Um Marktanforderungen wie große Spannen, schnelle Iterationen und umfangreiche Produktlinien zu erfüllen und gleichzeitig Kostensenkungen, Effizienzsteigerungen und Qualitätssicherung sicherzustellen, ist die Produktstandardisierung – Fahrzeugplattformierung – für die Automobilindustrie zweifellos eine gute Strategie. Durch Batterieplattformierung kann dieselbe Batteriepacklösung für verschiedene Modelle angepasst werden oder Batteriepacklösungen, die aus demselben Typ von Batteriezellen und ähnlichen Strukturen bestehen, können angepasst werden. Dies bedeutet, dass so viele Teile wie möglich standardisiert werden können, was den Entwicklungszyklus verkürzen, Kosten sparen, Produktionslinien rationalisieren und die Produktionseffizienz verbessern kann.

Erstens: Batterie-Plattformisierung

Die Batterieplattformlösung unterstützt die Gesamtplanung von Produkten, die Kostensenkung und die Optimierung der Produktionskapazität. Gemäß der Batterieplattformstrategie der Fahrzeugplattform ist es notwendig, die Schnittmenge und Bandbreite der Anforderungen jedes Modells der Plattform zu berücksichtigen und so wenige Batterien und Batterielösungen wie möglich zu verwenden, um mit so vielen Modellen wie möglich kompatibel zu sein. Bei der Architekturentwicklung rein elektrischer Projekte ist es entscheidend, das integrierte Leistungsbatteriepaket sinnvoll anzuordnen. Zu den spezifischen Arbeitselementen gehören Anforderungen an Leistung und Leistungsleistung, Kollisionssicherheit, Layout-Standort und -Raum usw.

1-Räumliche Größengrenzen und Standardisierung von Batteriezellen

l Verfügbare Akkupack-Positionen

Derzeit ist die gängige Anordnung der Strombatterie unter dem Boden, einschließlich unter den Vordersitzen, unter den Rücksitzen, im Mittelkanal und an der Fußstütze. Diese Anordnung kann den verfügbaren Bereich maximieren, dazu beitragen, den Schwerpunkt des Fahrzeugs abzusenken, die Fahrstabilität des Fahrzeugs zu verbessern und den Übertragungsweg der Aufprallkraft zu optimieren.

Abbildung 1: Batteriepack-Layout bei der Entwicklung von Elektrofahrzeugen

l Entwicklung der Raumaufteilung von Batteriepacks

Geteilter Akkupack: Es wird ein geteiltes Akkupack-Raumlayout verwendet, wie es bei der JAC Tongyue-Serie der Fall ist. Das Energiemodul besteht aus zwei Akkupacks, von denen sich einer an der ursprünglichen Position des Kraftstofftanks und der andere im Kofferraum befindet, wo das Reserverad aufbewahrt wird.

Darüber hinaus erforschen Ingenieure kontinuierlich den nutzbaren Raum innerhalb der ursprünglichen Architektur von Kraftstofffahrzeugen, was zu Batteriepack-Layouts in den Formen „工“ (Gong), „T“ und „土“ (tu) führt.

Diese Art von Design stellt eine geringfügige Modifikation eines herkömmlichen Kraftstofffahrzeugs dar. Der Platz ist sehr begrenzt und das Volumen und Gewicht des Akkus, der geladen werden kann, sind sehr begrenzt, sodass die Kapazität schwer zu erhöhen ist und die Reichweite nicht hoch ist.

Integrierter Akkupack: Dies ist ein neues Produktdesignkonzept. Das Design des gesamten Fahrzeugs dreht sich um die Kernkomponente – den Akkupack. Der Akkupack ist modular aufgebaut und flach auf dem Fahrzeugchassis platziert, um den verfügbaren Platz zu maximieren.

l Anordnung der Installationspunkte des Akkupacks

Eine sinnvolle Auslegung des Batteriepakets ist entscheidend, wobei die limitierenden Faktoren bei der Konstruktion Bodenfreiheit, Befahrbarkeit, Kollisionssicherheit, Leistungsbedarf und viele weitere Aspekte sind.

Abbildung 2: Designbeschränkungen bei der Batteriepackgröße

Die Fahrzeugplattform muss die Kategorie, das Niveau und die Positionierung jedes Fahrzeugmodells innerhalb der Plattform definieren und dann die Größe und den Radstand des Fahrzeugs bestimmen. Das Fahrzeuglayout zerlegt die Größenhülle des Batteriepakets in X-, Y- und Z-Richtung entsprechend dem Fahrzeugraum. Die Batterie muss innerhalb der vorgegebenen Hülle des Fahrzeugs angeordnet werden, um sicherzustellen, dass es zu keinen Interferenzen zwischen den verschiedenen Systemen des Fahrzeugs kommt. Der Leergewichtsindex kann die Systemqualitätsanforderungen des Batteriepakets zerlegen.

In Bezug auf die Batteriegröße kann das Design von Power-Akkupacks nicht um starre Referenzindikatoren wie Fahrzeugraum und Leergewicht herumkommen, was bedeutet, dass es einen Grenzwert für das Design von Batteriezellen gibt. Durch diesen Grenzwert eingeschränkt, wird die Batteriezellengröße auf einen bestimmten Bereich konzentriert, beispielsweise: Die Länge quadratischer Batteriezellen reicht von 150 bis 220 mm, die Breite reicht von 20 bis 80 mm und die Höhe beträgt etwa 100 mm. Der veränderte Trend bei den Größenspezifikationen für Batteriezellen ist das Ergebnis der komplementären Beziehung zwischen Fahrzeugplattformisierung und Batteriestandardisierung.

Die Batterieplattformstrategien, Fahrzeugmodelle und das Verständnis der Standardisierung verschiedener Automobilhersteller sind jedoch unterschiedlich, was zu erheblichen Unterschieden in den aktuellen Produktlösungen führt. Beispielsweise besteht die Standardisierungsstrategie von BYD darin, die Blade-Batterie vollständig zu ersetzen, deren Größe auf 960 x 13,5 (14) x 90 (102) mm festgelegt ist und die Einzelzellenspannung 3,2/3,3 V beträgt.

2- Entwicklung von Ausdauergrenzen und Batteriekapazitätslösungen0

Die Antriebsbatterie versorgt das Fahrzeug mit Energie: Batteriekapazität, Entladetiefe und Energiedichte beeinflussen die verfügbare Energiemenge. Um den Anforderungen verschiedener Modelle gerecht zu werden, ist der Unterschied im Stromverbrauch der Modelle zu einem wichtigen Anliegen geworden. Die Reichweite des Fahrzeugs wird von Faktoren wie Elektroantrieb, Batterie, Leergewicht, Windwiderstand, mechanischer Widerstand, Niederspannungsstromverbrauch und Energierückgewinnung beeinflusst. Die Möglichkeit, Batterielösungen zwischen Modellen mit großen Unterschieden im Stromverbrauch gemeinsam zu nutzen, ist gering, daher ist es notwendig, personalisierte Batteriestromlösungen zu entwickeln, einschließlich Batteriegröße, -qualität, -leistung und -leistungsoptimierung, um die Anforderungen an die Fahrleistung zu erfüllen.

Unter den Einschränkungen der rein elektrischen Reichweite der Fahrzeugherstellungsplattform wird die von der Batterie benötigte Nettoentladung durch den Stromverbrauch verschiedener Modelle beeinflusst. Es ist notwendig, die Stromverbrauchsverteilung jedes Modells auf der Plattform zu bestätigen, um die Stromverbrauchsbandbreite weiter in die Batteriebedarfsverteilung umzuwandeln und dann den von der Plattform benötigten Batteriestromplan zu bestimmen.

3-Power-Leistungsgrenze

Die Variablen, die der Batterie entsprechen, sind die Leistungs-Spannungs-Eigenschaften der Batterie bei unterschiedlichen SOCs und Temperaturen. Die Leistung der Batterie entspricht dem Leistungsbedarf des Antriebssystems des Fahrzeugs, und die Spannung entspricht den Nennspannungsanforderungen des Antriebsmotors.

Im Allgemeinen beginnt die Bewertung von Batterielösungen für die gesamte Fahrzeugplattform mit der Beschleunigungszeit von 100 Kilometern bei normaler Temperatur und hoher Leistung und deren Zersetzung der Batterieanzeige und erstreckt sich schrittweise auf die Zersetzung der Batterieanzeige über die gesamte Reichweite und unter allen Betriebsbedingungen.

ZWEITENS: Entwicklung von Batterieboxen

1-Batterieintegration und Modularisierung

Optimieren Sie das Design von Batteriemodulen, verbessern Sie die Integration und Modularität von Batteriepacks, reduzieren Sie inaktive Komponenten und erhöhen Sie die Energiedichte von Batteriepacks.

Zu den derzeit gängigen Integrationstechnologien für Batteriepacks zählen CTP, CTB, CTC und andere Formen. Form, Material und Kombination der Teile haben sich mit der Weiterentwicklung der Integrationstechnologie geändert. Die allgemeine Richtung ist Integration und Integration. Durch die Reduzierung der Anzahl unabhängiger Teile und die Verwendung eines großen Teils zum Ersetzen mehrerer Teile werden größere und funktionalere Komponenten gebildet.

2-Batteriekasten-Design

Das Batteriegehäuse ist der Träger der Baugruppe des Leistungsbatteriesystems, spielt eine Schlüsselrolle für den sicheren Betrieb und Schutz des Produkts und wirkt sich direkt auf die Sicherheit des gesamten Fahrzeugs aus. Das strukturelle Design des Batteriegehäuses umfasst hauptsächlich die Auswahl der Schalenmaterialien für die Oberschale, die Unterschale und andere Komponenten des Batteriegehäuses sowie die Auswahl von Herstellungsprozesslösungen. Die obere Abdeckung des Batteriegehäuses spielt hauptsächlich eine Dichtungsrolle und ist keiner großen Kraft ausgesetzt; das untere Gehäuse des Batteriegehäuses ist der Träger des gesamten Produkts des Leistungsbatteriesystems, und das Batteriemodul ist hauptsächlich im unteren Gehäuse angeordnet. Daher müssen strukturelle Maßnahmen wie eingebettete Rillen und Leitbleche im Inneren des Batteriegehäuses vorhanden sein, um sicherzustellen, dass das Batteriemodul während der Fahrt des Fahrzeugs zuverlässig fixiert ist und sich nicht nach vorne, hinten, links, rechts, oben und unten bewegt, um Stöße auf die Seitenwände und die obere Abdeckung zu vermeiden und die Lebensdauer des Batteriegehäuses zu beeinträchtigen.

Abbildung 3: Lösung für den unteren Batteriekasten, a-Außenhautrahmen, b-FSW-Schweißen + Rahmen, c-FSW-Schweißen + Rahmen

l Aufbau der Einbaustelle des Akkupacks und Befestigung der Anschlüsse

Der Installationspunkt des Batteriepacks besteht normalerweise aus einer Montageträgerstruktur, die durch die Vorder- und Rückseite verläuft, und das vordere Ende ist mit dem Längsträger der vorderen Kabine verbunden, um eine effektive und zusammenhängende geschlossene Trägerstruktur zu bilden. Die Installationspunkte sind entsprechend der Gewichtsverteilung des Batteriepacks sinnvoll angeordnet. Das Batteriepack und das Fahrzeug werden auf verschiedene Arten befestigt, einschließlich Bolzenbefestigung, mechanischer Befestigung + Klebeverbindung, Schnappverbindung usw.

Abbildung 4: Abschnitt zum Aufbau und Einbau des Batteriepacks

Der Akkupack wird im Allgemeinen über mehrere Hebeösen am Fahrzeug befestigt. Neben dem hohen Gewicht des Akkupacks selbst müssen die Hebeösen auch den durch die Bewegung des Fahrzeugs verursachten Straßenbelastungen standhalten, wie z. B. Steinstraßen und tiefe Schlaglöcher. Solche dauerhaften Arbeitsbedingungen und Missbrauchsbedingungen stellen höhere Anforderungen an die Festigkeit der Hebeösenstruktur.

Abbildung 5: Verschiedene Lösungen für den Hebeösenanschluss: a Geschweißte Hebeöse b Hebeöse aus stranggepresstem Aluminiumrahmen

l Sicherheits- und Schutzstruktur des Batteriekastens

Mechanische Festigkeit und Schutz: Das Batteriegehäuse sollte über eine ausreichende mechanische Festigkeit verfügen, um die Batterien im Inneren vor mechanischen Stößen und Schlägen zu schützen. Das Batteriegehäuse muss Vibrationen, Extrusion und mechanischen Stößen standhalten können, um die Sicherheit der Batterie unter verschiedenen Bedingungen zu gewährleisten.

Kollisionsschutz: Bei der Konstruktion des Batteriegehäuses muss die Kollisionssicherheit berücksichtigt werden, insbesondere bei Seitenkollisionen und Kollisionen von unten. Es besteht normalerweise aus Aluminium oder Stahl und ist über einen Außenrahmen mit der unteren Schale verbunden, um strukturelle Steifigkeit zu gewährleisten und die Absorptionsfähigkeiten bei Kollisionen zu verbessern. Darüber hinaus sollten geeignete Kollisionsabsorptionsstrukturen entwickelt werden, um eine Verformung des Batteriegehäuses und eine Beschädigung der Batteriezellen zu verhindern.

Wasserdicht, staubdicht und korrosionsbeständig: Das Batteriegehäuse muss wasserdicht und staubdicht sein und verwendet normalerweise Dichtungen der Schutzklasse IP67, um die Luftdichtigkeit zu gewährleisten. Darüber hinaus sollten auch Korrosionsschutzmaßnahmen in Betracht gezogen werden, z. B. das Aufsprühen einer PVC-Beschichtung auf die Außenseite, um die Korrosionsbeständigkeit zu verbessern.

Explosionsgeschütztes und druckentlastendes Design: Wenn eine Batterie explodiert, sollte die Energie konzentriert und gezielt durch Vorrichtungen wie ausgeglichene explosionsgeschützte Ventile freigesetzt werden, um ein Eindringen in die Kundenkabine zu verhindern. Darüber hinaus sollten explosionsgeschützte Maßnahmen (wie teilweise strukturelle Zerstörung) ergriffen werden, um den Gesamtbruch der Ausrüstung zu verhindern.

l Dichtungsdesign

Das Design der Dichtfläche zwischen der oberen Abdeckung und dem unteren Gehäuse des Batteriekastens spielt eine wichtige Rolle für die Dichtleistung und muss zusammen mit der Struktur des Batteriekastens und dem Dichtring entworfen werden. Die Dichtfläche sollte so weit wie möglich in derselben Ebene bleiben, um zu viele gekrümmte Strukturen zu vermeiden. Da die obere Abdeckung und das untere Gehäuse durch Schrauben verbunden sind, wird eine große Anzahl von Schrauben verwendet. Daher ist es besonders wichtig, die Koaxialität der Löcher sicherzustellen. Bei der sinnvollen Anordnung der Schraubenlochpositionen sollten die Positionsabmessungen so rund wie möglich und in X- und Y-Richtung symmetrisch angeordnet sein. Die Auswahl der Anzahl der Verbindungsschrauben muss basierend auf dem Abdichtungsgrad und dem Demontage- und Montageaufwand umfassend berücksichtigt werden.

Abbildung 6: Design der oberen und unteren Kastendichtung, 1-obere Batterieabdeckung 2-Dichtung 3-untere Batterieabdeckung 4-Metallkanal

l Elektrische Sicherheit und Kurzschlussschutz

Verbindungszuverlässigkeit: Die Steckverbinder im Batteriekasten sollten über die richtige Polarität verfügen, um die Überstromfestigkeit des Batteriekastens und die Zuverlässigkeit der elektrischen/mechanischen Verbindungen, einschließlich Entspannungsmaßnahmen usw., sicherzustellen.

Elektrische Isolierung und Spannungsfestigkeit: Das Moduldesign verwendet einen doppelten Isolationsschutz. Die Batteriezelle selbst verfügt über eine Schicht aus blauem Batteriezellenfilm und einen oberen Batteriezellenfleck, um die Anforderungen an Isolierung und Spannungsfestigkeit zu erfüllen. Der Isolations- und Spannungsfestigkeitsschutz ist zwischen der End-/Seitenplatte und der Batteriezelle sowie zwischen der Batteriezelle und der unteren Montagefläche angebracht.

l Wärmemanagement-Design

Die Entwicklung des Wärmemanagements für Batterien durchläuft den gesamten Zyklus der Konstruktion und Entwicklung von Batteriepacksystemen, einschließlich der Konstruktion von Batterietemperaturregelung, Kühlplatte, Rohrleitungssystem usw. Das Hauptziel der Konstruktion von Batteriewärmemanagementsystemen besteht darin, durch Heiz- oder Kühlregelung sicherzustellen, dass das Batteriesystem unter Berücksichtigung von Raumaufteilung, Konstruktionskosten, geringem Gewicht usw. bei einer relativ geeigneten Betriebstemperatur arbeitet, während gleichzeitig die Temperaturunterschiede zwischen den Zellen verringert werden, um Konsistenz zu gewährleisten.

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

Der Akku ist die zentrale Energiequelle von Fahrzeugen mit alternativer Antriebstechnik und liefert die Antriebskraft für das gesamte Fahrzeug. Wir bewerten die Vor- und Nachteile der Akkutechnologie im Allgemeinen anhand der Dimensionen Effizienz (Energiedichte), Sicherheit, Herstellungs- und Wartungskosten.

Beim Batteriedesign beträgt die Spannung einer einzelnen Zelle nur etwa 3–4 V, während die von Elektrofahrzeugen benötigte Spannung mindestens 100 V beträgt. Neue Autos haben jetzt sogar eine Spannung von 700 V/800 V und die Ausgangsleistung beträgt im Allgemeinen 200 W, sodass die Batterie aufgeladen werden muss. Um den Strom- und Spannungsbedarf von Elektrofahrzeugen zu erfüllen, müssen verschiedene Zellen in Reihe oder parallel geschaltet werden.

Der Batteriesatz besteht aus Batteriezellen, elektronischen und elektrischen Systemen, Wärmemanagementsystemen usw., die von einer Batterierahmenstruktur umschlossen sind – Grundplatte (Fach), Rahmen (Metallrahmen), obere Abdeckplatte, Schrauben usw. Wie diese Komponenten und Systeme effizienter und sicherer zu einem Ganzen „verpackt“ werden können, ist seit jeher ein Thema kontinuierlicher Forschung und Erkundung für die gesamte Branche.

Vorheriger Artikel: Innovation und Entwicklung der Batterieintegrationstechnologie

Der Ursprung der Technologie für Power-Battery-Gruppen geht auf die 1950er Jahre zurück und stammt aus der ehemaligen Sowjetunion und einigen europäischen Ländern. Diese Technologie wurde ursprünglich als Konstruktions- und Fertigungskonzept verwendet, um die physikalischen Ähnlichkeiten von Teilen (universelle Prozesswege) zu bestimmen und ihre effiziente Produktion zu etablieren.

Der Kern der Gruppentechnologie (GT) besteht darin, die Ähnlichkeiten verwandter Dinge in Produktionsaktivitäten zu identifizieren und zu untersuchen, ähnliche Probleme in Gruppen zu klassifizieren und relativ einheitliche optimale Lösungen zu suchen, um diese Gruppe von Problemen zu lösen und wirtschaftliche Vorteile zu erzielen. Im Bereich der Leistungsbatterien umfasst die Gruppentechnologie hauptsächlich die Technologie zur Integration von Batterien aus Einzelzellen in Batteriepacks (Packs), einschließlich Struktur, Wärmemanagement, elektrischem Verbindungsdesign und Batteriemanagementsystem-Technologie (BMS).

Die frühere Gruppierungstechnologie im Automobilbereich ist MTP (Module To Pack), was bedeutet, dass die Zellen zuerst in Module integriert werden und dann die Module in Packs. Diese Technologie zeichnet sich durch abnehmbare und austauschbare Module aus, die gut wartungsfreundlich sind, aber die Gruppierungseffizienz ist gering. Mit der Entwicklung der Technologie hat die Gruppierungstechnologie eine Transformation von MTP zu CTP (Cell To Pack) durchlaufen. CTP-Technologie bezieht sich auf die Technologie der direkten Integration von Zellen in Packs, wodurch die traditionelle Modulstruktur eliminiert und die Gruppierungseffizienz und Produktionseffizienz verbessert wird. In den letzten Jahren erforscht die Branche auch Gruppierungstechnologien wie CTC (Cell To Chassis), CTB (Cell To Body & Bracket) und MTB (Module To Body) mit höherer Integrationseffizienz.

Im Bereich der Leistungsbatterien und der elektrochemischen Energiespeicherung resultieren die wichtigsten technologischen Fortschritte bei Lithiumbatterien aus strukturellen und materiellen Innovationen. Ersteres dient der Optimierung der Struktur des „Zellen-Modul-Batteriepacks“ auf physikalischer Ebene, um das Ziel zu erreichen, sowohl die Volumenenergiedichte des Batteriepacks zu verbessern als auch die Kosten zu senken; letzteres dient der Erforschung von Batteriematerialien auf chemischer Ebene, um das Ziel zu erreichen, sowohl die Leistung einzelner Zellen zu verbessern als auch die Kosten zu senken. Dieser Artikel konzentriert sich auf die Auswirkungen verschiedener struktureller Integrationstechnologien auf die Herstellungstechnologie von Batteriepacks und die Richtung der innovativen Entwicklung aus der Perspektive der strukturellen Integration von Batteriepacks. Die aktuellen Schlüsseltechnologien für die Integration von Leistungsbatterien sind in der folgenden Abbildung dargestellt:

1-MTP wurde eliminiert

Zu Beginn der aktuellen Welle der Entwicklung von Elektrofahrzeugen wurden viele Modelle von Fahrzeugen mit neuer Antriebsart auf den Markt gebracht, die von Benzin auf Elektro umsteigen. Sie führen die räumliche Anordnung und das Design traditioneller Benzinfahrzeuge fort. Ingenieure haben ein relativ großes Batteriezellenmodul zusammengebaut, indem sie eine bestimmte Anzahl einzelner Batteriezellen in Reihe/parallel geschaltet haben, und dann mehrere solcher Batteriezellenmodule in das Batteriepaket eingesetzt, das das bekannte „MTP“-Batteriepaket ist. Da das Batteriepaket mehr als zweimal „verpackt“ werden muss, ist die Anzahl der erforderlichen Komponenten extrem groß, und das Batteriepaket erscheint als „drei Schichten innen und drei Schichten außen“, wobei zu viele redundante Teile mehr Systemvolumen und Gewicht einnehmen, was zu einer schlechten volumetrischen und gravimetrischen Energiedichte des „MTP“-Batteriepakets führt. Da bei der Konstruktion von Benzinfahrzeugen außerdem kein spezieller Platz für die Batterie reserviert wurde, kann das Batteriesystem nur „hineingequetscht werden, wo es passt“, was zu einer schlechten Produktwettbewerbsfähigkeit und Benutzererfahrung führt.

Seit der Einführung der neuen intelligenten Elektrofahrzeugplattformen von Tesla können bei reinen Elektrofahrzeugen die Akkus effizienter und regelmäßiger an idealen Stellen installiert werden, die drei elektrischen Systeme können sinnvoller angeordnet werden und die elektronische und elektrische Architektur sowie das Wärmemanagement des Fahrzeugs können effizienter integriert werden. Die Produktstärke des Fahrzeugs in Bezug auf Energieeffizienz, Ausdauer und Intelligenz wurde erheblich verbessert.

2-Ära der integrierten Technologie 2.0 – CTP

Der Akkupack mit MTP-Struktur weist ein erhebliches Platznutzungsproblem auf. Die Platznutzung der Batteriezelle zum Modul beträgt 80 %, die Platznutzung des Moduls zum Akkupack beträgt 50 % und die Gesamtplatznutzung beträgt nur 40 %. Die Hardwarekosten des Moduls machen etwa 14 % der Gesamtkosten des Akkus aus. Diese Struktur mit geringer Platznutzung kann die Entwicklungsanforderungen von Fahrzeugen mit neuer Energie nicht erfüllen. Im Rahmen der Integrationsidee Batteriezelle → Modul → Akkupack → Karosserie muss die Standardisierung jedes Integrationsschritts berücksichtigt werden, wenn das Fahrzeug so viel Leistung wie möglich in den begrenzten Fahrgestellraum laden und die Volumennutzung verbessern möchte. Da die Marktnachfrage nach Reichweite weiter steigt, nimmt das Volumen eines einzelnen Batteriemoduls weiter zu, was indirekt zur Entstehung der CTP-Lösung führt.

Die CTP-Strukturtechnologie wurde unter Berücksichtigung von Sicherheit, Verpackungskomplexität, Kostensenkung usw. entwickelt. Unter der Prämisse, die Sicherheit der Batteriezelle zu gewährleisten, reduziert die CTP-Technologie die Anzahl der internen Kabel und Strukturteile. Im Vergleich zur MTP-Technologie verfügt die CTP-Technologie über keine Modulstruktur und verpackt die Batteriezelle direkt in ein Batteriepaket, bevor sie im Fahrzeug installiert wird.

Derzeit gibt es zwei Hauptideen. Eine besteht darin, das Pack als komplettes großes Modul zu betrachten, das die Struktur mehrerer kleiner Module im Inneren ersetzt, wie es CATL vertritt; die andere besteht darin, beim Entwurf eine modulfreie Lösung in Betracht zu ziehen und die Batterie selbst als Leistungskomponente zu konstruieren, wie beispielsweise die Blade-Batterie von BYD.

Der Kernpunkt der CTP-Technologie besteht darin, das Moduldesign aufzuheben. Die Batteriezelle wird direkt mit der Hülle kombiniert, wodurch der Einsatz von Endplatten und Trennwänden reduziert wird. Die daraus resultierenden Probleme sind die Fixierung des Batteriepacks und das Wärmemanagement.

Tatsächlich war das ursprüngliche Produkt des CTP-Akkupacks kein reines modulfreies Design, sondern ein Design, bei dem die ursprünglichen kleinen Module zu drei großen Modulen und zwei mittleren Modulen zusammengeführt wurden, und an beiden Enden gab es außerdem Aluminium-Endplatten. Theoretisch handelt es sich also immer noch um MTP, aber es gibt tatsächlich große Verbesserungen in der Struktur.

Nach der Einführung von CTP 3.0 präsentierte CATL ein fortschrittlicheres Herstellungsverfahren, mit dem ein vollständig modulfreies Design erreicht wurde. Die Batteriezellen wurden von einer vertikalen Ausrichtung entlang der Höhe auf eine horizontale Position umgestellt. Zusätzlich wurde zwischen den Batteriezellen eine neue Kühllösung implementiert, die nicht nur Wärme ableitet, sondern auch Stütz-, Polsterungs-, Isolierungs- und Temperaturkontrollfunktionen bietet. Die Bodenschale wurde außerdem mit einer begrenzenden Fixierungsfunktion ausgestattet.

Abbildung 1: Vergleich zwischen CATL Kirin Battery CTP2.0 und CTP3.0

3-Ära der integrierten Technologie 3.0 – CTB, CTC

l CTB-Technologie

Die CTP-Technologie ist ein großer Fortschritt bei der Innovation der Batteriestruktur, hat jedoch keinen Durchbruch beim Batteriepack selbst gebracht. Bei der CTP-Technologie ist das Batteriepack immer noch eine unabhängige Komponente. Im Vergleich zur rationalisierten Strategie von CTP für Batteriepacks kombiniert die CTB-Technologie die Karosseriebodenplatte und die Batteriepackabdeckung zu einem. Die flache Dichtfläche, die durch die Batterieabdeckung, die Türschwelle und die vorderen und hinteren Träger gebildet wird, dichtet den Fahrgastraum mit Dichtmittel ab, und der Boden wird durch den Montagepunkt mit der Karosserie verbunden. Bei der Konstruktion und Herstellung des Batteriepacks wird das Batteriesystem als Ganzes in die Karosserie integriert, die Dichtungs- und Wasserdichtigkeitsanforderungen der Batterie selbst können erfüllt werden, und die Abdichtung der Batterie und des Fahrgastraums ist relativ einfach und die Risiken sind kontrollierbar.

Auf diese Weise wird die ursprüngliche Sandwichstruktur „Batteriepackabdeckung-Batteriezellenfach“ in eine Sandwichstruktur „in den Unterboden integrierte Batteriepackabdeckung-Batteriezellenfach“ umgewandelt, wodurch der durch die Verbindung zwischen Karosserie und Batterieabdeckung verursachte Platzverlust verringert wird. In diesem Strukturmodus ist das Batteriepack nicht nur eine Energiequelle, sondern nimmt als Struktur auch an der Kraft und Übertragung des gesamten Fahrzeugs teil.

Abbildung 2: Schematische Darstellung der CTB-Technologiestruktur

l CTC-Technologie

Nach der Anwendung der CTC-Methode ist das Batteriepaket nicht mehr eine unabhängige Baugruppe, sondern Teil der Fahrzeugkarosserie. Dies optimiert das Produktdesign und die Produktionsprozesse, reduziert die Anzahl der Fahrzeugteile, insbesondere die internen Struktur- und Verbindungselemente der Batterie. Dadurch wird ein angeborener Vorteil in Bezug auf das Gewicht erreicht, was die Raumausnutzung maximiert und Platz für eine Erhöhung der Batteriezahl sowie eine Verbesserung der Reichweite schafft. Unter der Bedingung, dass die Technologie des elektrochemischen Systems unverändert bleibt, kann die Reichweite durch die Erhöhung der Batteriezahl gesteigert werden.

Abbildung 3: Strukturdiagramm der Tesla CTC-Technologie

Tesla und andere Automobilhersteller haben beispielsweise sukzessive Modelle mit CTC-Technologie auf den Markt gebracht. Auf Zellebene können sie multifunktionale elastische Sandwichstrukturen und großflächige Wasserkühlungstechnologie verwenden und die durch integrierte Entwicklung entstandene Technologie zur Kollisionsvermeidung auf der Unterseite des Batteriepakets überlagern, wobei Gruppierungseffizienz, Wärmeableitung und Sicherheit berücksichtigt werden und die Anwendung der CTC-Technologie aus den beiden Dimensionen Zelloptimierung und Schutz der Fahrzeugstruktur gefördert wird. Auf der Ebene der integrierten Fahrzeugentwicklung wird die Batteriezelle direkt in das Fahrgestell integriert, wodurch die Verbindung von Modulen und Batteriepaketen entfällt. Die Integration der drei großen elektrischen Systeme (Motor, elektronische Steuerung, Batterie), der drei kleinen elektrischen Systeme (DC/DC, OBC, PDU), des Fahrgestellsystems (Getriebesystem, Antriebssystem, Lenksystem, Bremssystem) und der Module für autonomes Fahren wird realisiert, und die Leistungsverteilung wird optimiert und der Energieverbrauch durch den intelligenten Power Domain Controller reduziert.

4-Änderungen der spezifischen Anforderungen an Batteriekästen für CTP-, CTB- und CTC-Technologien

In der traditionellen Akkupackstruktur übernimmt das Akkumodul die Aufgabe, die Akkuzelle zu stützen, zu fixieren und zu schützen, während der Akkukastenkörper hauptsächlich die äußere Extrusionskraft trägt. Die Anwendung der CTP-, CTB- und CTC-Technologien bringt neue Anforderungen an Akkukästen mit sich, die sich insbesondere in Folgendem widerspiegeln:

Die Festigkeitsanforderungen an den Batteriekastenkörper werden verbessert: Da die Modulverbindung in den CTP-, CTB- und CTC-Strukturen reduziert oder eliminiert wird, muss der Batteriekastenkörper nicht nur der externen Extrusionskraft standhalten, sondern auch der Expansionskraft der Batteriezelle, die ursprünglich vom Modul getragen wird. Daher sind die Festigkeitsanforderungen an den Batteriekastenkörper höher.

Kollisionsschutzfähigkeit: Nachdem die Seitenträger des Akkupacks mithilfe der CTP-Technologie entfernt wurden, ist der Akku der Aufprallkraft des Aufpralls direkt ausgesetzt. Daher muss der CTP-Akkupack über eine ausreichende Kollisionsfestigkeit verfügen.

Anforderungen an Isolierung, Wärmedämmung und Wärmeableitung: CTP- oder CTB- und CTC-Strukturen ändern das Bodenplattenprofil in eine wassergekühlte Platte auf Basis des Chassis-tragenden Strukturkastens. Der Batteriekasten trägt nicht nur das Gewicht der Batteriezellen, sondern bietet auch Wärmemanagement und andere Funktionen für die Batterie. Die Struktur ist kompakter, der Herstellungsprozess ist optimiert und der Automatisierungsgrad ist höher.

Reduzierte Wartungsfähigkeit: Das hochintegrierte Design erschwert den Austausch des Akkupacks. Beispielsweise sind die Akkuzellen in der CTC-Struktur mit Harzmaterial gefüllt, was den Austausch der Akkuzellen erschwert und eine Reparatur nahezu unmöglich macht.

5- Auswirkungen der Batteriepackintegration auf die Ladeinfrastruktur für Elektrofahrzeuge

Die Wahl unterschiedlicher Akku-Integrationstechnologien impliziert auch die Wahl unterschiedlicher Kompensationsmethoden. CTP neigt dazu, die Akkus auszutauschen, während CTB/CTC, das stärker integriert ist, zum Schnellladen tendiert.

Hohe Integration bedeutet, dass mehr Batterien auf demselben Raum untergebracht werden können, wodurch die Reichweite von Elektrofahrzeugen erhöht wird. Benutzer müssen für kurze Strecken möglicherweise nicht mehr häufig aufladen, sondern bevorzugen für lange Fahrten möglicherweise schnelles Aufladen. Daher muss die Planung der Ladeinfrastruktur diese Änderungen berücksichtigen, um sicherzustellen, dass sie den Benutzeranforderungen gerecht wird.

Mit der zunehmenden Integration von Akkupacks können sich die physikalische Größe und Struktur der Akkupacks ändern, was sich auf das Design der Ladeschnittstelle und die Kompatibilität der Ladeausrüstung auswirken kann.

Darüber hinaus kann die zunehmende Integration von Akkupacks auch die Ladegeschwindigkeit und -effizienz beeinträchtigen. Um einen schnellen und sicheren Ladevorgang zu gewährleisten, müssen möglicherweise effizientere Batteriemanagementsysteme und Ladetechnologien entwickelt und eingesetzt werden.

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Bei der Herstellung von Batterieträgern für neue Energiefahrzeuge und von speicherbasierten Flüssigkeitskühlboxen ist eine notwendige und angemessene Oberflächenbehandlung ein entscheidender Schritt. Dazu gehört beispielsweise die Anwendung von Beschichtungen oder Oxidationsbehandlungen, um eine Schutzschicht auf der Metalloberfläche zu bilden, die Korrosionsmedien abwehrt. Für Komponenten, die eine elektrische Isolation erfordern, wie Zellkerne, Wasserleitungen und Modulwände, muss eine Isolationsschutzschicht geschaffen werden, die in der Regel durch das Sprühen von Isolierpulver oder Isolierlack erreicht wird. Die Auswahl der geeigneten Oberflächenbehandlungstechnologie kann nicht nur die Haltbarkeit und Sicherheit des Trägers/der Kühlbox erhöhen, sondern auch den Anforderungen verschiedener Anwendungsszenarien gerecht werden. Dieser Artikel fasst gängige Oberflächenbehandlungstechniken zusammen, um als Referenz zu dienen.

1-Reinigung und Polieren

Während des Produktionsprozesses können sich Verunreinigungen wie Bearbeitungsöl, Motorölrückstände, Pulver und Staub auf der Oberfläche der Palette ansammeln. Diese Verunreinigungen beeinträchtigen nicht nur die Lebensdauer des Batteriefachs, sondern können auch die Leistung und Sicherheit der Batterie beeinträchtigen. Durch Reinigen und Polieren können diese Verunreinigungen effektiv entfernt werden, um die Sauberkeit der Palettenoberfläche sicherzustellen. Durch Reinigen und Schleifen können Oberflächenverunreinigungen, Grate und Schweißschlacke effektiv entfernt werden, wodurch die Oberfläche glatt und flach wird und somit die Gesamtqualität des Batteriefachs/der Batteriebox verbessert wird.

l Chemische Reinigung

Alkalische Reinigung: Bei der alkalischen Reinigung werden hauptsächlich alkalische Lösungen (wie Natriumhydroxid, Natriumcarbonat usw.) verwendet, um Fett, Schmutz und andere organische Stoffe von der Oberfläche von Aluminiumlegierungen zu entfernen. Beim alkalischen Waschen wird Fett durch Verseifung, Emulgierung, Penetration und Benetzung entfernt und gleichzeitig wasserlösliche Niederschläge erzeugt, wodurch eine Reinigungswirkung erzielt wird. Die alkalische Reinigung wird normalerweise verwendet, um Fett, Staub und organische Verunreinigungen von der Oberfläche von Aluminiumlegierungen zu entfernen.

Beizen: Beim Beizen werden saure Lösungen (wie Salpetersäure, Salzsäure usw.) verwendet, um Oxidschichten, Rost und andere anorganische Ablagerungen auf der Oberfläche von Aluminiumlegierungen zu entfernen. Beim Beizen werden die Oxide auf der Metalloberfläche durch die Reaktion von Säure mit den Oxiden auf der Metalloberfläche in lösliche Salze umgewandelt, wodurch Oberflächenverunreinigungen entfernt werden. Beizen wird hauptsächlich verwendet, um Oxidschichten, Rost und anorganische Salzschichten auf der Oberfläche von Aluminiumlegierungen zu entfernen. Beizen wird häufig zur Endbehandlung von Metalloberflächen verwendet, um deren Oberfläche und Ebenheit zu verbessern.

l Mechanisches Schleifen

Während der Produktion können durch das Schleifen Bearbeitungstoleranzen entfernt, Formfehler korrigiert, die Glätte und Genauigkeit der Paletten-/Kistenoberfläche sichergestellt, Montageanforderungen erfüllt und so die Gesamtleistung und Lebensdauer verbessert werden.

Nach der Reinigung und Politur der Oberfläche erhöht sich die Oberflächenenergie, was für die anschließende Behandlung mit Beschichtungsmaterialien oder anderen Materialien sehr wichtig ist. Dies spielt eine entscheidende Rolle für die darauffolgende Ausführung von Korrosionsschutz, Abdichtung, Wärmeleitung, Isolierung und Wärmeisolierung der Beschichtungen. Außerdem trägt es maßgeblich zur festen Haftung der Materialien auf dem Behälter/Gehäuse bei.

2-Aufbringen der Beschichtung und des Schutzfilms

Bei der Herstellung von Paletten/Kisten wird neben der Grundreinigung und Politur ein Sprühverfahren zur Oberflächenbehandlung eingesetzt, um eine Schutzschicht zu bilden, die Oxidation und Korrosion vorbeugt und den Anforderungen verschiedener Szenarien wie Wärmedämmung, Isolierung und Spannungsbeständigkeit gerecht wird.

l Wärmedämmung

Kondensationsschutz und Wärmeisolierung von Batterieträgern können durch die umfassende Gestaltung von Wärmedämmsystemen, die Verwendung hocheffizienter Wärmedämmstoffe, die Anwendung von Aerogelen, die Gestaltung der Batteriepack-Isolierung und das Aufsprühen von Schaumdämmstoffen erreicht werden.

Unterseite mit PVC und Schaumstoff besprüht

l Isolationsfestigkeitsspannung

Die Isolierung des Batteriegehäuses und der Flüssigkeitskühlkomponenten dient in erster Linie dazu, Stromlecks zu verhindern, das Personal vor Stromschlägen zu schützen und den normalen Betrieb des Batteriesystems sicherzustellen. Die Isolierung wird üblicherweise durch zwei Hauptmethoden erreicht: Pulversprühen und Folienlaminierung. Die gängigen Folienlaminierungsverfahren umfassen Laminierung bei Raumtemperatur, Heißpressen und UV-Bestrahlung.

Innenversprühen von Isolierpulver und Isolierfarbe

3-Logos und Beschilderung

An prominenter Stelle auf dem Batteriefach wird ein Typenschild oder Etikett angebracht, in der Regel mittels Lasergravur, mechanischer Gravur usw. Diese Logos bestehen normalerweise aus verschleißfestem und korrosionsbeständigem Material, um sicherzustellen, dass sie während der gesamten Nutzungsdauer nicht so leicht gelöscht werden.

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Als Kerngerät des Energiespeichersystems ist der Energiespeicherkonverter ein wichtiges Instrument zur Stromumwandlung, zum Energiemanagement, zur Gewährleistung der Netzstabilität, zur Verbesserung der Energieeffizienz usw. Da die Stromversorgungseinheit des Energiespeicherkonverters in Richtung hoher Integration und hoher Effizienz tendiert, stellt die Entwicklung von Frequenz und großer Kapazität immer höhere Anforderungen an die Wärmeableitung.

1-Änderungen im Kühlbedarf

l Passend zur größeren Gleichstromkabine wird die Umrichterleistung weiter erhöht und eine effiziente Wärmeableitungstechnologie gewährleistet die Zuverlässigkeit der Geräte.

Da die Kapazität der Energiespeicherzellen immer größer wird, wächst gleichzeitig auch die Kapazität der Energiespeichersysteme. Anfang 2023 betrug die Standardkapazität einer 20-Fuß-Einzelzellenbatterie auf dem Markt nur 3,35 MWh. In der zweiten Jahreshälfte brachten viele Batteriezellenhersteller Energiespeicherprodukte mit 310+ Ah auf den Markt, und die Kapazität der 20-Fuß-Einzelzellenbatterie wurde ebenfalls auf 5 MWh erweitert. Weniger als ein halbes Jahr nach der Aktualisierung des 5-MWh-Modells brachten einige führende Energiespeichersysteme jedoch 6-MWh- und 8-MWh-Systeme auf den Markt. Nach allgemeiner Erfahrung ist der Energiespeicherkonverter auf das 1,2-fache der Ladekapazität konfiguriert. Die Einzelkapazität eines 5-MWh-Energiespeichersystems muss über 2,5 MW liegen. Hohe Leistung erfordert eine effizientere Kühltechnologie, um einen stabilen Betrieb der Geräte bei anhaltend hoher Belastung zu gewährleisten.

Iterative Entwicklung des Topologieschemas zur Integration von Energiespeichersystemen

l Die Anwendung der Gleichstrom-Hochspannungstechnologie erfordert von den Geräten eine höhere Spannungsfestigkeit und Isolationsfestigkeit, außerdem ist die Wärmeableitung der Leistungsgeräte stark.

Um mit Energiespeichersystemen mit großer Kapazität Schritt zu halten, hat sich die Gleichstrom-Hochspannungstechnologie zum technischen Trend entwickelt. Durch die Erhöhung des Spannungsniveaus können Energie gespart, die Effizienz verbessert und die Leistung gesteigert werden. Die Spannungserhöhung auf 1500 V stammt aus der Photovoltaik und wird heute zur Energiespeicherung eingesetzt. Die Hochspannungsentwicklung von Energiespeicher-PCS hat jedoch noch einen langen Weg vor sich und einige Hersteller haben bereits mit der Optimierung auf 2000 V begonnen. Durch die Anwendung der Gleichstrom-Hochspannungstechnologie müssen die Leistungselektronikgeräte in Energiespeicherkonvertern höhere Spannungsfestigkeiten und eine höhere Isolationsfestigkeit aufweisen, um sich an Hochspannungsarbeitsumgebungen anzupassen. In Hochspannungsumgebungen wird das Wärmeableitungsdesign von Leistungsgeräten wichtiger. Die pn-Übergangstemperatur von Leistungsgeräten darf im Allgemeinen 125 °C nicht überschreiten und die Temperatur der Gehäusehülle darf 85 °C nicht überschreiten.

l Vernetzte Energiespeichersysteme erfordern komplexe Steuerungsalgorithmen, Schaltungsdesigns und Energiespeicherkonverter mit hoher Leistungsdichte

Im Gegensatz zu den wesentlichen Eigenschaften von Stromquellen in netzbildenden Energiespeichersystemen sind netzbildende Energiespeichersysteme im Wesentlichen Spannungsquellen, die Spannungsparameter intern einstellen können, um eine stabile Spannung und Frequenz auszugeben. Daher ist es erforderlich, dass netzbildende Konverter die Eigenschaften von Synchrongeneratoren simulieren und Spannung und Frequenz unterstützen, um die Stabilität des Stromsystems zu verbessern. Diese Steuerungsstrategie erfordert, dass Konverter eine höhere Leistungsdichte und komplexere Steuerungsalgorithmen sowie leistungsstärkere Leistungsgeräte und komplexere Schaltungsdesigns besitzen, um die Steuerungsstrategie umzusetzen. Die durch hohe Leistungsdichte und komplexe Steuerungsstrategien erzeugte Wärme effektiv zu bewältigen und gleichzeitig die Größe und Kosten des Kühlsystems zu reduzieren, ohne die Leistung zu beeinträchtigen, ist zu einer neuen Herausforderung im thermischen Design geworden.

2- Vergleich gängiger Kühllösungen

Die Kühllösung für Energiespeicher-Wechselrichter hat in den letzten Jahren eine bedeutende iterative Weiterentwicklung erfahren, die sich hauptsächlich im Übergang der Kühltechnologie von der herkömmlichen Luftkühlung zur Flüssigkeitskühlung widerspiegelt.

l Luftkühlungslösung

Luftkühlung ist die Temperaturregelungsform, die in der Anfangsphase von Energiespeicherkonvertern verwendet wird. Dabei wird Luft als Medium verwendet und die Wärme wird über Lüfter und Kühler abgeleitet. Die Luftkühlungslösung verbessert die Wärmeableitungseffizienz, indem sie den Energieverbrauch kontinuierlich senkt, die Struktur optimiert und die Wärmeableitungsmaterialien verbessert. Bei einer Leistung von 2,5 MW kann die Luftkühlung die Anforderungen immer noch erfüllen.

l Flüssigkeitskühllösung

Da die Leistungsdichte und Energiedichte von Energiespeichersystemen weiter zunimmt, verwenden flüssigkeitsgekühlte PCS Kühlmittel mit hoher Wärmeleitfähigkeit als Medium. Das Kühlmittel wird von einer Wasserpumpe angetrieben, um in der Kühlplatte zu zirkulieren, und wird nicht von Faktoren wie Höhe und Luftdruck beeinflusst. Das Flüssigkeitskühlsystem hat eine effizientere Wärmeableitungseffizienz als das Luftkühlsystem. Die Flüssigkeitskühlungslösung hat einen höheren Anpassungsgrad und wurde in den letzten ein oder zwei Jahren erforscht und populär gemacht.

Neben der Energiespeicherlösung mit vollständiger Flüssigkeitskühlung haben einige Hersteller Energiespeicher-Direktkühlmaschinen auf den Markt gebracht, die eine Phasenwechsel-Direktkühlung und keinen Wasserkreislauf verwenden. Auch Direktkühllösungen halten Einzug im Bereich der Energiespeicherung.

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Der Batteriesatz ist eine Schlüsselkomponente von New-Energy-Fahrzeugen, integrierten Energiespeicherschränken und -containern. Er bildet durch die Gehäusehülle eine Energiequelle, liefert Strom für Elektrofahrzeuge und bietet Aufnahmekapazität für Energiespeicherschränke und -container. Dieser Artikel kombiniert tatsächliche technische Anforderungen und fasst die wichtigsten Punkte des Batteriepack-Profildesigns zusammen, indem er die mechanischen Festigkeits-, Sicherheits-, Wärmemanagement- und Leichtgewichtsanforderungen des Batteriepacks analysiert.

1-Designanforderungen für Batteriepackgehäuse

l Mechanische Festigkeit, Vibrationsfestigkeit und Schlagfestigkeit. Nach der Prüfung dürfen keine mechanischen Beschädigungen, Verformungen oder Lockerungen der Befestigung vorliegen und der Verriegelungsmechanismus darf nicht beschädigt sein.

l Versiegelung: Die Versiegelung des Akkupacks wirkt sich direkt auf die Betriebssicherheit des Akkusystems aus. Normalerweise muss die Schutzstufe IP67 erreicht werden, um sicherzustellen, dass der Akkupack versiegelt und wasserdicht ist.

l Bei der Konstruktion des Akkugehäuses muss die Wärmemanagementleistung berücksichtigt werden und durch eine entsprechende Wärmemanagementkonstruktion muss sichergestellt werden, dass der Akku in einem angemessenen Bereich arbeitet.

l Zur Montage und Befestigung muss das Gehäuse Platz für Typenschilder und Sicherheitshinweise bieten und ausreichend Platz und einen festen Untergrund für die Montage von Erfassungsleitungen, diversen Sensorelementen etc. vorhalten.

l Alle Verbindungselemente, Klemmen und elektrischen Kontakte mit unpolarer Basisisolierung müssen in ihrer Kombination die entsprechenden Schutzniveauanforderungen erfüllen.

l Leichtbau: Die Gewichtsreduzierung des Gehäuses ist von großer Bedeutung für die Verbesserung der Energiedichte des Akkupacks. Aluminiumlegierungen sind leicht und von hoher Qualität, was sie derzeit zur praktikabelsten Wahl macht. Der Gewichtsreduzierungsgrad kann durch geeignetes extremes Design in Kombination mit tatsächlichen Anwendungen verbessert werden.

l Haltbarkeit: Die Lebensdauer des Akkupackgehäuses darf nicht kürzer sein als die Lebensdauer des Gesamtprodukts. Während des Nutzungszyklus dürfen keine offensichtlichen plastischen Verformungen auftreten. Der Schutzgrad und die Isolationsleistung dürfen nicht beeinträchtigt werden. Die Struktur muss leicht zu warten sein, einschließlich der Anordnung der Typenschilder und Sicherheitszeichen sowie des Schutzes der Anschlüsse.

Abbildung 1 Typisches geschweißtes Batteriepackgehäuse aus Aluminiumlegierung

2-Typische Batteriepack-Gehäuselösung aus Aluminiumlegierung

Zu den häufig verwendeten Aluminiumlegierungen für Batteriegehäuse zählen 6061-T6, 6005A-T6 und 6063-T6 usw. Diese Materialien haben unterschiedliche Streckgrenzen und Zugfestigkeiten, um unterschiedliche strukturelle Anforderungen zu erfüllen. Die Festigkeit dieser Materialien beträgt: 6061-T6＞6005A-T6＞6063-T6.

Derzeit umfassen die Lösungen zum Formen von Batteriepackgehäusen das Schweißen von Aluminiumprofilen, das Gießen von Aluminiumlegierungen, das Gießen von Aluminium plus Profilaluminium, das Schweißen von gestanzten Aluminiumplatten usw. Das Schweißen von Aluminiumprofilen hat sich aufgrund seiner Flexibilität und einfachen Verarbeitung zur gängigen Wahl entwickelt. Wie in Abbildung 1 dargestellt, besteht das Gehäuse hauptsächlich aus einem Rahmen aus Aluminiumlegierungsprofilen und einer Bodenplatte aus Aluminiumlegierungsprofilen, die mithilfe von stranggepressten Profilen aus Aluminiumlegierung der Serie 6 geschweißt werden. Das Gießen von Aluminiumlegierungen gilt aufgrund seines vereinfachten Prozesses und seines Kostensenkungspotenzials als die zukünftige Entwicklungsrichtung.

3- Profilabschnittsdesign3- Profilabschnittsdesign

l Abschnittsgröße und Komplexität: Die Abschnittsgröße des Profils wird durch den umschriebenen Kreis gemessen. Je größer der umschriebene Kreis ist, desto höher ist der erforderliche Extrusionsdruck. Der Abschnitt des Profils besteht normalerweise aus mehreren Hohlräumen, um die strukturelle Steifigkeit und Festigkeit zu verbessern. Normalerweise weisen Rahmen, Mittelwand, Bodenplatte, Balken usw. unterschiedliche Abschnittsdesigns auf, um sich an unterschiedliche strukturelle und funktionale Anforderungen anzupassen.

Abbildung 2 Typischer Profilabschnitt aus Aluminiumlegierung

l Wandstärke von Aluminiumprofilen: Die minimale Wandstärke eines bestimmten Aluminiumprofils hängt vom Radius des umschreibenden Kreises, der Form und der Legierungszusammensetzung ab. Zum Beispiel beträgt die Wandstärke von 6063-Aluminiumlegierung 1 mm, während die von 6061-Aluminiumlegierung etwa 1,5 mm betragen muss. Bei gleichwertiger Querschnitts-Extrusionsschwierigkeit gilt: 6061-T6 > 6005A-T6 > 6063-T6. In der Konstruktion von Profilen für Batteriepacks wird für die Rahmenprofile normalerweise das Material 6061-T6 verwendet, dessen typischer Querschnitt aus mehreren Hohlräumen besteht, wobei die dünnste Wandstärke etwa 2 mm beträgt. Die Bodenplattenprofile bestehen ebenfalls aus mehreren Hohlräumen, das Material ist in der Regel 6061-T6 oder 6065A-T6, wobei die dünnste Wandstärke ebenfalls etwa 2 mm beträgt. Darüber hinaus wird in den Konstruktionslösungen für die tragenden Paletten und die integrierte Flüssigkeitskühlung der Bodenplatte in der Regel eine doppelseitige Struktur verwendet, wobei die Dicke der Bodenplatte normalerweise 10 mm beträgt und die Wandstärke sowie die Innenwände der Hohlräume etwa 2 mm betragen.

l Toleranz der Querschnittsmaße des Profils: Die Toleranz der Querschnittsmaße sollte basierend auf der Verarbeitungstoleranz des Aluminiumprofils, den Verwendungsbedingungen, der Schwierigkeit der Profilextrusion und der Form des Profils bestimmt werden. Bei einigen Aluminiumprofilen, die schwer zu extrudieren sind, kann die Form geändert oder die Verarbeitungstoleranz und die Maßtoleranz erhöht werden, um die Schwierigkeit der Extrusion zu verringern und Aluminiumprofilprodukte zu extrudieren, die den Anforderungen nahe kommen, und dann können sie neu geformt oder verarbeitet werden, um die Verwendungsanforderungen zu erfüllen.

Darüber hinaus müssen bei der Profilkonstruktion die spezifischen Anforderungen unterschiedlicher Schweißverfahren hinsichtlich Fugen, Nuten, Wandstärken etc. berücksichtigt werden.

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Die Luftdichtheit des Akkupacks ist ein Schlüsselfaktor für die Gewährleistung seiner Qualität und Sicherheit. Sie hängt mit der Sicherheit, Zuverlässigkeit und Lebensdauer des Akkupacks zusammen. Der Luftdichtheitstest des Akkupacks sollte nicht nur während des Produktionsprozesses, sondern auch während der Wartung und Inspektion des Akkus durchgeführt werden.

1-Anforderungen an die Luftdichtheit des Batteriepacks

In der tatsächlichen Produktion muss die Luftdichtheit des Batteriepacks die folgenden Anforderungen erfüllen:

Dichtungsleistung: Das Gehäuse, die Schnittstelle und die Anschlüsse des Akkupacks müssen eine gute Dichtungsleistung aufweisen, um das Eindringen von Staub, Wasserdampf und anderen äußeren Verunreinigungen in das Akkupack zu verhindern. Dies kann durch Schweißen, Dichtungsmittel, wasserdichte Materialien usw. erreicht werden.

Wasserdichte Leistung, um zu verhindern, dass Feuchtigkeit in die Batterie eindringt und Kurzschlüsse, Korrosion und andere Probleme verursacht. Gemäß der nationalen Norm GB38031-2020 „Sicherheitsanforderungen für Leistungsbatterien für Elektrofahrzeuge“ muss die Dichtungsleistung von Batterien und ihren Komponenten dem IP67-Standard entsprechen. Die meisten Fahrzeuge mit neuer Energie stellen höhere Anforderungen an die Dichtungsleistung von Batterien und ihren Komponenten und müssen dem IP68-Standard entsprechen, d. h. der Batteriesatz kann das Eindringen von Wasser innerhalb der angegebenen Wassertiefe und Eintauchzeit verhindern.

Zu den herkömmlichen Prüfmethoden für die Luftdichtheit gehören die Druckmethode und die Immersionsmethode (Wassertest). Bei der Immersionsmethode wird die Flüssigkeitskühlplatte in Wasser getaucht und beobachtet, ob Blasen entstehen, um die Abdichtung zu beurteilen.

Flüssigkeitskühlplatte Wasserkanal Luftdichtheitsprüfbehälter

Obwohl der IP68-Standard strenger ist, wird in tatsächlichen Anwendungen häufig die Druckabfallmethode als Haupterkennungsmethode verwendet, um die IP68-Anforderungen durch Festlegen geeigneter Luftdichtheitserkennungsstandards zu erfüllen. Die Druckabfallmethode bestimmt die Luftdichtheit des Batteriepacks durch Messen der Druckänderung im Batteriepack. Bei der Durchführung von Luftdichtheitstests müssen mehrere Parameter beachtet werden, z. B. Aufblasdruck, Aufblaszeit, Druckstabilisierungszeit und Leckrate.

(linke Seite)Prinzipdiagramm für Differenzdruck

(rechte Seite)Diagramm des Grundprinzips des direkten Drucks

2-Analyse des Leckproblems der Flüssigkeitskühlplatte

Mit der kontinuierlichen Steigerung der Marktnachfrage nach batteriebetriebenen Fahrzeugen, batteriebetriebenen Energiespeichersystemen usw. werden häufig Batteriepacks mit höherer Energiedichte und Leistungsdichte verwendet. Aufgrund der thermischen Eigenschaften von Batterien ist die Flüssigkeitskühlungstechnologie eine der wichtigsten technischen Methoden für das Wärmemanagement von Energiespeichern, um den stabilen Betrieb von Kerngeräten wie Batterien sicherzustellen und die Energieeffizienz zu verbessern. Der Luftdichtheitstest des Flüssigkeitskühlsystems ist dabei zu einem wichtigen Bindeglied geworden.

Leckagen in der Flüssigkeitskühlplatte stellen ein ernsthaftes Problem dar: Sie behindern den normalen Kühlmittelfluss, beeinträchtigen die Wärmeableitung der Flüssigkeitskühlplatte und verringern die Leistung des Geräts. Zudem können Leckagen zur Alterung und Beschädigung von Systemkomponenten führen und so die Zuverlässigkeit des Systems verringern. Zudem können elektronische Komponenten und Schaltkreise korrodieren, wodurch die Gefahr von Geräteausfällen und Bränden steigt.

Warum tritt das Leckageproblem trotz strenger Luftdichtheitsprüfungen während des Produktions- und Herstellungsprozesses der Flüssigkeitskühlplatte immer noch auf?

Testverfahren für die Luftdichtheit von Flüssigkeitskühlsystemen

Das Austreten von Flüssigkeit kann verschiedene Ursachen haben:

l Winzige Risse und Defekte,Bei der Prüfung der Luftdichtheit im Gelände können zwar große Leckagekanäle entdeckt werden, es können jedoch immer noch winzige Risse und Defekte vorhanden sein. Diese winzigen Risse können sich unter Flüssigkeitsdruck oder in einer Umgebung mit hohen Temperaturen ausdehnen und zu einem Austreten von Flüssigkeit führen.

l Unterschiede in der Oberflächenspannung und Benetzbarkeit des Kühlmittels: Wenn die Oberflächenspannung des Kühlmittels gering ist, kann es leichter durch winzige Lücken dringen. Wenn die Oberflächenspannung der Flüssigkeitskühlplatte nicht angemessen ausgelegt ist oder das Kühlmittel nicht richtig ausgewählt wurde, kann sich das Problem des Flüssigkeitsaustritts verschlimmern.

Unterschiede in der Benetzbarkeit: Verschiedene Kühlmittel haben eine unterschiedliche Benetzbarkeit fester Oberflächen. Wenn die Oberflächenrauheit des Materials der Flüssigkeitskühlplatte hoch ist oder mikrostrukturelle Defekte vorliegen, kann das Kühlmittel leichter eindringen.

l Installations- oder Prozessprobleme: Wenn der Installationsprozess der Flüssigkeitskühlplatte nicht sorgfältig genug ist oder beim Schweißen, Verbinden und anderen Prozessen Mängel vorliegen, kann dies ebenfalls zu einer mangelhaften Abdichtung führen und die Möglichkeit des Austretens von Flüssigkeit erhöhen.

l Umgebungsbedingungen: Temperaturschwankungen, insbesondere in Hochdruckumgebungen, können die Durchlässigkeit des Kühlmittels beeinträchtigen. Obwohl diese Umgebungsfaktoren bei der Prüfung der Luftdichtheit möglicherweise nicht berücksichtigt werden, können Temperaturschwankungen im tatsächlichen Betrieb zu Dichtungsfehlern führen.

l Alterung oder Ermüdung des Materials: Wenn das Material der Flüssigkeitskühlplatte zu lange verwendet wird, kann es altern oder ermüden, wodurch die Dichtleistung nachlässt und das Risiko eines Flüssigkeitslecks steigt.

3-Vorbeugende Maßnahmen gegen Leckagen an der Flüssigkeitskühlplatte

l Verbessern Sie das Design der Flüssigkeitskühlplatte: Durch die Optimierung der Struktur und des Designs der Flüssigkeitskühlplatte können Sie kleine Risse und Defekte reduzieren und ihre Dichtungsleistung verbessern. Treffen Sie beispielsweise beim Schweißen des Modulinstallationsträgers an der Oberfläche des Strömungskanals Maßnahmen gegen Leckagen, um ein Austreten von Kühlmittel zu vermeiden.

l Verbesserung des Herstellungsprozesses: Im Produktionsprozess der Flüssigkeitskühlplatte werden hochwertige Schweißverfahren und Materialien verwendet, um sicherzustellen, dass das Kühlmittel nicht leicht eindringt. Befolgen Sie gleichzeitig während des Montagevorgangs genau die Betriebsverfahren, um Lockerheit oder falsche Installation zu vermeiden.

l Optimieren Sie die Kombination von Erkennungsmethoden, um die Erkennungseffizienz sicherzustellen und gleichzeitig die Erkennungsgenauigkeit zu verbessern und die Anzahl verpasster Erkennungen zu verringern. Zur Erkennung der Luftdichtheit werden die Immersionsmethode und die Druckabfallmethode verwendet. Sie sind einfach zu handhaben, wirtschaftlich und effizient und eignen sich für routinemäßige Erkennungsanforderungen im großen Maßstab. Die Erkennungsgenauigkeit der beiden Methoden ist jedoch gering. Die Erkennungsgenauigkeit der Druckabfallmethode liegt im Allgemeinen bei einer Leckrate von 1×10-4Pa·m³/s, und die Genauigkeit der Erkennungsergebnisse wird leicht durch Faktoren wie Temperatur, Feuchtigkeit, Sauberkeit und Druck beeinträchtigt. Verwenden Sie Erkennungsgeräte mit höherer Erkennungsgenauigkeit und besserer Wirkung, um die Erkennungsgenauigkeit auf 1×10-6Pa·m³/s zu erhöhen und so die Erkennungswirkung zu verbessern.

Zusätzlich zu den Präventivmaßnahmen für die Flüssigkeitskühlplatte selbst ist es auch erforderlich, in mehreren Aspekten, wie etwa der Kühlmittelauswahl, der Dichtungsauswahl und der Arbeitsumgebung der Geräte, entsprechende Reaktionsstrategien zu ergreifen.

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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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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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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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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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Mit der kontinuierlichen Erhöhung der Leistungsdichte und Wärmeentwicklung verschiedener elektronischer Produkte wird das Wärmemanagement immer herausfordernder,Flüssigkeitskühlung wird aufgrund ihrer effizienten Kühlleistung, ihres niedrigen Energieverbrauchs, ihrer geringen Geräuschentwicklung und ihrer hohen Zuverlässigkeit zunehmend zur Standardlösung.

Das Flüssigkeitskühlsystem funktioniert durch das Anbringen der Kaltplatte an die Batteriegruppe (oder eine andere Wärmequelle), wobei ein Kühlmittel im Inneren zirkuliert, um die von der Wärmequelle erzeugte Wärme abzuleiten,Diese Wärme wird dann durch einen oder mehrere Kühlkreisläufe abgeführt und schließlich an die Außenumgebung abgegeben.

Als Kernkomponente eines Flüssigkeitskühlsystems ist die Flüssigkeitskühlplatte ein hocheffizientes Wärmemanagementelement, dessen Hauptfunktion darin besteht, die im Betrieb entstehende Wärme des Akkus (oder anderer Wärmequellen) durch den Kühlmittelfluss abzuleiten, um den Betrieb des Geräts im sicheren Temperaturbereich zu gewährleisten.Wenn die Kanäle der Flüssigkeitskühlplatte nicht sauber sind, kann dies die Gleichmäßigkeit des Kühlmittelflusses beeinträchtigen. Zu große Fremdpartikel können zu Verstopfungen oder einer ungleichmäßigen Zirkulation des Kühlmittels führen, wodurch die Wärmeübertragung eingeschränkt wird und die Effizienz der Wärmeregulierung und die Gesamtleistung der elektronischen Geräte negativ beeinflusst werden.

Verbleibende Verunreinigungen in den Kanälen können die Oxidschutzschicht der Metalloberflächen beschädigen und so Korrosion oder Erosion an der Flüssigkeitskühlplatte verursachen. Außerdem können die Verunreinigungen in den Kanälen zu schlechten Kontakten zwischen Komponenten führen, was die Alterung oder Beschädigung von Dichtungen beschleunigt und somit das Risiko von Leckagen erhöht, was die langfristige Stabilität des Systems beeinträchtigt.

1-Sauberkeitsanforderungen für die Kanäle von Flüssigkeitskühlplatten

Bei den aktuellen Flüssigkeitskühlboxlösungen für Energiespeicherung wird im Allgemeinen gefordert, dass sich keine Fremdkörper, Aluminiumspäne, Ölreste oder Flüssigkeiten in den Kanälen befinden dürfen. In einigen Fällen gibt es spezifische Anforderungen an die Masse der Verunreinigungen sowie an die Größe harter und weicher Partikel.

2-Hochrisikobereiche für Verunreinigungen der Kanäle während der Herstellung von Flüssigkeitskühlplatten

Bei der Bearbeitung und Herstellung von Kühlplattenkomponenten, insbesondere der inneren Kanäle und Kühlanschlüsse, können beim Zuschneiden, Kanalfräsen, Ölrückstände, Kühlmittel, Metallspäne und andere Fremdstoffe leicht in die Kanäle gelangen. Da sich die Bearbeitungsstellen direkt an den Kanalöffnungen befinden, ist der Schutz schwierig, und eingedrungene Späne sind nur schwer zu entfernen.

Verarbeitung von Flüssigkeitskühlplattenkomponenten: Rillenreinigung und Entgraten

Nach der Bearbeitung der Kühlplattenkanäle werden durch Schweißen Verschlussstreifen, Wasseranschlüsse und andere Komponenten montiert, um geschlossene Kanäle zu schaffen. Diese Kanäle sind in der Regel nicht linear, was Spülblindstellen erzeugt.

Im Bearbeitungsprozess nach dem Schweißen der Kühlplatten wird eine große Menge an Schneidkühlmittel verwendet, um Werkzeuge und Werkstücke zu kühlen, was eine erhebliche Menge an Metallspänen erzeugt. Diese Phase birgt ein hohes Risiko, dass Kühlschmierstoffe und Späne in die Kanäle gelangen, die schwer vollständig entfernt werden können, wodurch ein erhebliches Risiko für Kanalverunreinigung besteht.

3-Reinigung und Schutz der Kanäle der Flüssigkeitskühlplatte

Um die Zuverlässigkeit und Leistung der Flüssigkeitskühlplattenkomponenten sicherzustellen, werden in der Regel strenge Reinigungsmaßnahmen durchgeführt.Durchspülen: Mit einem Hochdruckreiniger werden die inneren Kanäle der Flüssigkeitskühlplatte gespült, um mögliche Rückstände, Partikel oder andere Verunreinigungen zu entfernen.Nach dem Durchspülen müssen die Flüssigkeitskühlplattenkomponenten getrocknet werden, um sicherzustellen, dass keine Feuchtigkeit in den Kanälen verbleibt.

Bearbeitung von Flüssigkeitskühlplattenkomponenten: Spülen und Entfetten

Flüssigkeitskühlplatten, wie z. B. Kühlplatten, können während der Herstellung leicht verschmutzt werden, wenn sie nicht richtig geschützt werden. Metallspäne, Öl und Kühlflüssigkeit können in den Produktionsprozess gelangen. Auch beim Transport der Kühlplatten können leicht Fremdkörper eindringen.Normalerweise wird im Voraus der Schutz der Kanäle bedacht, z. B. durch Staubschutzaufkleber und Dichtmanschetten an den Wasseranschlüssen.

Daher ist die Reinigung der inneren Kanäle von Kühlplatten unerlässlich, um Verunreinigungen zu beseitigen und die Sauberkeit zu erhöhen. In der Praxis ist eine vollständige Prozesskontrolle erforderlich. Darauf aufbauend werden spezifische Maßnahmen zur Verschmutzungskontrolle vorgeschlagen, um die Verunreinigung der inneren Kühlkanäle wirksam zu kontrollieren.

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Das Batteriegehäuse zur Energiespeicherung spielt eine entscheidende Rolle im Speichersystem. Zu seinen Hauptfunktionen gehören Lastschutz, gleichmäßige Wärmeverteilung, elektrische Installation und wasserdichte Abdichtung.Mit den steigenden Anforderungen an die Energiedichte der Batterien ist die Verwendung von Aluminiumlegierungen, die aufgrund ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit und geringen Dichte bevorzugt werden, eine effektive Lösung zur Verbesserung der Systemleistung.

Das Design mit integrierter Strömungskanälen und Seitenwänden des Gehäuses kann die Schweißarbeiten an den tragenden Teilen reduzieren, wodurch die strukturelle Festigkeit verbessert wird. Dadurch bleibt die Struktur bei statischer Belastung, Hebevorgängen und zufälligen Vibrationen sicher und stabil, und gleichzeitig wird die Dichtleistung des Gehäuses in gewissem Maße verbessert.

Darüber hinaus hilft das integrierte Design, die Anzahl der Teile zu reduzieren und das Gewicht des Gehäuses zu verringern. Die Herstellung durch Extrusionsverfahren ermöglicht niedrige Formkosten, einfache Verarbeitung und leichte Anpassungen, um unterschiedliche Produktionsvolumina flexibel zu bedienen.

1-Haupttypen des Aluminium-Extrusionsschweißverfahrens für die Energiespeicher-Bodenbox

Die Breite der flüssigkeitsgekühlten Bodenbox für Energiespeicherung liegt normalerweise zwischen 790 und 810 mm, die Höhe variiert von 40 bis 240 mm. Sie wird in Flach- und Flanschform unterteilt (siehe Abbildung unten). Die Länge der flüssigkeitsgekühlten Bodenbox hängt von der Kapazität des Energiespeicherprodukts ab, gängige Varianten sind 48s, 52s, 104s und andere verschiedene Spezifikationen.

Flachbauweise der flüssigkeitsgekühlten Bodenbox

Flanschbauweise der flüssigkeitsgekühlten Bodenbox

2-Strukturformen des Aluminium-Extrusionsschweißverfahrens für die Energiespeicher-Bodenbox

Der flüssigkeitsgekühlte Kasten ist die Grundstruktur des gesamten Batteriepakets und besteht aus einer rechteckigen Rahmenstruktur, die aus einem Boden mit Kanälen, Dichtleisten, Wasseranschlüssen, Rahmen, Trägern, Halterungen und Haken zusammengesetzt ist. Alle Teile bestehen aus Aluminiumlegierung.

Schematische Darstellung der Montage von Komponenten des flüssigkeitsgekühlten Kasten

Der flüssigkeitsgekühlte Kasten muss über ausreichende Tragfähigkeit und strukturelle Festigkeit verfügen, was hohe Anforderungen an die Schweißqualität stellt, einschließlich Schweißverfahren, Schweißnahtklassifizierung und Schweißerfähigkeiten, um die Sicherheit und Zuverlässigkeit in der praktischen Anwendung zu gewährleisten.

Die Flüssigkeitskühltechnik stellt hohe Anforderungen an die Luftdichtheit des Flüssigkeitskühlkastens, einschließlich der Luftdichtheit des unteren Kastens und der Flüssigkeitskanäle. Zudem müssen die Flüssigkeitskanäle den Druck des Kühlmittels standhalten, weshalb die Anforderungen an die Luftdichtheit der Flüssigkeitskanäle noch höher sind.

3-Anforderungen an die Schweißqualität

Es wird allgemein gefordert, dass der Flüssigkeitskühlboden mit Reibungswiderstandsschweißen geschweißt wird. Auch die Stopfen des flachen Flüssigkeitskühlkastens werden mit Reibungswiderstandsschweißen verbunden. In der Regel sollte die Vertiefung der Reibungsnaht ≤ 0,5 betragen, und es dürfen keine abfallenden oder durch Vibrationen abfallenden Metallteile auftreten.

Flüssigkeitskanäle, Rahmen, Wasseranschlüsse, Aufhängungen, Querträger und andere Komponenten werden häufig mit TIG- oder CMT-Schweißen hergestellt. Aufgrund der unterschiedlichen Leistungsanforderungen der Teile wird für Flüssigkeitskanäle, Rahmen, Wasseranschlüsse, Aufhängungen usw. das volle Schweißen verwendet, während Querträger und Zubehör segmentweise geschweißt werden. Die Planheit im Bereich der vorderen und hinteren Batterie-Modulträger sollte für ein einzelnes Modul < 1,5 mm und für das gesamte Modul < 2 mm betragen; die Planheit des Rahmens muss für jede zusätzliche Länge von 500 mm ± 0,5 mm eingehalten werden.

An der Schweißnaht dürfen keine Risse, unvollständige Schweißungen, ungeschmolzene Bereiche, Oberflächenporen, freiliegende Schlacke oder unvollständige Schweißungen vorhanden sein. In der Regel wird gefordert, dass die Höhe der Wasseranschluss-Schweißnaht ≤ 6 mm beträgt, während die Schweißnähte an anderen Stellen die Unterseite des Gehäuses nicht überschreiten dürfen und die Schweißnähte an der Innenseite der vorderen und hinteren Modulträger nicht über die Innenseite hinausragen dürfen.

Die Schweißnahttiefe muss den relevanten Standardanforderungen entsprechen. Die Zugfestigkeit von Lichtbogen-Schweißverbindungen sollte mindestens 60 % des minimalen Zugfestigkeitswerts des Grundmaterials betragen; bei Laser- und Reibungsschweißverbindungen sollte die Zugfestigkeit mindestens 70 % des minimalen Zugfestigkeitswerts des Grundmaterials betragen.

Darüber hinaus muss das Schweißen des unteren Gehäuses auch die IP67-Dichtigkeitsstandards erfüllen. Daher wird für die Nachbearbeitung der Schweißnähte allgemein gefordert, dass die Schlacke und Schweißnähte im Bereich der vorderen und hinteren Modulträger glatt geschliffen werden; Schweißungen an der Außenseite der Palette dürfen nicht geschliffen werden, und die Schweißnähte an den Dichtflächen müssen glatt geschliffen werden, ohne nennenswerte Höhenunterschiede zum Rahmen.

Tabelle: Auswahl der Verarbeitungstechniken für den Verbund von Flüssigkeitskühlungsuntergehäusen in Energiespeichersystemen und typische Anwendungen

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Der Zweck eines Wärmetauschers besteht darin, innerhalb eines bestimmten Volumenraums eine höhere Wärmeübertragungsfläche zu erreichen. Durch die Verbesserung der Strukturform kann die Wärmeübertragungseffizienz von der Oberfläche zum umgebenden Fluid gesteigert werden. Durch Maßnahmen wie Oberflächenbehandlung wird die effektive Wärmeübertragungsfläche vergrößert, um die Wärmeabfuhr zu verstärken und die Temperatur zu kontrollieren.

In Anwendungen mit niedrigen Anforderungen an die Volumenleistungsdichte und Wärmestromdichte sind rechteckige, gerade Rippen aufgrund ihrer einfachen Struktur, angemessenen Herstellungskosten und guten Wärmeableitungseigenschaften bei Ingenieuren sehr beliebt.

Vergleich verschiedener Wärmeübertragungsmethoden

1-Entwurf der Wärmetauscher-Rippen

Ein Wärmetauscher dient als erweiterte Kühlfläche und konzentriert sich hauptsächlich auf Parameter wie die Höhe, Form, Abstände der Rippen und die Dicke der Grundplatte.

Plate fin heat sink dimensions

Anhand des obigen Diagramms lässt sich die erweiterte Fläche des Wärmetauschers berechnen:

Fläche einer einzelnen Rippe:A_f = 2L（h+t/2），

Spaltfläche：A_b= Lh，

Gesamte Wärmeübertragungsfläche: At=nA_f +(n±1)A_b (n ist die Anzahl der Rippen).

Querschnittsansicht der Rippe

Die Hauptfunktion der Kühlrippen besteht darin, durch die Vergrößerung der Oberfläche die Effizienz des Wärmetransfers zu steigern.Der Abstand, die Dicke und die Höhe der Rippen sind entscheidende Faktoren zur Bestimmung der Anzahl, Verteilung und Ausdehnung der Rippenfläche.Wie in der Abbildung gezeigt, wenn h↑ oder t↓, sind die Rippen höher, dünner und dichter, was eine größere Wärmeabstrahlungsfläche ermöglicht.

Wenn die Oberfläche der Kühlrippen zunimmt, erhöht sich auch die Kontaktfläche zur Luft, was die Wärmeabgabe erleichtert.Ingenieure können die Kühlfläche weiter erhöhen, indem sie die Form der Rippen optimieren, z.B. wellenförmig oder gezahnt.

Obwohl eine größere Oberfläche der Kühlrippen die Wärmeabgabe verbessert, bedeutet das nicht zwangsläufig, dass größere Rippen immer besser sind.Unabhängig davon, ob natürliche oder erzwungene Kühlung verwendet wird, ist der Abstand der Rippen ein wichtiger Faktor für den Wärmeübertragungskoeffizienten der Luft.

Der Einfluss des Finnenabstands und der Höhe auf die Kühleffizienz

Bei natürlicher Kühlung führt die Temperaturänderung an der Oberfläche des Kühlers zu natürlicher Konvektion und Luftstrom entlang der Rippenwände (Grenzschicht). Ein zu kleiner Rippenabstand behindert diesen Prozess.Bei erzwungener Kühlung wird die Dicke der Grenzschicht der Rippen komprimiert, der Abstand kann kleiner sein, wird aber durch die Bearbeitungsmethoden und den Antrieb begrenzt. Daher ist das Gleichgewicht zwischen Rippenstärke und Höhe entscheidend.

2-Design des Kühlkörper-Basiselements

Die Dicke der Basisplatte ist ein wichtiger Faktor für die Effizienz des Kühlkörpers. Bei einer dünnen Basisplatte ist der Wärmeübergang zu den weiter vom Wärmequellen entfernten Rippen aufgrund des höheren Wärmewiderstands eingeschränkt, was zu einer ungleichmäßigen Temperaturverteilung führt und die Wärmebeständigkeit des Kühlkörpers verringert.

Eine dickere Basisplatte kann die Temperaturverteilung verbessern und die Wärmebeständigkeit erhöhen, aber eine zu dicke Platte kann zu Wärmestau führen und die Wärmeleitfähigkeit verringern.

Schematische Darstellung des Funktionsprinzips eines Kühlkörpers

Wie in der Abbildung oben gezeigt:

Wenn die Fläche der Wärmequelle kleiner als die der Basisplatte ist, muss die Wärme vom Zentrum zu den Rändern diffundieren, was einen Diffusionswärmewiderstand erzeugt. Die Position der Wärmequelle beeinflusst auch den Diffusionswiderstand. Befindet sich die Wärmequelle nahe am Rand des Kühlkörpers, kann die Wärme leichter am Rand abgeleitet werden, wodurch der Diffusionswärmewiderstand verringert wird.

Hinweis: Der Diffusionswärmewiderstand bezieht sich auf den Widerstand, der beim Entwurf eines Kühlkörpers auftritt, wenn sich die Wärme vom Zentrum der Wärmequelle zu den Rändern ausbreitet. Dieses Phänomen tritt normalerweise auf, wenn ein signifikanter Unterschied zwischen der Wärmequellenfläche und der Basisplattenfläche besteht, sodass die Wärme von einer kleineren zu einer größeren Fläche diffundieren muss.

3-Verbindungstechnik zwischen Rippen und Grundplatte

Die Verbindungstechnik zwischen den Kühlrippen und der Grundplatte des Kühlkörpers umfasst in der Regel verschiedene Verfahren, um eine gute Wärmeübertragung und mechanische Stabilität zu gewährleisten. Diese Verfahren lassen sich hauptsächlich in zwei Kategorien unterteilen: Einteilig und nicht einteilig.

Bei einteiligen Kühlkörpern bilden die Kühlrippen und die Grundplatte eine Einheit, wodurch kein Kontaktwärmewiderstand entsteht. Es gibt hauptsächlich folgende Verfahren:

l Aluminium-Druckguss: Durch Schmelzen des Aluminiumbarrens und Einpressen in eine Metallform unter hohem Druck wird der Kühlkörper direkt in einer Druckgussmaschine geformt, was die Herstellung von Kühlrippen mit komplexen Formen ermöglicht.

l Aluminium-Extrusion: Das Aluminium wird erhitzt, in einen Extrusionszylinder gegeben und unter Druck durch eine Matrize gepresst, um ein Rohteil mit der gewünschten Querschnittsform und -größe zu erzeugen. Danach erfolgt die weitere Bearbeitung durch Schneiden und Feinschleifen.

l Der Vorteil der Kaltverformung besteht darin, dass feine Kühlrippen hergestellt werden können und das Material eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, jedoch sind die Kosten relativ hoch. Es ist besser für die Bearbeitung von Sonderformen geeignet als die Aluminium-Extrusion.

l Die Rippenmaterialien des Schaufelkühlers können aus Kupfer bestehen, das eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Die Rippen können sehr fein sein und werden direkt von der Grundplatte mit einem Werkzeug herausgeschabt. Bei großen Rippenhöhen und -längen kann durch Spannung eine Verformung auftreten.

Bei der nicht-einteiligen Fertigung werden die Kühlrippen und die Grundplatte separat bearbeitet und anschließend durch Schweißen, Nieten oder Kleben miteinander verbunden. Die Hauptverfahren sind:

l Schweißverbindung: Die Rippen und die Grundplatte werden durch Lötmittel miteinander verbunden, einschließlich Hochtemperaturlöten und Niedertemperatur-Lötpaste;

Die Schweißverbindung hat gute Wärmeübertragungseigenschaften; beim Löten von Aluminiumsubstraten und Kühlrippen ist eine Nickelbeschichtung erforderlich, was die Kosten erhöht und sich nicht für große Kühlkörper eignet; beim Löten ist keine Nickelbeschichtung erforderlich, aber die Kosten sind weiterhin hoch.

l Nietverbindung: Die Rippen werden in die Aussparung der Grundplatte eingesetzt, und die Aussparung wird mit einer Form in die Mitte gedrückt, um die Kühlrippen fest zu umschließen und eine enge Verbindung herzustellen.

Der Vorteil der Nietverbindung ist die gute Wärmeübertragungseigenschaft, aber Produkte mit Nietverbindungen haben nach wiederholtem Gebrauch das Risiko von Lücken und Lockerungen; es ist möglich, das Nietenverfahren zur Verbesserung der Zuverlässigkeit zu optimieren, aber die Kosten werden entsprechend erhöht, weshalb Niet-Kühlkörper oft in Anwendungen eingesetzt werden, bei denen die Zuverlässigkeit nicht so hoch ist.

l Klebeverbindung: In der Regel wird wärmeleitfähiges Epoxidharz verwendet, um die Kühlrippen und die Grundplatte fest miteinander zu verkleben und den Wärmeübergang zu gewährleisten.

Die Klebeverbindung verwendet wärmeleitfähiges Epoxidharz, dessen Wärmeleitfähigkeit im Vergleich zur Schweißverbindung viel niedriger ist, jedoch geeignet für höhere FINs, hohe Verhältnisse und Kühlkörper mit geringem Abstand ist. In Anwendungen, bei denen die Anforderungen an die Kühlleistung nicht hoch sind, kann dies verwendet werden.

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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.

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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