Seiten des Verbindungsrohrs fest installiert. Gummischeiben und konvexe Ringe sind fest in den Begrenzungsrohren installiert, und eine Begrenzungsringnut ist auf der Oberfläche des Verbindungsrohrkopfes geöffnet. Eine Mutter ist drehbar mit der Oberseite des Begrenzungsrohrs verbunden und durch Gewinde drehbar mit dem Begrenzungsrohr verbunden.

Dichtringverbindung: Ein Dichtring wird mit starkem Klebstoff an der Innenwand der Gewindehülse befestigt, und die Innenwand des Dichtrings ist beweglich mit der Außenfläche des Rohrs verbunden, um ein Auslaufen während des Gebrauchs zu verhindern.

(3) Die PACK-Flüssigkeitskühlplatte, die Kabinenschnittstelle, die Kabinenrohrleitung usw. sind alle mit einem langfristigen Korrosionsschutz unter üblichen Kühlmittel-, Temperatur- und Durchflussbedingungen ausgestattet, um einen langfristigen Betrieb ohne Korrosion zu gewährleisten. Einfluss der Betriebsbedingungen auf die Flüssigkeitsdichtigkeit:

l Temperatur. Einfluss hoher Temperaturen: Mit steigenden Temperaturen nimmt die Viskosität der Flüssigkeit im Allgemeinen ab, was zu einer Verringerung der Dichtleistung der Flüssigkeit und damit zu einer Beeinträchtigung der Flüssigkeitsdichtigkeit führen kann. Beispielsweise können sich bestimmte Dichtungsmaterialien bei hohen Temperaturen verformen oder verschlechtern, was zu Undichtigkeiten führt. Einfluss niedriger Temperaturen: In einer Umgebung mit niedrigen Temperaturen kann die Flüssigkeit viskos werden, was den Durchfluss erschwert, aber die Leistung des Dichtungsmaterials kann sich verbessern und dadurch die Flüssigkeitsdichtigkeit bis zu einem gewissen Grad erhöhen.

l Druck. Hochdruckumgebung: Unter hohem Druck können Dichte und Viskosität der Flüssigkeit zunehmen, wodurch die Dichtleistung der Flüssigkeit verbessert wird. Übermäßiger Druck kann jedoch auch das Dichtungsmaterial beschädigen und zu Undichtigkeiten führen. Niederdruckumgebung: Unter niedrigem Druck kann die Dichtleistung der Flüssigkeit relativ schwach sein, insbesondere wenn das Dichtungsmaterial selbst defekt oder gealtert ist, besteht eine höhere Wahrscheinlichkeit von Undichtigkeiten.

l Durchflussrate. Hohe Durchflussrate: Wenn die Flüssigkeit mit hoher Geschwindigkeit fließt, kann dies eine große Aufprallkraft auf die Dichtungsfläche ausüben, was zu Verschleiß oder Verformung des Dichtungsmaterials führt und dadurch die Flüssigkeitsdichtigkeit beeinträchtigt. Niedrige Durchflussrate: Bei niedriger Durchflussrate ist die Dichtungsleistung der Flüssigkeit relativ gut, dies kann jedoch auch einige potenzielle Dichtungsprobleme wie kleinere Materialfehler verbergen.

3-Korrosions- und Ablagerungsprobleme

l Auswirkungen der Sperrung auf die Vertraulichkeit:

Kühlmittel, Ablagerungen oder Kesselwachstum können zu internen Verstopfungen, schlechtem Kühlmittelfluss und verringerter Kühlleistung führen.

Verschmutzung und Ablagerung: Mineralien im Kühlmittel können nach längerem Betrieb Ablagerungen an der Innenwand des Rohrs bilden, die als „Ablagerung“ bezeichnet werden. Verschmutzungen können auch durch Niederschlag von Feststoffpartikeln, Kristallisation, Korrosion oder mikrobielle Aktivität entstehen. Dieser Schmutz verstopft Rohre und Kühlplatten, erhöht den Strömungswiderstand und verringert die Wärmeübertragungseffizienz.

Schaumproblem: Im Flüssigkeitskühlsystem kann Schaum entstehen. Der Schaum bleibt an der Oberfläche der Kühlplatte haften, was zu einer Verringerung der Wärmeübertragungswirkung führt und den Widerstand im Systembetrieb erhöhen, Kavitationskorrosion an der Pumpe usw. verursachen und das Gerät beschädigen kann.

l Der Einfluss von Wirbelströmen auf die Luftdichtheit:

Wenn eine Flüssigkeit in einem Rohr oder Spalt fließt, können Geschwindigkeitsänderungen zur Bildung von Wirbeln führen. Insbesondere wenn die Flüssigkeit durch enge Stellen oder Hindernisse fließt, ist die Wahrscheinlichkeit der Wirbelbildung höher. Die Viskosität und Dichte der Flüssigkeit beeinflussen ebenfalls die Entstehung von Wirbeln. Flüssigkeiten mit höherer Viskosität bilden eher Wirbel, während Flüssigkeiten mit höherer Dichte die Wirbelbildung abschwächen können.

Leckagepfade: Wirbelströme bilden auf Kontaktflächen Wirbel, die in Lücken oder unregelmäßigen Oberflächen winzige Leckagepfade bilden können, die zum Austreten von Gas oder Flüssigkeit führen.

Oberflächenverschleiß: Wirbelströmungen können zu Verschleiß der Kontaktflächen führen, insbesondere bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten. Dieser Verschleiß kann die Luftdichtigkeit weiter verringern, da sich auf den abgenutzten Oberflächen mit größerer Wahrscheinlichkeit neue Leckagekanäle bilden.

Thermische Effekte: Wirbelstromflüsse erzeugen Wärme, die zu einer Verformung oder Wärmeausdehnung des Kontaktoberflächenmaterials führen und somit die Luftdichtheit beeinträchtigen kann, insbesondere in Systemen mit großen Temperaturschwankungen.

4-Kondenswasserproblem

Unter bestimmten Bedingungen kann sich in den Flüssigkeitskühlleitungen Kondenswasser bilden, das zu Geräteschäden oder Effizienzeinbußen führen kann. Isolationsfehler: Wenn das Isolationsmaterial der Leitung beschädigt oder gealtert ist, geht Wärme verloren und die Kühlwirkung wird beeinträchtigt. Besonders in Umgebungen mit niedrigen Temperaturen kann ein Isolationsfehler zur Bildung von Frost oder Eis auf der Rohroberfläche führen. Frostrisse: In kalten Umgebungen kann das Kühlmittel in den Leitungen gefrieren und zum Platzen der Leitungen führen, wenn keine geeigneten Frostschutzmaßnahmen getroffen werden.

Lösungen

l Abdichtungsmaßnahmen: Stellen Sie sicher, dass Einlass und Auslass der Flüssigkeitskühlleitung vollständig blockiert sind, um zu verhindern, dass feuchte Außenluft in das Batteriefach eindringt.

l Entfeuchtungseinrichtung: Installieren Sie eine Entfeuchtungsklimaanlage oder nutzen Sie die Entfeuchtungsfunktion, um die Luftfeuchtigkeit im Batteriefach in einem angemessenen Bereich zu halten.

l Temperaturkontrolle: Durch den Einbau von Klimaanlagen oder Lüftungssystemen können Temperatur und Luftfeuchtigkeit in der Umgebung, in der sich der Energiespeicherschrank befindet, kontrolliert werden. So kann die Temperatur beispielsweise bei 20–25 Grad Celsius gehalten und die relative Luftfeuchtigkeit bei 40–60 % geregelt werden.

l Isolationsmaßnahmen: Einfache Isolierung leerer Batterieracks, um das Eindringen von Feuchtigkeit in den Raum mit dem Batteriecluster zu verhindern.

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Fluid-Simulation

Verwendung von Simulationssoftware zur Analyse der Wärmeableitungsleistung von Kühlern und Kühlelementen

Anwendungsszenarien

Betriebsbedingungen:

Szenario mit hohem Wärmestrom

Installationsanordnung:

Einseitige Installation

Typische Anwendung: Kundenspezifische Anpassung

Eigenschaften: Gute Wärmeableitung

Anwendungsszenarien

Anwendungsszenarien

0,5-1C

Installationsanordnung:

Boden-Flüssigkeitskühlung

Typische Anwendungen: 36s, 48s, 52s, 104s

Eigenschaften: Gute Kühlleistung

Das Kältemittel gibt die von der Batterieabsorptionsplatte aufgenommene Wärme durch den Verdampfer ab und leitet die von der Wasserpumpe erzeugte Energie zur Aufnahme der Wärme durch die Kühlplatte.

Die Flüssigkeitskühlungstechnologie nutzt Flüssigkeiten als Medium für den Wärmeaustausch. Im Vergleich zur Luft hat Flüssigkeit eine höhere Wärmekapazität und einen geringeren Strömungswiderstand, was schnellere Kühlraten und höhere Küffizienz ermöglicht.Zudem benötigt das Flüssigkeitskühlsystem keine Luftkanäle, wodurch der Einsatz von mechanischen Komponenten wie Ventilatoren reduziert wird. Dies führt zu einer geringeren Ausfallrate, weniger Lärm, einer umweltfreundlicheren Lösung und einer Flächenersparnis. Die Technologie ist besonders geeignet für zukünftige großflächige Energiespeicheranlagen mit über MW-Ebene und findet breite Anwendung in Bereichen mit hoher Energiedichte und schneller Lade- und Entladegeschwindigkeit der Batterien.

Ein Batteriespeichersystem ist ein Energiespeichersystem, das Batterien als Speichermedium verwendet. Im Gegensatz zu traditionellen fossilen Brennstoffen kann ein Batteriespeichersystem erneuerbare Energien wie Solarenergie und Windenergie speichern und sie bei Bedarf zur Balance von Energieangebot und -nachfrage freisetzen.

DFM-Optimierungsvorschläge

Wir helfen Ihnen, potenzielle Fehler und Mängel im Produktionsprozess zu reduzieren und stellen sicher, dass das Produkt während der Fertigung die Qualitätsstandards des Designs erfüllt.

Anwendungsszenarien

Betriebsbedingungen:

Szenario mit hohem Wärmestrom

Installationsanordnung:

Einseitige Installation

Typische Anwendung: Kundenspezifische Anpassung

Eigenschaften: Gute Wärmeableitung

Anwendungsszenarien

Betriebszustand: 0,5–1 °C

Installationsanordnung:

Boden-Flüssigkeitskühlung

Typische Anwendungen: 36s, 48s, 52s, 104s

Eigenschaften: Gute Kühlleistung

Während des Betriebs der Einheit absorbiert der Verdampfer (Plattenwärmeübertrager) durch Verdampfung Wärme aus dem Kältemittelsystem, wobei das Kältemittel die Wärme aufnimmt und in die Umgebungsluft abgibt.Das kondensierte Kältemittel kehrt über das Expansionsventil zum Verdampfer zurück, und der Zyklus wiederholt sich.

•Niedrigere Batterietemperaturen: Bei gleichen Eingangstemperaturen und maximalem Luftstrom sowie Durchflussraten kann die Flüssigkeitskühlung die Temperatur stärker senken. Die Höchsttemperatur des Batteriepacks liegt 3-5 Grad Celsius unter der von Luftkühlung.

•Geringerer Energieverbrauch im Betrieb: Um die gleiche durchschnittliche Batterietemperatur zu erreichen, benötigt die Luftkühlung etwa 3-4 Mal so viel Betriebsenergie wie die Flüssigkeitskühlung.

•Geringeres Risiko der Batteriewärmeüberhitzung: Flüssigkeitskühlungssysteme nutzen ein großes Volumen an Kühlmedium, um die Wärmeabfuhr des Batteriepacks zu forcieren und die Wärmeverteilung zwischen den Batteriemodulen zu regulieren. Dies hilft, die Verschlechterung bei Wärmeüberhitzung schnell zu unterdrücken und das Risiko von Hitzekollaps zu senken.

•Geringere Investitionskosten: Da Flüssigkeitskühlungssysteme die Batterien in einem angenehmen Temperaturbereich halten, können sie die Lebensdauer der Batterien um mehr als 20% verlängern im Vergleich zu Luftkühlungssystemen. Betrachtet man den gesamten Lebenszyklus, erfordert die Flüssigkeitskühlung daher geringere Investitionen.

Mit dem zunehmenden Bedarf an Hochkapazitäts-, Hochleistungs- und hochenergetischen Speichersystemen für Netz- und Off-Grid-Speicheranlagen wird das Flüssigkeitskühlsystem für Batterien zur branchenweiten Hauptlösung.Darüber hinaus beschleunigt das Kundeninteresse an ROI und Amortisationszeiten die Entwicklungstendenzen von Batteriespeichersystemen (BESS) mit hoher Lade- und Entladeleistung.Größere Kapazitäten, höhere Leistungsdichten und hohe Lade- und Entladeleistungen erhöhen das Risiko der Wärmekontrolle des Systems, was zu einem wachsenden Bedarf an thermischem Energiemanagement führt. Daher muss auch die Wärmeübertragungseffizienz des Energiespeichermanagements weiter verbessert werden.

Anwendungsszenarien

Betriebszustand: 0,5–1 °C

Installationsanordnung:

Boden-Flüssigkeitskühlung

Typische Anwendungen: 36s, 48s, 52s, 104s

Eigenschaften: Gute Kühlleistung

Produktprüfungen

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Anwendungsszenarien

Betriebsbedingungen:

Szenario mit hohem Wärmestrom

Installationsanordnung:

Einseitige Installation

Typische Anwendung: Kundenspezifische Anpassung

Eigenschaften: Gute Wärmeableitung

Die Immersionsflüssigkeits-gekühlte Energiespeichertechnologie ist eine fortschrittliche Batteriekühlungsmethode. Sie nutzt die effiziente Wärmeleitfähigkeit von Flüssigkeiten, um die Batterien schnell, direkt und umfassend zu kühlen und den Betrieb in einer sicheren und effizienten Umgebung zu gewährleisten.Das Grundprinzip besteht darin, die Energiespeicherbatterien vollständig in eine isolierende, ungiftige und wärmeleitende Flüssigkeit einzutauchen.Diese Technologie ermöglicht den direkten Wärmeaustausch zwischen der Flüssigkeit und den Batterien, wodurch die bei Lade- und Entladevorgängen entstehende Wärme schnell aufgenommen und an ein externes Kühlsystem abgegeben wird.

Schematische Darstellung des Prinzips eines einzelnen Immersions-Flüssigkeitskühlsystems für Energiespeicher

Der Immersions-Flüssigkeitskühlungs-Energiespeicher-Pack dient als Träger und als Schutzkomponente für die Batteriezellen. Seine Hauptfunktionen bestehen in der Unterstützung des Batterie-Packs und des Kühlmittels, der Sicherheit sowie dem Wärmetransfer.Daher müssen bei der Gestaltung des Gehäuses Faktoren wie Abdichtung, Kühleffizienz, Sicherheit, Materialauswahl und Herstellungsverfahren umfassend berücksichtigt werden, um einen effizienten, sicheren und zuverlässigen Betrieb des Systems zu gewährleisten.Das Design der Gehäusestruktur bildet die Grundlage des gesamten Flüssigkeitskühlsystems.

1-Gleichmäßige Belastung

Der untere Kasten des flüssigkeitsgekühlten Energiespeichers besteht aus einer Bodenplatte und Seitenplatten. Die Bodenplatte dient als Grundträger, und die Seitenplatten sind um die Bodenplatte herum befestigt, die zusammen den Hauptrahmen des Kastens bilden. Die Größe des Kastens sollte unter Berücksichtigung der Gesamtanforderungen und Lastbedingungen des Flüssigkeitskühlsystems angepasst werden. Bei der Konstruktion größerer Kästen können interne Trennwände oder Stützstrukturen sinnvoll eingerichtet werden, um den großen Raum in mehrere kleine Räume zu unterteilen. Kraftbereich, um die gleichmäßige Tragfähigkeit zu verbessern. In der internen Struktur kann die lokale Tragfähigkeit durch Hinzufügen von Stützrippen und Verstärkungsrippen verbessert werden, und im Inneren des Kastens kann auch eine Lastverteilungsstruktur eingerichtet werden, um die Last an jeder Ecke auszugleichen.

Um die Auswirkungen plastischer Verformungen auf die gleichmäßige Belastung zu verringern, können unterschiedliche Bearbeitungsoberflächen auf eine Ebene ausgelegt werden, wodurch die Anzahl der Anpassungen an der Werkzeugmaschine verringert und Verformungen aufgrund von Höhenunterschieden vermieden werden können. Außerdem kann die Breite oder Höhe des Gehäuses erhöht werden, um die Last zu verteilen und Verformungen zu reduzieren.

Darüber hinaus erhöht das integrierte Design des Flüssigkeitskühlkanals und der Bodenplatte des Gehäuses, das durch Rührreibschweißen oder Laserschweißen hergestellt wird, die strukturelle Festigkeit des gesamten Systems erheblich.

Schematische Darstellung der unteren Gehäusestruktur des Einzel-Immersions-Flüssigkeitskühlungs-Energiespeicher-Packs

2-Wärmeübertragungsdesign

Die Wärmeleitfähigkeit ist ein wichtiger Aspekt der immersiven Flüssigkeitskühltechnologie. Das Ziel des Designs besteht darin, sicherzustellen, dass die Batterie in einer Hochtemperaturumgebung effektiv gekühlt wird, um ihre Leistung und Sicherheit zu erhalten.

Die Materialien des Gehäuses sollten eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Übliche Materialien sind Aluminiumlegierungen, Kupfer und aluminium-basierte Verbundwerkstoffe.Das Gehäusedesign muss auch die Auswirkungen von Umwelttemperaturänderungen berücksichtigen. Eine angemessene Dicke der Isolierung kann die Innentemperatur des Gehäuses in einem relativ konstanten Bereich halten und damit die Gesamteffizienz des Systems erhöhen.

Das strukturelle Design des Gehäuses hat direkten Einfluss auf die Wärmeleitfähigkeit. Eine durchdachte Anordnung der Flüssigkeitskanäle sorgt für einen reibungslosen Fluss der Flüssigkeit im Gehäuse und maximiert die Kontaktfläche, was die Wärmeleitfähigkeit des Gehäuses verbessert.Innerhalb des Gehäuses können mehrere Kanäle eingerichtet werden, um die Zirkulationswege des Kühlmittels zu erhöhen und damit die Kühlleistung zu verbessern.

    （linke Seite）Option 1: Vollständig eingetaucht + Einzelkomponente + Plattenwärmetauscher   

（Rechte Seite）Option 2: Vollständig eingetaucht + Einzelkomponente + Gehäusewärmetauscher

Das Flüssigkeitskühlsystem umfasst Kühlmittel, Wärmeleitstrukturen, Flüssigkeitskühlschläuche und Stützstrukturen.

In Option 1 kann die gleiche oder verschiedene Kühlmittel in die Kanäle der Kühlplatte und in den Gehäusehohlraum gefüllt werden, wobei beide Hohlräume versiegelt und voneinander getrennt sind.Im Gehäusehohlraum wird das Batteriemodul vollständig in das Kühlmittel eingetaucht, wodurch eine vollständige Berührung entsteht. Das Kühlmittel bleibt statisch und nutzt die gute Wärmeleitfähigkeit der Flüssigkeit, um die Wärme von der Oberfläche der Batterie zu absorbieren und die Temperaturerhöhung zu senken.In der Kühlplatte wird das Kühlmittel in den Einspeiseverteilers verteilt und strömt parallel in die Kühlplatte, um dann im Auslassverteiler zusammenzukommen und abzufließen. Diese Konfiguration ist hauptsächlich verantwortlich für den Abtransport von Wärme und die Gewährleistung der Kühlung.

In Option 2 strömt das kühle Kühlmittel von unten oder von der Seite ein, während das warme Kühlmittel von oben austritt. Das Kühlmittel zirkuliert innerhalb des Batteriepacks, wodurch die Wärme gleichmäßig verteilt wird, die Gesamteffizienz des Kühlsystems erhöht und die Temperaturkonsistenz der Zelle oder des Batteriepakets aufrechterhalten wird.

Um die Kühlwirkung weiter zu verbessern, können verschiedene Optimierungsmaßnahmen ergriffen werden, wie die Optimierung des Flüssigkeitsflusses und der Zirkulationsmethoden, die Auswahl von Kühlmitteln mit hoher Wärmekapazität und die Verbesserung der Temperaturverteilung der Flüssigkeit.Diese Maßnahmen können die Ansammlung von Wärme und den Energieverlust reduzieren und sicherstellen, dass die Batterie effizient gekühlt betrieben wird.

3-Dichtungsdesign

Für die Flüssigkeitskühlpack-Box wird ein vollständiges Dichtungsdesign unter Verwendung fortschrittlicher Dichtmaterialien und -strukturen entwickelt. Das Dichtungsdesign muss nicht nur die Luftdichtheit, sondern auch die Dichtheit des Flüssigkeitsmediums berücksichtigen, um sicherzustellen, dass die Batteriezellen in alle Richtungen keine Leckagen aufweisen.

Das Design sollte je nach spezifischen Anwendungsanforderungen die geeignete Dichtungsform und -gestalt auswählen. Zudem sind Faktoren wie die Leckagefreiheit der Dichtungen, Abriebfestigkeit, Kompatibilität mit dem Medium und der Temperatur sowie geringe Reibung zu berücksichtigen. Basierend auf den detaillierten Spezifikationen sollten geeignete Dichtungsarten und -materialien ausgewählt werden.

Darüber hinaus hat die Wahl des Schweißverfahrens einen erheblichen Einfluss auf die Dichtungsleistung. Die Auswahl der geeigneten Schweißmethode für unterschiedliche Materialien und Dicken kann die Schweißnahtqualität erheblich verbessern, um die Gesamtheit der Systemstärke und Dichtheit zu gewährleisten.

Abbildung des Fertigprodukts des unteren Gehäuses des Einzel-Eintauch-Flüssigkeitskühl-Packs

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Aluminiumlegierungen sind die am weitesten verbreitete Gruppe von Nichteisenmetall-Strukturwerkstoffen in der Industrie.  Besonders dort, wo die Wärmeleitfähigkeit des Materials eine wichtige Rolle spielt, und ein effizienter Wärmetransport erforderlich ist – beispielsweise bei der Kühlung elektronischer Geräte, der Kühlung der drei Hauptkomponenten von Elektrofahrzeugen (Elektromotor, Leistungselektronik, Batterie), der Kühlung von Batteriespeichersystemen sowie in der Luft- und Raumfahrt – werden sie häufig zur Herstellung von Kühlkörpern, Wärmeleitplatten und elektronischen Bauteilen eingesetzt.

Die Wärmeleitfähigkeit, auch Wärmeleitfähigkeit genannt, ist ein Parameterindex, der die Wärmeleitfähigkeit von Materialien charakterisiert. Sie gibt die Wärmeleitung pro Zeiteinheit, Flächeneinheit und negativen Temperaturgradienten an. Die Einheit ist W/m·K oder W/m·℃. Aluminiumlegierungen sind Legierungen aus Aluminium und anderen Metallen. Ihre Wärmeleitfähigkeit ist sehr gut und der Wärmeleitfähigkeitskoeffizient liegt normalerweise zwischen 140 und 200 W/(m·K). Als Metall mit dem höchsten Gehalt in der Erdkruste hat Aluminium einen relativ niedrigen Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten. Es wird aufgrund seiner hohen Höhe, geringen Dichte und seines niedrigen Preises bevorzugt.

1-Wärmeleitfähigkeitsprinzip von Aluminiumlegierungsmaterialien

Wenn zwischen benachbarten Bereichen eines Materials ein Temperaturunterschied besteht, fließt Wärme durch den Kontaktteil vom Hochtemperaturbereich zum Niedertemperaturbereich, was zu Wärmeleitung führt. In Metallmaterialien gibt es eine große Anzahl freier Elektronen. Freie Elektronen können sich im Metall schnell bewegen und Wärme schnell übertragen. Gitterschwingungen sind eine weitere Möglichkeit der Wärmeübertragung bei Metallen, sie treten jedoch im Vergleich zur Methode der freien Elektronenübertragung in den Hintergrund.

Vergleich der Wärmeleitungsmethoden zwischen Metallen und Nichtmetallen

2-Faktoren, die die Wärmeleitfähigkeit von Aluminiumlegierungen beeinflussen

a.Die Legierung ist einer der Hauptfaktoren, die die Wärmeleitfähigkeit beeinflussen. Legierungselemente kommen in Form von Atomen fester Lösungen, ausgefällten Phasen und Zwischenphasen vor. Diese Formen führen zu Kristalldefekten wie Leerstellen, Versetzungen und Gitterverzerrungen. Diese Defekte erhöhen die Wahrscheinlichkeit der Elektronenstreuung, was zu einer Verringerung der Anzahl freier Elektronen führt und somit die Wärmeleitfähigkeit von Legierungen verringert. Verschiedene Legierungselemente erzeugen unterschiedliche Grade der Gitterverzerrung in der Al-Matrix und haben unterschiedliche Auswirkungen auf die Wärmeleitfähigkeit. Dieser Unterschied ist das Ergebnis mehrerer Faktoren wie der Wertigkeit der Legierungselemente, Atomvolumenunterschieden, der Anordnung der extranuklearen Elektronen und der Art der Erstarrungsreaktion.

b.Die Wärmebehandlung ist ein sehr wichtiger Schritt bei der Verarbeitung von Aluminiumlegierungen. Durch Veränderung der Mikrostruktur und Phasenumwandlung von Aluminiumlegierungen kann deren Wärmeleitfähigkeit erheblich beeinflusst werden. Bei der Mischkristallbehandlung wird die Aluminiumlegierung auf eine bestimmte Temperatur erhitzt, um die gelösten Atome in der Matrix vollständig aufzulösen, und dann schnell abgekühlt, um eine gleichmäßige Mischkristalllösung zu erhalten. Diese Behandlung verbessert die mechanischen Eigenschaften des Materials, verringert aber normalerweise seine Wärmeleitfähigkeit. Die Alterungsbehandlung erfolgt durch entsprechende Kaltverformung und Wiedererwärmung nach der Mischkristallbehandlung, wodurch die Mikrostruktur der Legierung optimiert und ihre Gesamtleistung verbessert werden kann. Bei der Alterungsbehandlung werden die mechanischen Eigenschaften und die Wärmeleitfähigkeit der Legierung berücksichtigt, sodass die Legierung eine hohe Festigkeit beibehält und gleichzeitig eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweist. Durch Glühen wird die Mikrostruktur der Legierung verbessert, indem sie bei niedrigerer Temperatur gehalten wird, um die zweite Phase in der Legierung auszufällen und neu zu verteilen. Durch Glühen können die Plastizität und Zähigkeit von Aluminiumlegierungen verbessert werden, die Auswirkung auf die Wärmeleitfähigkeit variiert jedoch je nach spezifischer Situation.

Schematische Darstellung der Veränderungen der Kristallstruktur während des Alterungsprozesses einer Al-Cu-Legierung

c.Andere Einflussfaktoren sind Verunreinigungen und Zweitphasenpartikel: Verunreinigungen und Zweitphasenpartikel (wie Oxide, Carbide usw.) in Aluminiumlegierungen können heiße Ladungsträger (Elektronen und Phononen) streuen und dadurch die Wärmeleitfähigkeit verringern. Je höher der Verunreinigungsgehalt, desto gröber sind die Zweitphasenpartikel und desto geringer ist im Allgemeinen die Wärmeleitfähigkeit. Die Korngröße von Aluminiumlegierungen beeinflusst ebenfalls die Wärmeleitfähigkeit. Im Allgemeinen gilt: Je kleiner die Korngröße, desto mehr Korngrenzen gibt es und desto geringer ist die Wärmeleitfähigkeit. Darüber hinaus beeinflusst das Verarbeitungsverfahren der Aluminiumlegierung (wie Walzen, Extrudieren, Schmieden usw.) ihre Mikrostruktur und ihren Eigenspannungszustand und damit die Wärmeleitfähigkeit. Kaltverfestigung und Eigenspannungen verringern die Wärmeleitfähigkeit.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Aluminiumlegierungen eine ideale Wahl für Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit sind. Faktoren wie die Art der Legierungselemente in Aluminiumlegierungen und deren Formen, Wärmebehandlungsmethoden, Verunreinigungen, Korngröße und Formgebungsverfahren wirken sich alle auf die Wärmeleitfähigkeit von Aluminiumlegierungsmaterialien aus. Bei der Gestaltung der Materialzusammensetzung und der Prozessplanung sollten umfassende Überlegungen angestellt werden.

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Batterieträger, auch Batteriekästen oder PACK-Boxen genannt, werden bei der Entwicklung von Fahrzeugen mit alternativer Antriebstechnik zunehmend als sehr wichtige Komponente geschätzt. Bei der Konstruktion von Batterieträgern muss das Verhältnis zwischen Faktoren wie Gewicht, Sicherheit, Kosten und Materialleistung ausgewogen sein. Aluminiumlegierungen werden im Automobil-Leichtbau häufig eingesetzt, da sie aufgrund ihrer geringen Dichte und hohen spezifischen Festigkeit Steifigkeit gewährleisten und gleichzeitig die Leistung der Fahrzeugkarosserie sicherstellen können.

1-Auswahl der Schweißposition und -methode für Batterieträger

Aluminium-Batterieträger bestehen aus stranggepressten Aluminiumprofilen und die verschiedenen Komponenten werden durch Schweißen zu einem Ganzen verbunden, um eine komplette Rahmenstruktur zu bilden. Ähnliche Strukturen werden auch häufig in Energiespeicherboxen verwendet.

Zu den Schweißteilen des Batteriefachs gehören normalerweise das Verbinden der Bodenplatte, die Verbindung zwischen der Bodenplatte und der Seite, die Verbindung zwischen dem Seitenrahmen, den horizontalen und vertikalen Balken, das Schweißen von Komponenten des Flüssigkeitskühlsystems und das Schweißen von Zubehör wie Halterungen und Aufhängeösen. Bei der Auswahl der Schweißverfahren werden je nach Material- und Strukturanforderungen unterschiedliche Schweißverfahren ausgewählt, siehe folgende Tabelle:

2-Analyse des Einflusses der thermischen Schweißverformung

Schweißen ist ein lokales Wärmeverarbeitungsverfahren. Da die Wärmequelle auf die Schweißnaht konzentriert ist, ist die Temperaturverteilung auf der Schweißnaht ungleichmäßig, was schließlich zu Schweißverformungen und Schweißspannungen innerhalb der Schweißstruktur führt. Schweißverformung ist das Phänomen, dass sich Form und Größe der geschweißten Teile aufgrund ungleichmäßiger Wärmezufuhr und Wärmeabgabe während des Schweißvorgangs ändern. In Kombination mit der Erfahrung aus tatsächlichen technischen Projekten werden die Teile, die anfällig für Schweißverformungen sind, und die Einflussfaktoren zusammengefasst:

a.Lange gerade Schweißfläche

In der tatsächlichen Produktion besteht die Bodenplatte des Batteriefachs im Allgemeinen aus 2 bis 4 Aluminiumlegierungsprofilen, die durch Rührreibschweißen zusammengefügt werden. Die Schweißnähte sind lang, und es gibt auch lange Schweißnähte zwischen der Bodenplatte und der Seitenplatte sowie zwischen der Bodenplatte und dem Abstandsträger. Lange Schweißnähte neigen aufgrund konzentrierter Wärmezufuhr zu lokaler Überhitzung im Schweißbereich, was zu thermischer Verformung führt.

Schweißen des Batteriefachrahmens

b.Mehrkomponentenverbindungen

Es wird durch lokale Hochtemperaturerhitzung und anschließende Abkühlung während des Schweißvorgangs an der Mehrkomponentenschweißnaht verursacht. Während des Schweißvorgangs wird die Schweißnaht einer ungleichmäßigen Wärmezufuhr ausgesetzt, was zu einem erheblichen Temperaturunterschied zwischen dem Schweißbereich und dem umgebenden Grundmaterial führt, was zu thermischen Ausdehnungs- und Kontraktionseffekten führt und eine Verformung der geschweißten Teile verursacht. Das Ende der elektrischen Installation der Energiespeicherbox ist normalerweise mit einer Wasserdüse, einer Kabelbaumhalterung, einem Balken usw. ausgestattet, und die Schweißnähte sind dicht und sehr leicht zu verformen.

Im schweißintensiven Bereich ist die Vorderseite der Palette verzogen und verformt

c.Seitenwand des Kühlplattenkanals

In Batterieträgern mit integriertem Design der Flüssigkeitskühlplatte können Teile mit geringerer struktureller Steifigkeit, wie dünne Platten und Rohrstrukturen, thermischen Verformungen beim Schweißen nicht gut standhalten und sind anfällig für Verformungen. Beispielsweise ist die Seitenwand des Strömungskanals der Flüssigkeitskühlplatte sehr dünn, im Allgemeinen nur etwa 2 mm. Beim Schweißen von Trägern, Kabelbaumhalterungen und anderen Teilen auf der Modulmontagefläche können leicht Risse und Verformungsfalten an der Seitenwand des Strömungskanals entstehen, was die Gesamtleistung beeinträchtigt.

Thermische Rissdefekte an der Flüssigkeitskühlkanalwand durch Strahlschweißen

3-Verfahren zur Kontrolle der thermischen Verformung beim Schweißen

a.Segmentschweißen, beidseitiges Schweißen

Bei Teilen mit relativ geringen Festigkeitsanforderungen wird Segmentschweißen angewendet, wobei der Schweißvorgang in mehrere kleine Abschnitte unterteilt wird. Die Schweißnähte sind symmetrisch angeordnet, und die Schweißnähte sind im Konstruktionsabschnitt symmetrisch in der Nähe der neutralen Achse angeordnet, sodass sich die durch die Schweißnähte verursachten Verformungen gegenseitig ausgleichen können. Gleichzeitig werden Länge und Anzahl der Schweißnähte minimiert und eine übermäßige Konzentration oder Kreuzung von Schweißnähten vermieden, wodurch der Schweißtemperaturgradient verringert und somit die Schweißverformung verringert werden kann. Bei Teilen mit hohen Festigkeitsanforderungen wie Bodenplatte, Bodenplatte und Seitenrahmen wird doppelseitiges Schweißen angewendet, um die Festigkeit zu erhöhen und gleichzeitig die durch große Teile und lange Schweißnähte verursachte Biegeverformung zu verringern.

b.Optimierung der Schweißreihenfolge

Kontrollieren Sie die Schweißverformung, verwenden Sie Verbindungen mit geringerer Steifigkeit, vermeiden Sie sich kreuzende Zwei- und Dreiwegeschweißnähte und vermeiden Sie Bereiche mit hoher Spannung. Optimieren Sie die Schweißreihenfolge, schweißen Sie zuerst die Bereiche mit geringerer Steifigkeit und zuletzt die Bereiche mit besserer Steifigkeit, z. B. zuerst die Kehlnähte, dann die kurzen Schweißnähte und schließlich die langen Schweißnähte; schweißen Sie zuerst die Quernähte, dann die Längsnähte. Eine vernünftige Schweißreihenfolge kann die Schweißverformung wirksam kontrollieren und dadurch die Schweißabmessungen steuern.

c.Einstellung der Schweißparameter

Kontrollieren Sie Schweißparameter und -prozesse und stellen Sie Schweißgeschwindigkeit, Anzahl der Schweißschichten und Dicke jeder Schweißnaht sinnvoll ein. Verwenden Sie für dickere Schweißnähte Mehrschicht- und Mehrkanalschweißverfahren, und die Dicke jeder Schweißschicht sollte 4 mm nicht überschreiten. Mehrschichtschweißen kann die strukturelle Mikrostruktur reduzieren und die Leistung der Verbindung verbessern. Kontrollieren Sie die Schweißparameter genau und wählen Sie Parameter wie Schweißstrom, Spannung, Elektrodenmodell und Schweißgeschwindigkeit sinnvoll aus, um eine gleichmäßige Form und Größe des Schmelzbades sicherzustellen und so Fehler durch falsche Parameterauswahl zu vermeiden.

d.Verbesserung der Schweißkenntnisse

Verbessern Sie die Bedienerkenntnisse des Schweißers (nutzen Sie mechanische Bearbeitung für große Komponenten oder Knoten mit strengen Anforderungen), um die Konsistenz und Standardisierung der Aktionen beim Schweißen sicherzustellen und durch menschliche Faktoren verursachte Maßprobleme zu reduzieren.

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Bei der Wärmeableitungskonstruktion kann die Einführung effektiver Methoden zur Kostensenkung die Zuverlässigkeit und Effizienz des Gesamtsystems verbessern und gleichzeitig unnötige Kosten reduzieren.

1-Derating-Design reduziert Kosten

Derating-Design ist eine Designmethode, die die elektrischen, thermischen und mechanischen Belastungen, denen Komponenten oder Produkte während des Betriebs ausgesetzt sind, absichtlich reduziert. In tatsächlichen Produktions- und Nutzungsszenarien kann die Stabilität elektronischer Geräte durch die Reduzierung der Belastung der Komponenten verbessert werden.

Schematische Darstellung der Wärmeableitungspfade für 2D- und 3D-Verpackungen

l Reduzieren Sie die Arbeitsbelastung: Während der Produktentwicklung und des Betriebs kann die Arbeitsbelastung der Komponenten durch Reduzierung der Arbeitslast, Steuerung der Betriebsfrequenz, Begrenzung von Strom und Spannung usw. reduziert werden.

l Reduzieren Sie die Umweltbelastung: Reduzieren Sie die Umweltbelastung durch die Auswahl geeigneter Komponententypen, Layouts und Verpackungsformen, z. B. durch die Auswahl von Komponenten mit einer großen Temperaturtoleranz oder die Verwendung von Verpackungsformen mit guter Versiegelung, um die Auswirkungen von Temperatur, Feuchtigkeit und Druck auf die Komponenten zu verringern.

l Anwendung der Zuverlässigkeitstechnik: Durch sinnvolles redundantes Design, Fehlererkennung und -isolierung usw. wird das Ausfallrisiko von Komponenten weiter reduziert.

Durch die Reduzierung der Belastung der Komponenten während des Betriebs können deren Stromverbrauch und Wärmeentwicklung reduziert werden. Wenn Leistungsgeräte unter Belastungsbedingungen betrieben werden, die unter ihrer Nennbelastung liegen, können ihr Stromverbrauch und ihre Wärmeentwicklung reduziert werden, was zur Verbesserung der Energieeffizienz und Zuverlässigkeit des Systems beiträgt. Auf lange Sicht erhöht das Derating-Design effektiv die Lebensdauer der Komponenten, verringert die Ausfallraten, verringert den Wartungsaufwand und senkt somit die Kosten.

2-Layout optimieren

Die Arbeitseffizienz des Kühlers kann durch eine sinnvolle Anordnung der thermischen Komponenten erheblich verbessert werden. Mit einer sinnvollen Strategie zur Komponentenanordnung kann ein Gleichgewicht zwischen Produktleistung und Kosten erreicht werden.

l Wärmeableitungskomponenten verteilen: Verteilen Sie Komponenten, die große Wärmemengen erzeugen, um die Wärmebelastung pro Flächeneinheit zu verringern.

l Wärmeableitungsfördernder Ort: Platzieren Sie das Heizelement an einem Ort, der die Wärmeableitung fördert, beispielsweise in der Nähe einer Lüftungsöffnung oder am Rand des Geräts.

l Versetzte Anordnung: Versetzen Sie die Heizkomponenten während der Anordnung mit anderen allgemeinen Komponenten und versuchen Sie, die Heizkomponenten zu hauptsächlich temperaturempfindlichen Komponenten zu machen, um ihren Einfluss auf die wärmeempfindlichen Komponenten zu verringern.

l Verbesserung des Luftstroms: Durch Änderung des Richtungsdesigns und der Komponentenanordnung wird der Luftstrompfad optimiert, die Durchflussrate erhöht und der Wärmeübertragungskoeffizient verbessert.

Empfehlungen zum Abstand zwischen den Komponenten

3-Wahl der Kühlmethode

Mit der Verbesserung der Leistung elektronischer Komponenten und dem zunehmenden Integrationsgrad nimmt die Leistungsdichte weiter zu, was zu einer erheblichen Zunahme der von den elektronischen Komponenten während des Betriebs erzeugten Wärme führt. Bei der Auswahl einer Wärmeableitungsmethode für elektronische Komponenten umfassen die Anforderungen an die Temperaturregelung hauptsächlich die folgenden Aspekte:

l Temperaturbereich: Verschiedene Komponenten haben unterschiedliche Temperaturtoleranzbereiche. Beispielsweise haben Hochleistungschips wie CPUs Betriebstemperaturanforderungen zwischen 85 und 100 °C, während einige Geräte mit geringem Stromverbrauch höhere Temperaturen vertragen. Daher muss das Kühlsystem sicherstellen, dass die Komponenten in einem sicheren Temperaturbereich arbeiten.

l Genauigkeit der Temperaturregelung: In einigen Szenarien mit strengen Anforderungen an die Temperaturregelung ist es erforderlich, eine Wärmeableitungslösung einzusetzen, die die Temperatur genau regeln kann, um eine Verschlechterung der Komponentenleistung oder sogar Schäden durch zu hohe oder zu niedrige Temperaturen zu vermeiden.

l Umgebungstemperatur: Die Wärmeableitungswirkung elektronischer Geräte hängt nicht nur von der Wärmeableitungskapazität des Geräts selbst ab, sondern wird auch von der Umgebungstemperatur beeinflusst. Das Wärmeableitungsdesign muss Änderungen der Umgebungstemperatur berücksichtigen und versuchen, das Gerät durch Wärmeableitungsmittel in einem geeigneten Temperaturbereich zu halten.

l Stromverbrauch und Zuverlässigkeit: Einige elektronische Komponenten mit geringem Stromverbrauch können die natürliche Wärmeableitung nutzen, wenn sie wenig Wärme erzeugen. Bei Geräten mit hohem Stromverbrauch muss auf die Wärmeableitungstechnologie der Universitäten gewartet werden, um sicherzustellen, dass die normale Leistung erhalten bleibt und der Betrieb unter hoher Belastung verlängert wird Lebensdauer.

l Versiegelung und Dichte: Bei versiegelten und hochdichten Geräten können Sie sich auf die natürliche Wärmeableitung verlassen, wenn die Wärmeentwicklung nicht hoch ist. Wenn Komponenten dicht gepackt sind und große Mengen Wärme erzeugen, sind effektivere Wärmeableitungstechnologien wie erzwungene Wärmeableitung oder Flüssigkeitskühlung erforderlich. Flüssigkeitskühlung und Heatpipe-Technologie werden in Szenarien mit hohem Stromverbrauch und großer Wärmeentwicklung eingesetzt, beispielsweise bei elektronischen Hochleistungskomponenten wie Wanderfeldröhren, Magnetrons und Leistungsverstärkerröhren, Servern und Geräten mit hohem Stromverbrauch sowie Drei-Elektro-Systemen von Fahrzeugen mit neuer Energie. Seine einzigartigen Anwendungsvorteile.

            Ladesäulen-Luftkühlmodul                                Ladesäulen-Flüssigkeitskühlmodul

Bei der Auswahl einer Kühlmethode für elektronische Komponenten müssen Faktoren wie Wärmeerzeugung und Wärmestrom, Umgebungstemperatur und Betriebstemperatur, Platzbeschränkungen und Anforderungen an die Wärmeisolierung sowie Kosten und Machbarkeit umfassend berücksichtigt werden. Durch den Einsatz geeigneter Kühltechnologie und Kühlgeräte, um sicherzustellen, dass die Komponenten bei einer geeigneten Temperatur arbeiten, können die Kosten für Systemaustausch und Wartung effektiv gesenkt werden. Darüber hinaus ist die Wiederverwendung historischer Projekte auch eine effektive Strategie, um Entwicklungs- und Herstellungskosten zu senken und die Zuverlässigkeit zu verbessern.

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