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.

Wir werden regelmäßig Informationen und Technologien zu Wärmedesign und Leichtbau aktualisieren und mit Ihnen teilen. Vielen Dank für Ihr Interesse an Walmate.

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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Anwendungsszenarien

Betriebsbedingungen:

Szenario mit hohem Wärmestrom

Installationsanordnung:

Einseitige Installation

Typische Anwendung: Kundenspezifische Anpassung

Eigenschaften: Gute Wärmeableitung

Fluid-Simulation

Verwendung von Simulationssoftware zur Analyse der Wärmeableitungsleistung von Kühlern und Kühlelementen

Anwendungsszenarien

Technologie:

Schweißen von Aluminiumprofilen

Anordnung und Installation:

Boden-Flüssigkeitskühlung

Typische Anwendung: Kundenspezifische Anpassung

Eigenschaften: leichtes Gewicht, gute Kühlwirkung

Im Flüssigkeitskühlsystem wird die Kühlplatte direkt am Boden der Batterie angebracht oder in den Zwischenräumen der Batterie eingesetzt. Nachdem das Kühlmittel zirkuliert ist, wird es durch den Wärmetauscher gekühlt und dann wieder in das System zurückgeführt.

Das Gehäuse des Aluminiumlegierungsbatteriepacks besteht hauptsächlich aus einem Rahmen aus Aluminiumprofilen und einer Bodenplatte aus Aluminiumprofilen, die durch Schweißen von Extrusionsprofilen der 6er-Serie hergestellt werden. Um die Schweißfestigkeit und Dichtheit zu gewährleisten, wird häufig die Rührreibschweißtechnik verwendet, die eine geringe Verformung bei niedrigen Spannungen aufweist. Die üblichen Standardteile für Aluminiumprofile sind Drahtgewindehülsen, Blindnietmuttern und Pressnietmuttern.Neben den Standardteilen bestehen alle anderen Teile aus 100 % Aluminiumlegierung, was eine hohe Gehäusestärke, geringes Gewicht und gute Korrosionsbeständigkeit gewährleistet.

Ein Elektrofahrzeug ist ein Fahrzeug, das unkonventionelle Kraftstoffe als Antriebsquelle verwendet (oder herkömmliche Kraftstoffe in Kombination mit neuen Antriebssystemen nutzt) und fortschrittliche Technologien in der Fahrzeugantriebssteuerung und -führung integriert. Es basiert auf neuen Technologien und Strukturen, die auf fortschrittlichen technischen Prinzipien beruhen.

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

Technologie:

Schweißen von Aluminiumprofilen

Anordnung und Installation:

Boden-Flüssigkeitskühlung

Typische Anwendung: Kundenspezifische Anpassung

Eigenschaften: leichtes Gewicht, gute Kühlwirkung

Verwendung sauberer Energien：

Klima, Umwelt, Ressourcen, Energie und die nationale und öffentliche Lebensgrundlage sind eng miteinander verbunden. Die Bewältigung dieser relevanten Fragen entscheidet darüber, ob die menschliche Gesellschaft nachhaltig entwickelt werden kann.Unter dem Druck von Energieknappheit und Umweltverschmutzung sind die beiden technischen Richtungen der Energiespeicherbatteriefahrzeuge und Brennstoffzellen die Hauptentwicklungsrichtungen der neuen Energiefahrzeugindustrie.

Leichtbau:

Da 75 % des Energieverbrauchs mit dem Fahrzeuggewicht zusammenhängen, ist Leichtbau eine wichtige technologische Maßnahme zur Energieeinsparung, Verbrauchsreduzierung und Reichweitenverlängerung bei neuen Energiefahrzeugen. Leichtbau-Design ist einer der entscheidenden Treiber zur Senkung des Energieverbrauchs von Fahrzeugen. Der Einsatz neuer Leichtbaumaterialien, die Strukturoptimierung und die Prozessverbesserung sind die wesentlichen Wege zur Umsetzung des Leichtbaus von Fahrzeugen.

Wärmemanagement:

Für Energiespeicher-Elektrofahrzeuge wird das Wärmemanagement eine Schlüsseltechnologie zur schnellen Aufladung und Erhöhung der Reichweite darstellen. Bei Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeugen sind Wasser- und Wärmemanagement entscheidende Kerntechnologien für die Entwicklung des Brennstoffzellenantriebssystems, die maßgeblichen Einfluss auf die Leistung, Sicherheit und Lebensdauer des gesamten Fahrzeugantriebssystems haben.

Normalerweise wird die äußere Luft als Kühlkörper verwendet, um die von den Chips erzeugte Wärme durch verschiedene Medien und Schnittstellen an den Kühler zu übertragen und abzuführen.

Durch hohe Integration wurden Kosten und Gewicht des elektrischen Antriebssystems reduziert. Internationale und nationale Automobilhersteller bieten verschiedene Integrationsformen von elektrischen Antriebssystemen an, einschließlich Drei-in-Eins, Vier-in-Eins, Sechs-in-Eins, Sieben-in-Eins und Acht-in-Eins.Für den Bereich der Antriebsstränge von neuen Energiefahrzeugen hat Walmate Strukturelemente entwickelt und hergestellt, die elektrische Steuerung, Motor, Fahrzeugsteuerungseinheit, Getriebe und Ladeeinheit in einem einzigen Antriebssystem für neue Energiefahrzeuge integrieren.

Produktprüfungen

Wir bieten maßgeschneiderte Testverfahren an, um die Anforderungen unserer Kunden zu erfüllen

Anwendungsszenarien

Betriebsbedingungen:

Szenario mit hohem Wärmestrom

Installationsanordnung:

Einseitige Installation

Typische Anwendung: Kundenspezifische Anpassung

Eigenschaften: Gute Wärmeableitung

Anwendungsszenarien

Technologie:

Schweißen von Aluminiumprofilen

Anordnung und Installation:

Boden-Flüssigkeitskühlung

Typische Anwendung: Kundenspezifische Anpassung

Eigenschaften: leichtes Gewicht, gute Kühlwirkung

IGBT ist ein zentrales Bauelement in den Antriebsmotoren von Neuen Energiefahrzeugen, das eine entscheidende Rolle für die Effizienz, Leistungsdichte und Zuverlässigkeit des elektrischen Antriebs hat und als „Herz des Autos“ bezeichnet werden kann.Im elektrischen Steuerungssystem von Neuen Energiefahrzeugen ist das Hauptwärme erzeugende Gerät der Wechselrichter, dessen Aufgabe es ist, den Gleichstrom der Batterie in Wechselstrom für den Antrieb des Motors umzuwandeln.Während dieses Prozesses erzeugt das IGBT im Wechselrichter eine große Menge an Wärme, und die Wärme-Stabilität seiner Arbeit ist ein entscheidendes Kriterium zur Bewertung der Leistung des elektrischen Antriebssystems.

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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Zusammenfassung: Wasserstoff-Brennstoffzellen, auch Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) genannt, werden aufgrund ihrer hohen Effizienz, Null-Emissionen und Null-Umweltverschmutzung häufig in Ladestationen für Elektrofahrzeuge, Autos und anderen Stromerzeugungsanlagen eingesetzt.

Fahrzeuge mit Wasserstoff-Brennstoffzelle geben im Betrieb drei- bis fünfmal mehr Wärme ab als Fahrzeuge mit herkömmlichem Brennstoffzellenantrieb.

In diesem Artikel werden die aktuellen Technologien zur Wärmeableitung von Wasserstoff-Brennstoffzellen kurz vorgestellt.

1-Wie Wasserstoff-Brennstoffzellen funktionieren

Wasserstoff-Brennstoffzellen geben im Betrieb eine große Wärmemenge ab, wovon etwa 55 % auf elektrochemische Reaktionswärme, 35 % auf irreversible elektrochemische Reaktionswärme, etwa 10 % Joule-Wärme und etwa Kondensationswärme sowie verschiedene Wärmeverluste entfallen 5 %.

Wasserstoff-Brennstoffzellen produzieren ungefähr so viel Wärme wie Strom.

Wenn es nicht rechtzeitig abgebaut wird, steigt die Temperatur im Inneren der Batterie deutlich an und beeinträchtigt deren Lebensdauer.

PEM-Reaktionsprinzip

2-Wärmeableitung einer Wasserstoff-Brennstoffzelle

Compared to fuel powered vehicles, hydrogen fuel cell vehicles have a higher heat generation and a more complex system. At the same time, due to the limitation of the working temperature of hydrogen fuel cells, the temperature difference between hydrogen fuel cells and the outside world is smaller, making it more difficult for the heat dissipation system to dissipate heat. The working temperature of hydrogen fuel cells has a significant impact on fluid flow resistance, catalyst activity, stack efficiency, and stability, thus requiring an efficient heat dissipation system.

Im Vergleich zu kraftstoffbetriebenen Fahrzeugen haben Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeuge einen höheren Heizwert und komplexere Systeme.Gleichzeitig ist aufgrund der Begrenzung der Betriebstemperatur von Wasserstoff-Brennstoffzellen der Temperaturunterschied zwischen Wasserstoff-Brennstoffzellen und der Außenwelt gering, was es für das Wärmeableitungssystem schwieriger macht, Wärme abzuleiten.Die Betriebstemperatur von Wasserstoff-Brennstoffzellen hat einen erheblichen Einfluss auf den Flüssigkeitsströmungswiderstand, die Katalysatoraktivität, die Stapeleffizienz und die Stabilität. Daher sind effiziente Wärmeableitungssysteme erforderlich.Die Flüssigkeitskühlungstechnologie ist derzeit die gängige Technologie für Wasserstoff-Brennstoffzellen in Automobilen. Ziel ist es, den Stromverbrauch der Wasserpumpe durch Reduzierung des Systemdruckabfalls zu senken, überschüssige Wärme in Wasserstoff-Brennstoffzellen bei minimalem Stromverbrauch zu eliminieren und die Verteilung der zirkulierenden Arbeitsflüssigkeitskanäle zu optimieren, um interne Temperaturunterschiede zu verringern und die Gleichmäßigkeit der Batterietemperaturverteilung zu verbessern. 90 % der in Wasserstoffbrennstoffzellen erzeugten Wärme werden vom Wärmeableitungssystem durch Wärmeleitung und Konvektion abgeführt, während 10 % der Wärme durch Strahlungswärmeableitung an die Außenumgebung abgegeben werden.Zu den traditionellen Wärmeableitungsmethoden gehören Luftkühlung, Flüssigkeitskühlung und Phasenwechsel-Wärmeableitung.

3- Wärmeübertragung in PEMFC-Systemen

3.1 Wärmeableitung im Stapel

Nachdem im PEMFC Wärme erzeugt wurde, wird die Wärme zwischen verschiedenen Komponenten im PEMFC und der Außenumgebung übertragen.

Die Wärmeübertragung innerhalb des Brennstoffzellenstapels hängt hauptsächlich vom Wärmewiderstand jeder Komponente und dem Kontaktwärmewiderstand zwischen verschiedenen Komponenten ab. Da die Gasdiffusionsschicht eine „Brücke“ ist, die die Hauptwärme erzeugenden Komponenten (Membranelektroden) und die Hauptwärmeableitungskomponenten (Bipolarplatten) verbindet, haben ihr Wärmewiderstand und der Kontaktwärmewiderstand mit anderen Komponenten einen erheblichen Einfluss auf die Wärme Übertragungsleistung innerhalb der PEMFC. Darüber hinaus kann der thermische Kontaktwiderstand zwischen verschiedenen Komponenten einen erheblichen Einfluss auf die interne Wärmeübertragung des Brennstoffzellenstapels haben.

3.2 Wärmeübertragung des Kühlmittels

Zu den Kühlmethoden für Brennstoffzellen gehören Luftkühlung, Flüssigkeitskühlung und Phasenwechselkühlung. Zu den Faktoren, die die Wärmeübertragung des Kühlmittels beeinflussen, gehören das PEMFC-Stapelende, das Kühlmittel selbst und das Kühlerende. Das Kühlmittel steht in direktem Kontakt mit den Bipolarplatten am Ende des PEMFC-Stapels, sodass die Kanalstruktur des Kühlmittels einen erheblichen Einfluss auf dessen Wärmeübertragung hat.

Darüber hinaus beeinflussen auch die Eigenschaften des Kühlmittels selbst den damit verbundenen Wärmeübertragungsprozess.

Angesichts des Platzmangels kann die Wahl eines Kühlmittels mit einer größeren Wärmekapazität die Größe des Kühlkörpers reduzieren und die Wärmemanagementleistung der PEMFC verbessern. Daher wird der Bedarf an neuen hocheffizienten Kühlmitteln immer offensichtlicher.

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     Der Trend zur Miniaturisierung elektronischer Geräte nimmt von Tag zu Tag zu. Gleichzeitig hat die Nachfrage nach mehr Funktionen und höherer Leistung die Reduzierung der Größe jeder Verpackungsebene weiter vorangetrieben, was zu einer raschen Steigerung der Leistungsdichte führt.

Chip-Verpackungsprozess und TDP

Die Miniaturisierung von Geräten basiert ursprünglich auf Überlegungen zur Kostenreduzierung. Thermische Lösungen erhöhen direkt das Gewicht, das Volumen und die Kosten des Produkts ohne funktionale Vorteile, sorgen aber für Produktzuverlässigkeit. Eine effektive Wärmeableitung ist für den stabilen Betrieb und die langfristige Zuverlässigkeit elektronischer Produkte von entscheidender Bedeutung, da die Komponententemperaturen innerhalb bestimmter Grenzen gehalten werden. Einerseits führt die Miniaturisierung der Geräte dazu, dass der Designspielraum immer kleiner wird und die Toleranz für Überdesign immer geringer wird. Andererseits hat der allgemeine Trend der Miniaturisierung zu immer unübersichtlicheren und komplexeren geometrischen Modellen geführt, was die enge Integration mechanischer und elektronischer Komponenten in Produkte vertieft. Das Ergebnis ist, dass der Strömungsraum stark komprimiert wird, wodurch der Umfang der Konvektionswärme eingeschränkt wird Verlustleistung, Herstellung Die Struktur des Kühlkörpers, das Kernmaterial des thermischen Designs, ist komplexer geworden.

Der Heizkörper ist die am häufigsten verwendete Komponente zur Verbesserung der Wärmeableitung bei der thermischen Gestaltung elektronischer Geräte. Sein Verbesserungsprinzip besteht darin, die Wärmeflussdichte der Wärmequelle und die Temperaturanforderungen der Heizkomponenten zu erhöhen Innenraumgröße des Produkts, Installation des Heizkörpers, Aussehen, Design und andere Anforderungen. Die Leistung des Heizkörpers wird von vielen Faktoren beeinflusst, wie z. B. Material, geometrische Größe, Ebenheit des Bodens, Wärmewiderstand, Oberflächenbehandlung, Installations- und Befestigungsmethoden sowie Temperatur und Luftfeuchtigkeit der Arbeitsumgebung.

1-Material des Kühlkörpers

Die Hauptmaterialien von Kühlkörpern sind: Aluminium, Aluminiumlegierung, Kupfer, Eisen usw. Aluminium ist das am häufigsten vorkommende Metallelement in der Natur. Es hat ein geringes Gewicht, eine hohe Korrosionsbeständigkeit und eine hohe Wärmeleitfähigkeit und eignet sich daher hervorragend als Rohstoff für Kühlkörpern. Durch die Zugabe einiger Metalle zu Aluminium zur Bildung einer Aluminiumlegierung kann die Härte des Materials erheblich erhöht werden. Graphit verfügt über die elektrischen und thermischen Leitfähigkeitseigenschaften von Metallmaterialien und weist gleichzeitig eine ähnliche Plastizität wie organische Kunststoffe auf. Darüber hinaus wird es in der Elektronik, Kommunikation, Beleuchtung und anderen Bereichen eingesetzt.

2-Kühlkörperherstellungsprozess

Die wichtigsten Verarbeitungstechnologien für Kühlkörper sind CNC, Aluminiumextrusion, gekräuselte flosse und Schlitzen usw.:

Aluminium-Extrusion: Aluminium-Extrusionskühlkörper werden durch Erhitzen von Aluminiumbarren auf etwa 460 °C hergestellt, wodurch halbfestes Aluminium unter hohem Druck durch eine gerillte Extrusionsdüse fließen kann, um die ursprüngliche Form des Kühlkörpers zu extrudieren, und anschließend geschnitten und weiterverarbeitet wird . 

Der Aluminiumextrusionsprozess kann die Ebenheit und andere Maßanforderungen des Kühlkörpers nicht genau garantieren, sodass in der Regel eine spätere Weiterverarbeitung erforderlich ist.

Schälen: Schälen werden hergestellt, indem lange Streifen aus Metallblech (normalerweise Aluminiumlegierung oder Kupferlegierung) in einem bestimmten Winkel geschaufelt werden, um das Material im Vergleich zur Extrusion in Stücke zu schneiden und zu begradigen Der Vorteil von Schaufelzähnen besteht darin, dass Heizkörper mit einer höheren Lamellendichte und einem größeren Verhältnis der Zahnhöhe zum Vielfachen verarbeitet werden können.

Gekräuselte Flosse: Die Verarbeitung des gekräuselte flosse Kühlkörper besteht darin, die Zähne in die Grundplatte des Kühlers einzusetzen und die Zähne durch Klebeschweißen, Hartlöten oder Extrudieren mit der Basis zu verbinden. Die Kombination der Zähne und der Basis des zahnradformenden Kühlers ist Sehr wichtig: Bei unsachgemäßer Verwendung kann es zu einem gewissen thermischen Übergangswiderstand kommen, der die Wärmeableitungsleistung des Getriebekühlers beeinträchtigen kann.

3-Oberflächenbehandlung des Kühlkörpers

 Aluminiumlegierungen oxidieren leicht an der Luft (Bildung von Aluminiumoxidfilmen), aber diese natürliche Oxidschicht ist nicht dicht, weist eine geringe Korrosionsbeständigkeit auf und ist aufgrund von Anforderungen wie Ästhetik, Korrosionsbeständigkeit und verbesserter Wärmeableitungsleistung anfällig für Verunreinigungen , Metallheizkörper erfordern eine Oberflächenbehandlung: Eloxieren, Sandstrahlen, chemische Vernickelung und Einbrennlackierung usw.

Anodisieren: Das Prinzip des Anodisierens ist im Wesentlichen die Verwendung von Wasserelektrolyse. Aluminium oder Aluminiumlegierungen werden als Anode in einer dielektrischen Lösung verwendet, und der Prozess der Bildung eines Aluminiumoxidfilms auf der Oberfläche wird als Anodisieren bezeichnet Später erhöht sich der Oberflächenemissionsgrad des Heizkörpers und die Wärmeableitungsfähigkeit der Wärmestrahlung wird verbessert; durch Eloxieren kann die Farbe von Aluminium/Aluminiumlegierung erhalten oder verändert werden, und Heizkörper sind meist schwarz eloxiert.

Sandstrahlen: Unter Sandstrahlen versteht man den Prozess, bei dem Druckluft als Energiequelle verwendet wird und der Aufprall eines Sandstrahls mit hoher Geschwindigkeit zum Reinigen und Aufrauen der Oberfläche des Kühlers genutzt wird. Durch den Aufprall und die Schneidwirkung auf der Oberfläche kann dieser Prozess nicht nur die Oberfläche entfernen Rost auf der Oberfläche des Kühlers usw. Der gesamte Schmutz wird entfernt und die Oberfläche des Produkts kann einen gleichmäßigen metallischen Glanz aufweisen.

Chemische Vernickelung: Chemische Vernickelung ist ein Prozess, bei dem eine Nickellegierung aus einer wässrigen Lösung auf die Oberfläche eines Objekts aufgetragen wird. Sie zeichnet sich durch eine hohe Oberflächenhärte, eine gute Verschleißfestigkeit, eine gleichmäßige und schöne Beschichtung und eine starke Korrosionsbeständigkeit aus Kupfer und Aluminium können nicht direkt geschweißt werden, daher ist eine stromlose Vernickelung erforderlich, bevor das Schweißen mittels Löten und anderen Verfahren durchgeführt werden kann.

Backfarbe: Backfarbe ist eine leistungsstarke Spezialbeschichtung namens Teflon, die bei hohen Temperaturen (280℃~400℃) auf die Oberfläche des Heizkörpers aufgetragen wird und die Oberfläche des Heizkörpers antihaftbeschichtet, hitzebeständig und feuchtigkeitsbeständig macht , verschleißfest und korrosionsbeständig, Einbrennlackierung hat Vorteile in Bezug auf Aussehen und Wärmeleitfähigkeit. Wärmerohrheizkörper neigen jedoch zu Ausdehnung und Verformung aufgrund hoher Temperaturen, also Einbrennlackierung bei niedriger Temperatur muss speziell beim Backen verwendet werden.

Da die zu verarbeitende Leistung weiter zunimmt, werden Heizkörper zunehmend mit Wärmerohren, Lamellen und anderen Geräten kombiniert, um Kühlmodule mit höherer Leistung zu bilden, und es entstehen wassergekühlte Kühlkörpers mit höherer Wärmeableitungseffizienz.

Anodisieren

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   Abstrakt: Im elektrischen Steuerungssystem von Neuen Energiefahrzeugen ist das Hauptwärme erzeugende Gerät der Wechselrichter, dessen Aufgabe es ist, den Gleichstrom der Batterie in Wechselstrom für den Antrieb des Motors umzuwandeln. Während dieses Prozesses erzeugt das IGBT im Wechselrichter eine große Menge an Wärme. Um das Wärmeableitungsproblem dieser Geräte zu lösen, wird in diesem Artikel das Funktionsprinzip des Wechselrichters und die fortschrittliche Flüssigkeitskühlungstechnologie vorgestellt.

1- Anwendung von IGBT im elektronischen Steuerungssystem neuer Energiefahrzeuge

Als elektrische Energieumwandlungseinheit, die die Batterie und den Antriebsmotor in Fahrzeugen mit neuer Energie verbindet, ist das elektrische Steuerungssystem das Herzstück des Motorantriebs und der Motorsteuerung. Als Gerät, das Hochspannungsbatterien und Motorleistung verbindet und ineinander umwandelt, ist der Wechselrichter ein Wandler, der für die Umwandlung von Gleichstrom (Batterie, Akku) in festfrequente und konstante Spannung oder frequenzgeregelte und spannungsgesteuerte Energie zuständig ist. geregelter Wechselstrom (im Allgemeinen 220 V, 50 Hz Sinuswelle), der die elektrische Energieumwandlung von Fahrzeugen mit neuer Energie gewährleistet.

Vereinfachtes Diagramm des elektrische Steuersystems

Das IGBT-Leistungsmodul im Wechselrichter spielt bei diesem Prozess eine sehr wichtige Rolle. Während des Energieumwandlungsprozesses erzeugt der IGBT viel Wärme. Wenn die Temperatur des IGBT 150 °C überschreitet, kann die Luftkühlung nicht funktionieren oder Luftkühlung ist erforderlich.

Die thermische Stabilität des IGBT-Betriebs ist zum Schlüssel zur Bewertung der Leistung elektrischer Antriebssysteme geworden.

So funktioniert der Wechselrichter

Neben elektronischen Steuerungssystemen werden IGBTs auch häufig in Bordklimasteuerungssystemen und Ladesäulensystemen in Fahrzeugen mit neuer Energie eingesetzt:

Als zentrale technische Komponente von Elektrofahrzeugen sowie Ladesäulen und anderen Geräten. Das IGBT-Modul macht fast 10 % der Kosten von Elektrofahrzeugen und etwa 20 % der Kosten von Ladesäulen aus, und seine thermische Stabilität ist zum Schlüssel zur Bewertung der Leistung des elektrischen Antriebssystems geworden.

IGBT-Flüssigkeitskühlungstechnologie

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