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Artículo intermedio: Diseño hermético de la caja del paquete de refrigeración líquida para almacenamiento de energía
La posible falla de la hermeticidad del paquete de enfriamiento líquido del almacenamiento de energía involucra múltiples aspectos, tales como: fugas, corrosión y deposición, agua de condensación y otros modos de falla.
1- Interconexión y composición de fluidos
En el sistema de refrigeración líquida para almacenamiento de energía, la interconexión de fluidos es la encargada de transferir el refrigerante entre los distintos componentes. Mediante una interconexión de fluidos eficaz, se garantiza que el refrigerante circule de manera eficiente en el sistema, eliminando así el exceso de calor generado durante el proceso de carga y descarga de la batería.
Un sistema bien sellado puede prevenir eficazmente las fugas de refrigerante. Las fugas no solo provocarán la pérdida de refrigerante y requerirán una reposición frecuente, sino que también afectarán el rendimiento de disipación de calor y la estabilidad del sistema. En el almacenamiento de energía, las fugas de refrigerante también pueden provocar cortocircuitos en la batería, lo que provoca problemas de seguridad.
2-Diseño hermético del sistema de interconexión de fluidos
El diseño hermético del sistema de interconexión de fluidos es el vínculo clave para garantizar que el sistema mantenga el sellado y evite fugas de fluidos en diversas condiciones de operación.
Figura 1: Implementación típica de un sistema de refrigeración líquida para almacenamiento de energía
(1) Analizar posibles fuentes de fuga y puntos de riesgo en el sistema:
l La propiedad de autosellado del conjunto de refrigeración líquida. Por ejemplo, en el diseño integrado del sistema de canal de refrigeración líquida y la caja de empaque, los componentes están conectados mediante soldadura. Los defectos de calidad de la soldadura, la soldadura deficiente, los poros, las grietas, etc. pueden provocar problemas de filtración de líquido.
l El diseño estructural no es razonable. Por ejemplo, los orificios de posicionamiento o los orificios roscados de la caja de refrigeración por líquido están demasiado cerca del canal de flujo y las piezas mal soldadas pueden convertirse fácilmente en canales de filtración de líquido.
l Piezas de conexión: Las conexiones de tuberías, válvulas y juntas del sistema de refrigeración líquida son puntos de fuga habituales. Si la estructura de conexión no está diseñada correctamente o el proceso de fabricación no es sofisticado, pueden aparecer pequeños defectos en el interior de las juntas y el refrigerante también puede filtrarse por estos defectos.
l Fugas causadas por una instalación incorrecta, envejecimiento o daños del material, etc.
(2) Diseño de la estructura de sellado:
l El PACK refrigerado por líquido utiliza un método de refrigeración por placa fría separada por vía seca y húmeda. En condiciones normales de funcionamiento, las celdas de la batería no tienen contacto con el refrigerante, lo que puede garantizar el funcionamiento normal de las celdas de la batería. Una solución para el enfriador de líquido de almacenamiento de energía es formarlo mediante un proceso de extrusión, integrar el canal de flujo directamente en la placa fría y luego utilizar un procesamiento mecánico para abrir la ruta de circulación de refrigeración. En este proceso, la elección del proceso de soldadura adecuado es un paso importante para garantizar el sellado. Para obtener más información, consulte "Diseño del proceso de soldadura para la caja inferior para almacenamiento de energía".
l Las tuberías de refrigeración líquida se utilizan principalmente para conexiones de tuberías blandas (duras) de transición entre fuentes de refrigeración líquida y equipos, entre equipos y entre equipos y tuberías. Los principales métodos de conexión son:
Conexión rápida: Uno de los métodos de conexión para los sistemas de refrigeración líquida de almacenamiento de energía es utilizar la conexión rápida VDA o CQC.
Conexión roscada: Ambos extremos de la estructura de conexión están conectados de forma deslizante con tuberías, y la conexión roscada entre el anillo de rosca interno y el manguito roscado aumenta la firmeza de la conexión.
Conexión de la tubería limitadora y la tuerca: Se sujeta una tubería de conexión en un extremo de la tubería y se instalan tuberías limitadoras de forma fija en ambos lados de la tubería de conexión. Se instalan arandelas de goma y anillos convexos de forma fija dentro de las tuberías limitadoras, y se abre una ranura para el anillo limitador en la superficie de la cabeza de la tubería de conexión. Una tuerca se conecta de forma giratoria a la parte superior del tubo limitador y se conecta de forma giratoria al tubo limitador a través de roscas.
Conexión del anillo de sellado: un anillo de sellado se adhiere a la pared interior del manguito roscado mediante un pegamento fuerte, y la pared interior del anillo de sellado está conectada de forma móvil a la superficie exterior de la tubería para evitar fugas durante el uso.
(3) La placa de refrigeración líquida PACK, la interfaz de la cabina, la tubería de la cabina, etc. están diseñadas con protección contra la corrosión a largo plazo en condiciones de refrigerante, temperatura y caudal comunes para garantizar un funcionamiento a largo plazo sin corrosión. Efecto de las condiciones de funcionamiento en la hermeticidad del líquido:
l Temperatura. Influencia de las altas temperaturas: A medida que aumenta la temperatura, la viscosidad del líquido generalmente disminuye, lo que puede hacer que el rendimiento de sellado del líquido disminuya, afectando así la hermeticidad del líquido. Por ejemplo, ciertos materiales de sellado pueden deformarse o deteriorarse a altas temperaturas, provocando fugas. Influencia de las bajas temperaturas: En un entorno de bajas temperaturas, el líquido puede volverse viscoso, aumentando la dificultad de flujo, pero también puede mejorar el rendimiento del material de sellado, mejorando así la hermeticidad del líquido hasta cierto punto.
l Presión. Entorno de alta presión: bajo alta presión, la densidad y la viscosidad del líquido pueden aumentar, mejorando así el rendimiento de sellado del líquido. Sin embargo, una presión excesiva también puede dañar el material de sellado y provocar fugas. Entorno de baja presión: bajo baja presión, el rendimiento de sellado del líquido puede ser relativamente débil, especialmente si el material de sellado en sí es defectuoso o viejo, es más probable que haya fugas.
l Caudal. Caudal alto: cuando el líquido fluye a alta velocidad, puede producir una gran fuerza de impacto en la superficie de sellado, lo que provoca desgaste o deformación del material de sellado, lo que afecta la hermeticidad del líquido. Caudal bajo: a un caudal bajo, el rendimiento de sellado del líquido es relativamente bueno, pero esto también puede ocultar algunos posibles problemas de sellado, como defectos menores en el material.
3-Problemas de corrosión y deposición
l El impacto del bloqueo en la hermeticidad del aire:
El refrigerante, los depósitos o el crecimiento de la caldera pueden provocar bloqueos internos, un flujo deficiente del refrigerante y una reducción de la eficiencia de enfriamiento.
Incrustaciones y incrustaciones: los minerales presentes en el refrigerante pueden formar depósitos en la pared interior de la tubería después de un funcionamiento prolongado, lo que se denomina "incrustaciones". Las incrustaciones también pueden formarse debido a la precipitación de partículas sólidas, la cristalización, la corrosión o la actividad microbiana. Esta suciedad obstruirá las tuberías y las placas de refrigeración, aumentará la resistencia al flujo y reducirá la eficiencia de la transferencia de calor.
Problema de espuma: se puede generar espuma en el sistema de refrigeración líquida. La espuma se adherirá a la superficie de la placa fría, lo que provocará una disminución del efecto de transferencia de calor y puede aumentar la resistencia en el funcionamiento del sistema, provocar corrosión por cavitación en la bomba, etc., y dañar el equipo.
l La influencia de las corrientes de Foucault en la hermeticidad del aire:
Cuando un fluido fluye por una tubería o un hueco, los cambios de velocidad pueden provocar la formación de remolinos, especialmente cuando el fluido pasa por partes estrechas u obstáculos, es más probable que se formen remolinos. La viscosidad y la densidad del fluido también afectan la generación de vórtices. Los fluidos con mayor viscosidad tienen más probabilidades de formar vórtices, mientras que los fluidos con mayor densidad pueden debilitar la formación de vórtices.
Caminos de fuga: Las corrientes de Foucault forman vórtices en las superficies de contacto, que pueden generar pequeños caminos de fuga en espacios o superficies irregulares, lo que provoca fugas de gas o líquido.
Desgaste de la superficie: el flujo en remolino puede provocar el desgaste de las superficies de contacto, especialmente en condiciones de flujo de alta velocidad. Este desgaste puede reducir aún más la hermeticidad del aire porque las superficies desgastadas tienen más probabilidades de formar nuevos canales de fuga.
Efectos térmicos: El flujo de corrientes de Foucault genera calor, lo que puede provocar deformación o expansión térmica del material de la superficie de contacto, afectando así la hermeticidad, especialmente en sistemas con grandes cambios de temperatura.
4-Problema de agua de condensación
En determinadas condiciones, puede formarse condensación en las líneas de refrigeración líquida, lo que puede provocar daños en el equipo o reducir la eficiencia. Falla del aislamiento: si el material de aislamiento de la tubería está dañado o envejecido, se perderá calor y se verá afectado el efecto de refrigeración. Especialmente en entornos de baja temperatura, la falla del aislamiento puede provocar la formación de escarcha o hielo en la superficie de la tubería. Agrietamiento por escarcha: en entornos fríos, si no se toman las medidas anticongelantes adecuadas, el refrigerante de las tuberías puede congelarse y provocar la rotura de las mismas.
Soluciones
l Medidas de sellado: Asegúrese de que la entrada y la salida de la tubería de refrigeración líquida estén completamente bloqueadas para evitar que el aire húmedo externo ingrese al compartimiento de la batería.
l Equipo de deshumidificación: Instale un acondicionador de aire deshumidificador o utilice la función de deshumidificación para mantener la humedad en el compartimiento de la batería dentro de un rango apropiado.
l Control de temperatura: Mediante la instalación de sistemas de aire acondicionado o ventilación, se puede controlar la temperatura y la humedad del ambiente donde se ubica el armario de almacenamiento de energía. Por ejemplo, se puede mantener la temperatura a 20-25 grados centígrados y la humedad relativa se puede controlar a un 40%-60%.
l Medidas de aislamiento: Aislamiento simple de los racks de baterías vacíos para evitar que la humedad entre en el compartimento que contiene el grupo de baterías.
Actualizaremos periódicamente la información y las tecnologías relacionadas con el diseño térmico y la reducción de peso. Gracias por su interés en Walmate.
Paquete de almacenamiento de energía con diseño completamente sellado丨Artículo anterior
El diseño completamente sellado del paquete de almacenamiento de energía es la clave para garantizar su seguridad y un funcionamiento estable a largo plazo. El sellado es esencialmente el uso de un dispositivo para cerrar (sellar) un espacio o hacer que una junta sea a prueba de fugas. El diseño completamente sellado puede prevenir eficazmente la fuga de líquido y gas dentro de la celda de la batería, lo que es crucial para garantizar el funcionamiento seguro y estable del sistema de almacenamiento de energía. Por lo tanto, al diseñar, se deben considerar tanto la hermeticidad del aire como el sellado del medio líquido.
En la práctica, el diseño del sellado de los paquetes de almacenamiento de energía debe tener en cuenta de manera integral múltiples factores, como materiales, procesos, equipos de prueba, condiciones ambientales y procesos de fabricación, para garantizar que su rendimiento de sellado pueda cumplir con los estándares esperados. Este artículo explica la práctica de aplicación y los puntos clave del diseño del sellado de los paquetes de almacenamiento de energía en la ingeniería real desde los aspectos de hermeticidad de la caja del paquete, hermeticidad del líquido del ciclo de enfriamiento del líquido y medio de enfriamiento del líquido.
Artículo anterior: Diseño hermético de la caja del paquete de almacenamiento de energía
El diseño de sellado ayuda a mantener estable la temperatura y la presión dentro del paquete de almacenamiento de energía, lo que desempeña un papel clave en el funcionamiento y el rendimiento normales de la batería; y el diseño de sellado puede reducir el impacto del entorno externo en la batería interna, como la humedad, el polvo y otros contaminantes, etc., mejorando así la confiabilidad y la vida útil del sistema. Además, el uso de materiales y estructuras de sellado adecuados puede mejorar de manera efectiva la resistencia al desgaste y al envejecimiento de los sellos, mejorar la durabilidad de todo el sistema de almacenamiento de energía y reducir los costos de mantenimiento.
La idea general del diseño hermético es analizar la estructura de la caja para descubrir las áreas clave donde pueden existir fugas y luego tomar medidas específicas de acuerdo con el rendimiento específico y los requisitos funcionales de las diferentes áreas.
1-Análisis de la estructura de la caja
La caja no es solo el soporte físico de los módulos de batería y los componentes eléctricos, sino también una garantía importante para el funcionamiento seguro y fiable de todo el sistema de almacenamiento de energía. Es el "esqueleto" del paquete de almacenamiento de energía, que generalmente está compuesto por una tapa superior, una caja inferior, componentes de soporte y piezas de sellado y pernos, etc.
Figura 1: Diagrama esquemático de la caja del paquete de almacenamiento de energía y áreas clave de enfoque en el diseño de sellado (por ejemplo, marcadas con flechas rojas)
Como se muestra en la figura anterior, averigüe dónde pueden ocurrir posibles fugas:
l Puntos de conexión de múltiples piezas, como: la interfaz de ensamblaje entre la cubierta superior y la caja inferior, la interfaz de instalación entre los conectores de alto y bajo voltaje y la caja, la interfaz de instalación entre los componentes expuestos y la caja de la batería, etc.
l Si se utilizan pernos para la conexión, también puede haber riesgo de fugas en el punto de instalación y fijación, como la interfaz eléctrica y la interfaz de instalación del panel frontal de la caja.
l No debe haber agujeros ni espacios en la tapa superior ni en el cuerpo inferior de la caja para garantizar el sellado y el rendimiento protector de la caja.
Figura 2: Caja inferior de refrigeración líquida por inmersión (marco de chapa metálica + placa inferior de refrigeración líquida de aluminio)
2- Diseño de sellado de la interfaz de instalación entre la tapa superior y la caja inferior
La cubierta superior generalmente se puede dividir en dos tipos: tipo plano y tipo de forma especial. Sus características estructurales también son diferentes. Por ejemplo, material compuesto SMC, aluminio, sin importar qué material, para reducir la complejidad de la estructura autosellante, la cubierta superior de la carcasa de la batería La cubierta generalmente tiene un diseño de una sola pieza. Además, los requisitos de apertura de la cubierta superior también deben cumplir con los requisitos de la interfaz y deben ser independientes de la interfaz de sellado para reducir el impacto en el sellado del paquete de baterías. El diseño del sello de la cubierta superior generalmente sigue los siguientes principios:
l Se adopta el diseño de piezas integradas para evitar el diseño de piezas separadas, garantizando así la estabilidad del rendimiento de "autosellado" de la cubierta superior.
l Los orificios de posicionamiento y las características de posicionamiento están diseñados en el borde de la cubierta superior (fuera de la interfaz de sellado entre la cubierta superior y la bandeja inferior).
l La interfaz de sellado entre la cubierta superior y el cuerpo de la caja inferior requiere una superficie coincidente para cumplir con los requisitos de sellado "uniforme" y "continuo".
En la actualidad, las principales soluciones para la caja inferior del paquete de almacenamiento de energía son: caja de chapa metálica + placa de refrigeración líquida, caja de fundición a presión + placa de refrigeración líquida, caja integrada de perfil, caja integrada de fundición a presión, etc. Entre ellas, la caja integrada de perfil y otras soluciones Por el contrario, tiene las ventajas de una buena capacidad de carga del canal de flujo y un bajo coste de apertura del molde, y es ampliamente utilizada. La elección del proceso de soldadura tiene una gran influencia en el rendimiento del sellado. Para soldaduras de diferentes materiales y espesores, la elección de un método de soldadura adecuado puede mejorar eficazmente la calidad de la soldadura para garantizar la resistencia general y el rendimiento de sellado del sistema.
Además, el diseño de sellado de la caja inferior debe seguir los siguientes principios de sellado:
l Para la construcción del marco se utilizan perfiles de sección cerrada y en las juntas se utiliza tecnología de conexión lineal autosellante, como la tecnología de soldadura CMT.
l Las bandejas de batería hechas de perfiles de aluminio deben diseñarse con una o más capas continuas de coloide de sellado.
l En el caso de una placa de refrigeración líquida integrada en la caja inferior, es necesario considerar el uso de sellos coloidales o tecnologías de conexión lineal autosellantes, como la tecnología de soldadura por fricción y agitación FSW.
l La interfaz de sellado entre la tapa superior y el cuerpo de la caja inferior necesita una superficie que coincida con los requisitos de sellado "uniforme" y "continuo". Si es necesario, la interfaz de sellado debe mecanizarse y pulirse.
Figura 3: Formas de sellado comunes entre la tapa superior y la caja inferior
Por lo general, la cubierta superior y la caja inferior de la caja del paquete de almacenamiento de energía adoptan un diseño de brida doblada y junta de sellado, como se muestra en la Figura 2. La cubierta superior, el cuerpo de la caja inferior y la junta de sellado están completamente compactados y acoplados mediante pernos de fijación para garantizar que la caja del paquete cumpla con los requisitos relevantes de IP67.
3- Diseño de sellado de las interfaces eléctricas y de comunicación y de la interfaz de instalación del panel frontal de la caja inferior
El panel frontal de la caja (como se muestra en la Figura 3) está mecanizado con agujeros en el perfil extruido para instalar interfaces eléctricas y de comunicación para lograr funciones tales como transmisión de corriente, interacción de comunicación y control de seguridad.
Figura 4: Interfaz de instalación eléctrica, de comunicación y del panel frontal del gabinete inferior
La hermeticidad de la interfaz de instalación entre la caja y las interfaces eléctricas, de comunicación y otras, deberá seguir los siguientes principios:
l La forma de la interfaz está diseñada para ser aerodinámica para reducir la posibilidad de acumulación y penetración de gas y líquido en la interfaz.
l La alineación precisa evita espacios causados por la desalineación de las interfaces durante la instalación.
l Selle previamente la interfaz antes de la instalación y agregue almohadillas antivibración o selladores para mejorar el efecto de sellado inicial o reducir la falla de sellado causada por la vibración.
Además, en cuanto a la selección de elementos de fijación, se utilizan elementos de fijación de alta resistencia y alto par, que se aprietan varias veces durante el proceso de instalación para garantizar la estanqueidad de la interfaz. Por ejemplo, si se utiliza una tuerca de soldadura a tope, su característica es que se puede conectar directamente al orificio de la pared de la parte conectada (el panel frontal de la caja) para la soldadura a tope. Este diseño estructural puede mejorar significativamente la hermeticidad de la parte de conexión.
Figura 5: Uso de tuercas soldadas a tope para aumentar la hermeticidad
4-Seleccionar Sello
El diseño y la selección de los sellos son fundamentales, ya que afectan directamente la confiabilidad y la vida útil del sistema. A continuación, se indican los factores clave que se deben tener en cuenta al diseñar y seleccionar sellos para sistemas de refrigeración líquida con almacenamiento de energía:
l El material de sellado debe tener cierta compatibilidad química y de presión, y ser capaz de soportar el rango de temperatura de funcionamiento del sistema, incluidos entornos de alta y baja temperatura. La selección del material del sello depende del entorno de uso y los requisitos de vida útil. Los materiales de sellado comunes incluyen caucho, politetrafluoroetileno (PTFE), nailon, metal, etc.
l Libre de fugas: el sello debe poder adaptarse a la ligera deformación que pueda ocurrir en el sistema durante el funcionamiento para garantizar un buen efecto de sellado en diversas condiciones de trabajo. Generalmente, la deformación de la junta debe ser mayor al 30% y menor al 60%, y la presión de la interfaz de sellado debe ser mayor a 30 kPa.
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Diseño y desarrollo de paquetes de baterías livianos de múltiples materiales
En los vehículos eléctricos puros, el peso del paquete de baterías representa aproximadamente el 30% del peso en vacío. El peso ligero del paquete de baterías es de gran importancia para mejorar la autonomía de crucero del vehículo. Por lo tanto, la investigación sobre la alta energía específica de los paquetes de baterías es una de las principales direcciones de investigación actuales para los vehículos de nueva energía, y también es la principal forma de lograr vehículos eléctricos livianos. El aligeramiento de los paquetes de baterías de potencia se puede llevar a cabo en dos direcciones: mejorando las celdas individuales Se optimiza la densidad energética del paquete de baterías y se optimizan los accesorios relacionados con el paquete de baterías.
El desarrollo de paquetes de baterías ligeros de múltiples materiales tiene como objetivo reducir el peso del paquete de baterías, aumentar la densidad energética y la autonomía de crucero, al tiempo que se garantiza la seguridad y la fiabilidad mediante el uso de una variedad de materiales ligeros. Entre los componentes principales del paquete de baterías, el cuerpo de la celda de la batería tiene la mayor masa, seguido de la caja inferior del paquete, la cubierta superior y los componentes integrados del BMS.
1-Diseño liviano de la cubierta del paquete de batería
La tapa superior de la caja de la batería se encuentra por encima de la caja de la batería de potencia y no se ve afectada por los lados de la caja de la batería de potencia y no afectará la calidad de todo el paquete de baterías. Sus funciones incluyen principalmente el sellado y la protección. Para mejorar la eficiencia energética de todo el vehículo, también se considerarán materiales livianos en el diseño. El uso de materiales livianos, como aleaciones de aluminio y materiales compuestos (SMC, FRP, etc.), puede reducir significativamente el peso del paquete de baterías.
Además, el diseño estructural de la cubierta superior también debe tener en cuenta la eficiencia de fabricación y los requisitos de producción en masa. Cuando la estructura es muy irregular, puede resultar difícil utilizar el estampado, el doblado y la soldadura a medida. El diseño de la cubierta superior también debe tener en cuenta la conexión y la cooperación con otros componentes, como la caja inferior y las piezas estructurales de sellado, para garantizar la estabilidad estructural y la fiabilidad de toda la caja de la batería.
2-Diseño liviano de la carcasa inferior del paquete de baterías
La aleación de aluminio es un material ideal para las carcasas de los paquetes de baterías debido a su baja densidad, alta resistencia específica, buena estabilidad térmica, fuerte resistencia a la corrosión, buena conductividad térmica, no es magnética, es fácil de moldear y tiene un alto valor de reciclaje. Los materiales de aleación de aluminio más utilizados son 6061-T6, 6005A-T6 y 6063-T6. Estos materiales tienen diferentes límites de elasticidad y resistencias a la tracción y pueden satisfacer diferentes necesidades estructurales.
La carcasa del paquete de baterías generalmente está compuesta por un marco de perfil de aleación de aluminio y una placa inferior, que se suelda utilizando perfiles extruidos de aleación de aluminio de la serie 6. Durante el diseño, se deben tener en cuenta factores como el tamaño y la complejidad de la sección del perfil, el espesor de la pared, etc. para adaptarse a diferentes requisitos estructurales y funcionales. Por ejemplo, los componentes como marcos, particiones intermedias, paneles de piso, vigas, etc. pueden adoptar diferentes diseños de sección transversal.
A través de un diseño estructural y métodos de conexión razonables, se puede garantizar de manera efectiva la resistencia general de la carcasa, se puede reducir la dificultad de procesamiento y se puede reducir el peso de la carcasa:
l lParedes delgadas: al adoptar un diseño de paredes delgadas y usar refuerzos para cumplir con los requisitos de resistencia, se puede reducir de manera efectiva el peso del material.
l Vaciado: Introducción de perfiles huecos en el diseño estructural para reducir la densidad del material.
l Optimización del tamaño: optimice el tamaño de la batería para reducir el uso innecesario de material.
l Optimización de la topología: reduce el espacio ocupado por los materiales optimizando la disposición de los componentes internos del paquete de baterías.
l Diseño modular integrado: integre placas de enfriamiento, orejetas de elevación del paquete de baterías y otros componentes en la caja para reducir la cantidad y el peso de los componentes individuales.
3-Fabricación de tecnología ligera
l Modelado de materiales
En la actualidad, existen tres categorías principales de procesos de formación de material de caja de batería: estampado, fundición a presión de aleación de aluminio y extrusión de aleación de aluminio. El flujo de proceso general de la caja de batería de potencia incluye procesos de moldeo y conexión de material, entre los cuales el proceso de moldeo de material es el proceso clave de la caja de batería de potencia. En la actualidad, la carcasa superior se estampa principalmente, y los principales procesos de la carcasa inferior son el moldeo por extrusión y la fundición a presión de aleación de aluminio.
l Tecnología de conexión
El proceso de conexión de la caja de la batería es crucial en la fabricación de vehículos de nueva energía e involucra una variedad de tecnologías y métodos para garantizar la resistencia estructural y el sellado de la caja de la batería.
La soldadura es el principal proceso de conexión en el procesamiento de cajas de baterías y se utiliza ampliamente. Incluye principalmente los siguientes métodos:
① Soldadura por fusión tradicional: como TIG (soldadura con gas inerte de tungsteno) y MIG (soldadura con gas inerte de metal). La soldadura TIG tiene baja velocidad y alta calidad. Es adecuada para soldadura por puntos y soldadura de trayectoria compleja. Se utiliza a menudo para soldadura a medida de marcos y soldadura de piezas pequeñas de vigas laterales. La soldadura MIG tiene alta velocidad y fuerte capacidad de penetración, y es adecuada para soldadura de círculo completo dentro del conjunto de placa inferior del marco.
② Soldadura por fricción y agitación: La soldadura se logra generando calor a través de la fricción. Tiene las características de una buena calidad de unión y una alta eficiencia de producción.
③Tecnología de transferencia de metal en frío: es adecuada para materiales de placas delgadas. No hay aporte de calor durante el proceso de soldadura, lo que reduce la deformación.
④Soldadura láser: alta precisión, alta velocidad, adecuada para soldadura de estructuras complejas.
⑤ Soldadura por pernos y soldadura por proyección: se utilizan para la conexión rápida de piezas específicas. La soldadura por pernos se fija mediante pernos y tuercas, y la soldadura por proyección se conecta mediante protuberancias de presión.
El método de conexión mecánica resuelve principalmente los problemas de fácil soldadura y deslizamiento de la rosca de materiales de placa delgada durante la soldadura, incluyendo:
① Tuerca remachable ciega: se utiliza para conectar la superficie de sellado del marco de la caja y la placa inferior de la cavidad interna. Tiene las ventajas de una alta eficiencia de fijación y un bajo costo de uso. Adecuada para conexiones roscadas entre placas delgadas y otros componentes.
②Inserto de rosca de alambre: se utiliza para reforzar los orificios de los tornillos de aluminio u otros cuerpos de baja resistencia, mejorar la capacidad de carga de los tornillos y la distribución de la fuerza de las roscas, y es adecuado para orificios de montaje de módulos de batería y orificios de montaje de superficies de sellado. En comparación con las tuercas remachables ciegas, los insertos de rosca de alambre son más fuertes y más fáciles de reparar, pero generalmente no son adecuados para instalaciones de paredes delgadas.
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Plataformas de baterías y desarrollo de cajas de baterías
Para hacer frente a las demandas del mercado, como grandes extensiones, iteraciones rápidas y líneas de productos ricas, al mismo tiempo que se garantiza la reducción de costos, la mejora de la eficiencia y el control de calidad, para la industria automotriz, la estandarización de productos (plataformatización de vehículos) es, sin duda, una buena estrategia. A través de la plataformatización de baterías, se puede combinar la misma solución de paquete de baterías para diferentes modelos, o se pueden combinar soluciones de paquetes de baterías compuestas por el mismo tipo de celdas de batería y estructuras similares. Esto significa que se pueden estandarizar tantas piezas como sea posible, lo que puede acortar el ciclo de desarrollo, ahorrar costos, agilizar las líneas de producción y mejorar la eficiencia de la producción.
Primero:Plataformatización de baterías
La solución de la plataforma de baterías favorece la planificación general de los productos, la reducción de costes y la optimización de la capacidad de producción. De acuerdo con la estrategia de la plataforma de baterías de la plataforma del vehículo, es necesario considerar la intersección y el ancho de banda de los requisitos de cada modelo de la plataforma, y utilizar la menor cantidad posible de baterías y soluciones de baterías para que sean compatibles con la mayor cantidad posible de modelos. En el desarrollo de la arquitectura de los proyectos eléctricos puros, es crucial organizar razonablemente el paquete de baterías de energía integrado. Los elementos de trabajo específicos incluyen los requisitos de potencia y rendimiento de potencia, seguridad contra colisiones, ubicación y espacio de diseño, etc.
1- Límites de tamaño espacial y estandarización de celdas de batería
l Ubicaciones de paquetes de baterías disponibles
En la actualidad, la disposición de la batería de alimentación principal se encuentra debajo del piso, incluso debajo de los asientos delanteros, debajo de los asientos traseros, en el canal central y en el reposapiés. Esta disposición puede maximizar el área disponible, ayudar a bajar el centro de gravedad del vehículo, mejorar la estabilidad de manejo del vehículo y optimizar la trayectoria de transmisión de la fuerza de colisión.
Figura 1: Disposición del paquete de baterías durante el desarrollo de vehículos eléctricos
l Evolución de la distribución del espacio de los paquetes de baterías
Paquete de batería dividido: se adopta un diseño de espacio de paquete de batería dividido, como en la serie JAC Tongyue. El módulo de energía consta de dos paquetes de baterías, uno ubicado en la posición del tanque de combustible original y el otro ubicado en el maletero donde se almacena la llanta de repuesto.
Además, los ingenieros están explorando continuamente el espacio utilizable dentro de la arquitectura original de los vehículos de combustible, lo que da como resultado diseños de paquetes de baterías que aparecen en formas de "工" , "T" y "土"
Este tipo de diseño es una modificación menor de un vehículo de combustible tradicional. El espacio es muy limitado, y el volumen y el peso del paquete de baterías que se puede cargar son muy limitados, por lo que la capacidad es difícil de aumentar y la autonomía de crucero no es alta.
Paquete de baterías integrado: se trata de un nuevo concepto de diseño de producto. El diseño de todo el vehículo gira en torno al componente principal: el paquete de baterías. El paquete de baterías tiene un diseño modular y se coloca de forma plana sobre el chasis del vehículo para maximizar el espacio disponible.
l Disposición de los puntos de instalación del paquete de baterías
La disposición razonable del paquete de baterías es crucial, y los factores limitantes en el diseño son la distancia al suelo, la transitabilidad, la seguridad en caso de colisión, los requisitos de energía y muchos otros aspectos.
Figura 2: Restricciones de diseño del tamaño del paquete de baterías
La plataforma del vehículo debe definir la categoría, el nivel y la posición de cada modelo de vehículo dentro de la plataforma, y luego determinar el tamaño y la distancia entre ejes del vehículo. El diseño del vehículo descompone la envolvente de tamaño del paquete de baterías en las direcciones X, Y y Z de acuerdo con el espacio del vehículo. La batería debe estar dispuesta dentro de la envolvente dada del vehículo para garantizar que no haya interferencias entre los diversos sistemas del vehículo. El índice de peso en vacío puede descomponer los requisitos de calidad del sistema del paquete de baterías.
En términos de tamaño de la batería, el diseño de los paquetes de baterías de potencia no puede evitar indicadores de referencia rígidos como el espacio del vehículo y el peso en vacío, lo que significa que existe un umbral para el diseño de las celdas de la batería. Limitado por este umbral, el tamaño de la celda de la batería se concentrará en un rango determinado, como: la longitud de las celdas de batería cuadradas varía de 150 a 220 mm, el ancho varía de 20 a 80 mm y la altura varía alrededor de 100 mm. La tendencia cambiante de las especificaciones del tamaño de las celdas de la batería es el resultado de la relación complementaria entre la plataforma del vehículo y la estandarización de la batería.
Sin embargo, las estrategias de plataformas de baterías, los modelos de vehículos y la comprensión de la estandarización de los distintos fabricantes de automóviles son diferentes, lo que da como resultado diferencias significativas en las soluciones de productos actuales. Por ejemplo, la estrategia de estandarización de BYD es reemplazar por completo la batería de cuchillas, cuyo tamaño está fijado en 960*13,5 (14)*90 (102) mm, y el voltaje de celda única es 3,2/3,3 V.
2- Desarrollo de límites de resistencia y soluciones de capacidad de batería
La batería de potencia proporciona energía para que el vehículo se desplace: la capacidad de la batería, la profundidad de descarga y la densidad de energía afectan la cantidad de energía disponible. Para satisfacer las necesidades de los diferentes modelos, la diferencia en el consumo de energía de los modelos se ha convertido en una preocupación importante. La autonomía de crucero del vehículo se verá afectada por factores como la propulsión eléctrica, la batería, el peso en vacío, la resistencia al viento, la resistencia mecánica, el consumo de energía de bajo voltaje y la recuperación de energía. La posibilidad de compartir soluciones de batería entre modelos con grandes diferencias en el consumo de energía es débil, por lo que es necesario desarrollar soluciones de energía de batería personalizadas, que incluyan el tamaño de la batería, la calidad, la potencia y la optimización del rendimiento de la energía para cumplir con los requisitos del rendimiento de crucero.
En el marco de las limitaciones de la autonomía eléctrica pura de la plataforma de fabricación de vehículos, la descarga neta requerida por la batería se verá afectada por el consumo de energía de los diferentes modelos. Es necesario confirmar la distribución del consumo de energía de cada modelo en la plataforma para convertir aún más el ancho de banda del consumo de energía en la distribución de la demanda de la batería y, a continuación, determinar el plan de energía de la batería requerido por la plataforma.
3-Límite de rendimiento de 3 potencias
La potencia del vehículo completo incluye el rendimiento de potencia en diferentes estados de carga (SOC) y temperaturas ambientales, como aceleración, velocidad constante y modo de ahorro de energía. Esto se traduce en las características de potencia-voltaje de la batería en diferentes SOC y temperaturas, donde la potencia de la batería corresponde a los requisitos de potencia del sistema de propulsión del vehículo y el voltaje corresponde a los requisitos de voltaje nominal del motor de tracción.
Generalmente, la evaluación de soluciones de batería para toda la plataforma del vehículo comienza desde el tiempo de aceleración de 100 kilómetros a temperatura normal y alta potencia y su descomposición del indicador de batería, y se extiende gradualmente hasta la descomposición del indicador de batería en todo el rango y bajo todas las condiciones de operación.
SEGUNDO: Desarrollo de la caja de batería
1- Integración y modularización de baterías
Optimizar el diseño de los módulos de batería, mejorar la integración y modularidad de los paquetes de baterías, reducir los componentes inactivos y aumentar la densidad energética de los paquetes de baterías.
Las tecnologías de integración de paquetes de baterías más populares en la actualidad incluyen CTP, CTB, CTC y otras formas. La forma, el material y la combinación de piezas han cambiado con el avance de la tecnología de integración. La dirección general es la integración y la integración. Al reducir la cantidad de piezas independientes y usar una pieza grande para reemplazar varias piezas, se forman componentes más grandes y más funcionales.
2-Diseño de caja de batería
La caja de la batería es el portador del conjunto del sistema de batería de potencia, desempeña un papel clave en el funcionamiento seguro y la protección del producto, y afecta directamente a la seguridad de todo el vehículo. El diseño estructural de la caja de la batería incluye principalmente la selección de materiales de carcasa para la carcasa superior, la carcasa inferior y otros componentes de la caja de la batería, y la selección de soluciones de proceso de fabricación. La cubierta superior de la caja de la batería desempeña principalmente una función de sellado y no está sujeta a mucha fuerza; la carcasa inferior de la caja de la batería es el portador de todo el producto del sistema de batería de potencia, y el módulo de batería está dispuesto principalmente en la carcasa inferior. Por lo tanto, debe haber medidas estructurales como ranuras incrustadas y deflectores dentro de la caja de la batería para garantizar que el módulo de batería esté fijado de manera confiable cuando el vehículo está conduciendo, y no haya movimiento en las direcciones delantera, trasera, izquierda, derecha, arriba y abajo, para evitar el impacto en las paredes laterales y la cubierta superior y afectar la vida útil de la caja de la batería.
Figura 3: Solución de caja inferior de batería, marco a-skin, soldadura b-FSW + marco, soldadura c-FSW + marco
l Diseño de la estructura del punto de instalación del paquete de baterías y fijación de la conexión
El punto de instalación del paquete de baterías generalmente adopta una estructura de viga de montaje, que se extiende a través de la parte delantera y trasera, y el extremo delantero está conectado a la viga longitudinal de la cabina delantera para formar una estructura de viga cerrada eficaz y coherente. Los puntos de instalación están razonablemente dispuestos de acuerdo con la distribución del peso del paquete de baterías. El paquete de baterías y el vehículo se fijan de varias maneras, incluida la fijación con pernos, la fijación mecánica + conexión híbrida de unión adhesiva, conexión a presión, etc.
Figura 4: Disposición del paquete de baterías y sección de instalación
El paquete de baterías de potencia se instala generalmente en el vehículo mediante múltiples estructuras de argollas de elevación. Además del gran peso del propio paquete de baterías de potencia, las argollas de elevación también deben soportar la excitación de la carretera provocada por el movimiento del vehículo, como caminos de piedra y baches profundos. Estas condiciones de trabajo duraderas y las condiciones de uso indebido imponen mayores requisitos a la resistencia de la estructura de las argollas de elevación.
Figura 5: Diferentes soluciones de conexión de orejetas de elevación: a Orejeta de elevación soldada b Orejeta de elevación de marco de aluminio extruido
l Estructura de seguridad y protección de la caja de batería
Resistencia mecánica y protección: La caja de la batería debe tener suficiente resistencia mecánica para proteger las baterías en su interior de golpes e impactos mecánicos. La caja de la batería debe poder soportar vibraciones, extrusiones y golpes mecánicos para garantizar la seguridad de la batería en diversas condiciones.
Protección contra colisiones: el diseño de la caja de la batería debe tener en cuenta la seguridad contra colisiones, especialmente en caso de colisiones laterales y colisiones en la parte inferior. Por lo general, está hecha de aluminio o acero y se conecta a la bandeja inferior a través de un marco exterior para proporcionar rigidez estructural y mejorar las capacidades de absorción de energía de colisión. Además, se deben diseñar estructuras de absorción de colisiones adecuadas para evitar la deformación de la caja de la batería y daños a las celdas de la batería.
Resistente al agua, al polvo y a la corrosión: la caja de la batería debe ser resistente al agua y al polvo, y normalmente utiliza juntas de sellado de nivel IP67 para garantizar la hermeticidad. Además, también se deben considerar medidas anticorrosión, como rociar un revestimiento de PVC en el exterior para mejorar la resistencia a la corrosión.
Diseño a prueba de explosiones y con alivio de presión: cuando una batería explota, la energía debe liberarse de manera concentrada y direccional a través de dispositivos como válvulas antideflagrantes balanceadas para evitar que ingrese a la cabina del cliente. Además, se deben tomar medidas a prueba de explosiones (como la destrucción estructural parcial) para evitar la ruptura total del equipo.
l Diseño de sellado
El diseño de la superficie de sellado entre la tapa superior y la carcasa inferior de la caja de la batería desempeña un papel importante en el rendimiento del sellado, y su diseño debe diseñarse junto con la estructura de la caja de la batería y el anillo de sellado. La superficie de sellado debe mantenerse en el mismo plano tanto como sea posible para evitar demasiadas estructuras curvas. Dado que la tapa superior y la carcasa inferior están conectadas por pernos, se utiliza una gran cantidad de pernos, por lo que es particularmente importante asegurar la coaxialidad de los orificios. Al organizar las posiciones de los orificios de los pernos de manera razonable, las dimensiones de la posición deben ser lo más redondas posible y estar dispuestas simétricamente en las direcciones X e Y. La selección del número de pernos de conexión debe considerarse de manera integral en función del nivel de sellado y la cantidad de carga de trabajo de desmontaje y montaje.
Figura 6: Diseño de sellado de la caja superior e inferior, 1-cubierta superior de la batería 2-junta de sellado 3-cubierta inferior de la batería 4-conducto de metal
l Seguridad eléctrica y protección contra cortocircuitos
Fiabilidad de la conexión: Los conectores dentro de la caja de la batería deben tener la conexión de polaridad correcta para garantizar la capacidad de sobrecorriente de la caja de la batería y la confiabilidad de las conexiones eléctricas/mecánicas, incluidas las medidas de relajación, etc.
Diseño de aislamiento eléctrico y resistencia al voltaje: El diseño del módulo adopta una protección de doble aislamiento. La celda de la batería en sí tiene una capa de película azul y un parche superior para cumplir con los requisitos de aislamiento y resistencia al voltaje. La protección de aislamiento y resistencia al voltaje se establece entre la placa del extremo/lateral y la celda de la batería, y entre la celda de la batería y la superficie de montaje inferior.
l Diseño de gestión térmica
El desarrollo de la gestión térmica de la batería abarca todo el ciclo de diseño y desarrollo del sistema de paquete de baterías, incluido el diseño del control de temperatura de la batería, la placa fría, el sistema de tuberías, etc. El objetivo principal del diseño del sistema de gestión térmica de la batería es garantizar que el sistema de batería funcione a una temperatura de funcionamiento relativamente adecuada a través del control de calefacción o refrigeración, teniendo en cuenta la distribución del espacio, el coste del diseño, el peso ligero, etc., al tiempo que se reduce la diferencia de temperatura entre las celdas para garantizar la coherencia.
Actualizaremos periódicamente la información y las tecnologías relacionadas con el diseño térmico y la reducción de peso. Gracias por su interés en Walmate.
Innovación y desarrollo de la tecnología de integración de baterías
El paquete de baterías es la fuente de energía principal de los vehículos de nueva energía y proporciona la potencia necesaria para impulsar todo el vehículo. Por lo general, evaluamos las ventajas y desventajas de la tecnología de paquetes de baterías desde el punto de vista de la eficiencia (densidad energética), la seguridad, los costos de fabricación y mantenimiento.
En el diseño de baterías, el voltaje de una sola celda es de solo 3-4 V, mientras que el voltaje requerido por los vehículos eléctricos es de al menos 100 V. Los autos nuevos ahora tienen un voltaje de 700 V/800 V, y la potencia de salida es generalmente de 200 W, por lo que la batería necesita ser reforzada. Para cumplir con los requisitos de corriente y voltaje de los vehículos eléctricos, se deben conectar diferentes celdas en serie o en paralelo.
El paquete de baterías está compuesto de celdas de batería, sistemas electrónicos y eléctricos, sistemas de gestión térmica, etc., que están encerrados por una estructura de marco de batería: placa base (bandeja), marco (marco de metal), placa de cubierta superior, pernos, etc. Cómo "empaquetar" estos componentes y sistemas en un todo de manera más eficiente y segura siempre ha sido un tema de investigación y exploración continua para toda la industria.
Artículo anterior: Innovación y desarrollo de la tecnología de integración de baterías
El origen de la tecnología de grupos de baterías de potencia se remonta a la década de 1950 y se originó en la ex Unión Soviética y algunos países europeos. Esta tecnología se utilizó originalmente como un concepto de ingeniería y fabricación para determinar las similitudes físicas de las piezas (rutas de proceso universales) y establecer su producción eficiente.
El núcleo de la tecnología de grupo (GT) es identificar y explorar las similitudes de cosas relacionadas en las actividades de producción, clasificar problemas similares en grupos y buscar soluciones óptimas relativamente unificadas para resolver este grupo de problemas para lograr beneficios económicos. En el campo de las baterías de energía, la tecnología de grupo involucra principalmente la tecnología de integración de baterías de celdas individuales en paquetes de baterías (Packs), incluida la estructura, la gestión térmica, el diseño de conexión eléctrica y la tecnología del sistema de gestión de baterías (BMS).
La tecnología de agrupación anterior en el campo automotriz es MTP (Module To Pack), lo que significa que las celdas se integran primero en módulos y luego los módulos se integran en paquetes. Esta tecnología se caracteriza por módulos desmontables y reemplazables, que tienen una buena capacidad de mantenimiento, pero la eficiencia de agrupación es baja. Con el desarrollo de la tecnología, la tecnología de agrupación ha experimentado una transformación de MTP a CTP (Cell To Pack). La tecnología CTP se refiere a la tecnología de integración directa de celdas en paquetes, eliminando la estructura modular tradicional y mejorando la eficiencia de agrupación y la eficiencia de producción. En los últimos años, la industria también está explorando tecnologías de agrupación como CTC (Cell To Chassis), CTB (Cell To Body & Bracket) y MTB (Module To Body) con mayor eficiencia de integración.
En el campo de las baterías de energía y el almacenamiento de energía electroquímica, los principales avances tecnológicos de las baterías de litio provienen de la innovación estructural y la innovación de materiales. El primero es optimizar la estructura del "paquete de baterías de celdas-módulos" a nivel físico para lograr el objetivo de mejorar la densidad de energía del volumen del paquete de baterías y reducir los costos; el segundo es explorar los materiales de las baterías a nivel químico para lograr el objetivo de mejorar el rendimiento de las celdas individuales y reducir los costos. Este artículo se centra en el impacto de diferentes tecnologías de integración estructural en la tecnología de fabricación de paquetes de baterías y la dirección del desarrollo innovador desde la perspectiva de la integración estructural de los paquetes de baterías. Las tecnologías clave actuales para la integración de baterías de energía se muestran en la siguiente figura:
1- MTP que ha sido eliminado1- MTP que ha sido eliminado
Al comienzo de la actual ola de desarrollo de vehículos eléctricos, se han lanzado muchos modelos de vehículos de nueva energía que utilizan petróleo como combustible. Estos modelos siguen la disposición espacial y el diseño de estilo de los vehículos de gasolina tradicionales. Los ingenieros han ensamblado un módulo de celdas de batería relativamente grande conectando una cierta cantidad de celdas de batería individuales en serie/paralelo y luego han colocado varios de esos módulos de celdas de batería en el paquete de baterías, que es el conocido paquete de baterías "MTP". Dado que el paquete de baterías debe "envasarse" más de dos veces, la cantidad de componentes necesarios es extremadamente grande y el paquete de baterías aparece como "tres capas internas y tres capas externas", con demasiadas partes redundantes que ocupan más volumen y peso del sistema, lo que resulta en una densidad de energía volumétrica y densidad de energía gravimétrica deficientes del paquete de baterías "MTP". Además, dado que el diseño de los vehículos de gasolina no reservó específicamente espacio para la batería, el sistema de baterías solo se puede "apretar donde quepa", lo que conduce a una mala competitividad del producto y una mala experiencia del usuario.
Desde el lanzamiento de las nuevas plataformas de vehículos eléctricos inteligentes representadas por Tesla, los vehículos eléctricos puros nativos han permitido instalar los paquetes de baterías en ubicaciones espaciales ideales de una manera más eficiente y regular, los sistemas trieléctricos se pueden distribuir de manera más razonable y la arquitectura electrónica y eléctrica del vehículo y el diseño de gestión térmica se pueden integrar de manera más eficiente. La solidez del producto del vehículo en términos de eficiencia energética, resistencia e inteligencia se ha mejorado enormemente.
2-Era de la tecnología integrada 2.0—CTP
El paquete de baterías con estructura MTP tiene un problema de utilización del espacio significativo. La utilización del espacio de la celda de batería al módulo es del 80%, la utilización del espacio del módulo al paquete de baterías es del 50% y la utilización del espacio total es solo del 40%. El costo del hardware del módulo representa aproximadamente el 14% del costo total de la batería. Esta estructura de baja utilización del espacio no puede satisfacer los requisitos de desarrollo de los vehículos de nueva energía. En el marco de la idea de integración de celda de batería → módulo → paquete de baterías → carrocería, si el vehículo quiere cargar la mayor cantidad de energía posible en el espacio limitado del chasis y mejorar la utilización del volumen, es necesario considerar la estandarización de cada paso de integración. A medida que la demanda del mercado de autonomía de conducción continúa aumentando, el volumen de un solo módulo de batería continúa aumentando, lo que indirectamente conduce al surgimiento de la solución CTP.
La tecnología de estructura CTP nació teniendo en cuenta la seguridad, la complejidad del empaquetado, la reducción de costos, etc. Bajo la premisa de garantizar la seguridad de la celda de la batería, la tecnología CTP reduce los cables internos y las piezas estructurales. En comparación con la tecnología MTP, la tecnología CTP no tiene estructura modular y empaqueta directamente la celda de la batería en un paquete de baterías antes de instalarlo en el vehículo.
Actualmente, existen dos ideas principales: una es considerar el Pack como un gran módulo completo que reemplaza la estructura de múltiples módulos pequeños en su interior, representados por CATL; la otra es considerar el uso de una solución sin módulos durante el diseño y diseñar la propia batería como el participante de la potencia, como la batería Blade de BYD.
El punto central de la tecnología CTP es la eliminación del diseño modular, combinando directamente las celdas de batería con la carcasa, lo que reduce el uso de placas terminales y separadores. Los problemas que surgen a continuación son la fijación del paquete de baterías y la gestión térmica.
De hecho, el producto original del paquete de baterías CTP no era un diseño puro sin módulos, sino un diseño que fusionaba los módulos pequeños originales en tres módulos grandes y dos módulos medianos, y también había placas de aluminio en ambos extremos, por lo que en teoría sigue siendo MTP, pero de hecho hay grandes mejoras en la estructura.
Tras la introducción de CTP 3.0, CATL presentó un método de fabricación más avanzado, logrando un diseño completamente libre de módulos. Las celdas de la batería han cambiado de una orientación vertical a lo largo de la altura a una posición horizontal. Además, se ha implementado una nueva solución de refrigeración entre las celdas de la batería, que no solo disipa el calor sino que también proporciona funciones de soporte, amortiguación, aislamiento y control de temperatura. La carcasa inferior también se ha diseñado con una característica de fijación limitante.
Figura 1: Comparación entre la batería CATL Kirin CTP2.0 y CTP3.0
3-Era de la tecnología integrada 3.0: CTB, CTC
l Tecnología CTB
La tecnología CTP es un gran paso adelante en la innovación de la estructura de la batería, pero no ha supuesto un gran avance en el propio paquete de baterías. En la tecnología CTP, el paquete de baterías sigue siendo un componente independiente. En comparación con la estrategia simplificada de CTP para los paquetes de baterías, la tecnología CTB combina el panel del suelo de la carrocería y la cubierta del paquete de baterías en uno. La superficie de sellado plana formada por la cubierta de la batería, el umbral de la puerta y las vigas delantera y trasera sella el habitáculo con sellador, y la parte inferior se ensambla con la carrocería a través del punto de instalación. Al diseñar y fabricar el paquete de baterías, el sistema de baterías se integra con la carrocería como un todo, se pueden cumplir los requisitos de sellado e impermeabilidad de la propia batería, y el sellado de la batería y del habitáculo es relativamente sencillo, y los riesgos son controlables.
De esta manera, la estructura sándwich original de "cubierta del paquete de baterías-celda de batería-bandeja" se transforma en una estructura sándwich de "cubierta del paquete de baterías integrada en los bajos de la carrocería-celda de batería-bandeja", reduciendo la pérdida de espacio causada por la conexión entre la carrocería y la cubierta de la batería. En este modo estructural, el paquete de baterías no solo es una fuente de energía, sino que también participa en la fuerza y la transmisión de todo el vehículo como estructura.
Figura 2: Diagrama esquemático de la estructura de la tecnología CTB
l Tecnología CTC
Después de adoptar el método CTC, el paquete de baterías ya no es un conjunto independiente, sino que se integra en la carrocería del vehículo, lo que optimiza el diseño del producto y el proceso de producción, reduce el número de piezas del vehículo, especialmente reduce las piezas estructurales internas y los conectores de la batería, tiene la ventaja inherente de ser liviano, maximiza la utilización del espacio y proporciona espacio para aumentar el número de baterías y mejorar la autonomía de conducción. Con la condición de que el sistema electroquímico en sí permanezca sin cambios, la autonomía de conducción se puede aumentar aumentando el número de baterías.
Figura 3: Diagrama de la estructura de la tecnología CTC de Tesla
Por ejemplo, Tesla y otros fabricantes de automóviles han lanzado sucesivamente modelos de tecnología CTC. A nivel de celda, pueden utilizar estructuras sándwich elásticas multifuncionales y tecnología de refrigeración por agua de gran superficie, y superponer la tecnología de reutilización del espacio anticolisión en la parte inferior del paquete de baterías aportada por el desarrollo integrado, teniendo en cuenta la eficiencia de agrupación, la disipación de calor y la seguridad, y promoviendo la aplicación de la tecnología CTC desde las dos dimensiones de optimización de celdas y protección de la estructura del vehículo. A nivel de desarrollo integrado del vehículo, la celda de la batería se integra directamente en el chasis, eliminando los vínculos de los módulos y los paquetes de baterías. Se realiza la integración de los tres sistemas eléctricos principales (motor, control electrónico, batería), los tres sistemas eléctricos secundarios (CC/CC, OBC, PDU), el sistema de chasis (sistema de transmisión, sistema de conducción, sistema de dirección, sistema de frenado) y los módulos relacionados con la conducción autónoma, y se optimiza la distribución de energía y se reduce el consumo de energía a través del controlador de dominio de energía inteligente.
4-Cambios en los requisitos específicos para cajas de baterías para tecnologías CTP, CTB y CTC
En la estructura tradicional de los paquetes de baterías, el módulo de batería cumple la función de soportar, fijar y proteger la celda de la batería, mientras que el cuerpo de la caja de la batería soporta principalmente la fuerza de extrusión externa. La aplicación de las tecnologías CTP, CTB y CTC plantea nuevos requisitos para las cajas de baterías, que se reflejan específicamente en:
Se mejoran los requisitos de resistencia del cuerpo de la caja de la batería: dado que el enlace del módulo se reduce o se elimina en las estructuras CTP, CTB y CTC, el cuerpo de la caja de la batería no solo debe soportar la fuerza de extrusión externa, sino también la fuerza de expansión de la celda de la batería que originalmente soporta el módulo. Por lo tanto, los requisitos de resistencia del cuerpo de la caja de la batería son más altos.
Capacidad de protección contra colisiones: después de utilizar la tecnología CTP para quitar las vigas laterales del paquete de baterías, la batería soportará directamente el impacto de la colisión, por lo que el paquete de baterías CTP debe tener suficiente resistencia a las colisiones.
Requisitos de aislamiento, aislamiento y disipación de calor: las estructuras CTP o CTB y CTC cambian el perfil de la placa inferior a una placa refrigerada por agua basada en la caja estructural que soporta el chasis. La caja de la batería no solo soporta el peso de las celdas de la batería, sino que también proporciona gestión térmica y otras funciones para la batería. La estructura es más compacta, el proceso de fabricación está optimizado y el grado de automatización es mayor.
Menor capacidad de mantenimiento: el diseño altamente integrado hace que sea complicado reemplazar el paquete de baterías. Por ejemplo, en la estructura CTC, las celdas de la batería están rellenas de material de resina, lo que dificulta su reemplazo y hace casi imposible su reparación.
5- Impacto de la integración de paquetes de baterías en la infraestructura de carga de vehículos eléctricos
La elección de diferentes tecnologías de integración de paquetes de baterías también implica la elección de diferentes métodos de compensación. La CTP tiende a ser la sustitución de la batería, mientras que la CTB/CTC, más integrada, tiende a ser la carga rápida.
Un alto nivel de integración significa que se pueden alojar más baterías en el mismo espacio, lo que aumenta la autonomía de los vehículos eléctricos. Es posible que los usuarios ya no necesiten cargar con frecuencia para distancias cortas, sino que prefieran cargar rápidamente durante viajes largos. Por lo tanto, la planificación de la infraestructura de carga debe tener en cuenta estos cambios para garantizar que pueda satisfacer las necesidades de los usuarios.
A medida que aumenta la integración de los paquetes de baterías, el tamaño físico y la estructura de los paquetes de baterías pueden cambiar, lo que puede afectar el diseño de la interfaz de carga y la compatibilidad del equipo de carga.
Además, la mayor integración de los paquetes de baterías también puede afectar la velocidad y la eficiencia de la carga. Es posible que sea necesario desarrollar e implementar sistemas de gestión de baterías y tecnologías de carga más eficientes para garantizar un proceso de carga rápido y seguro.
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Tecnologías comunes de tratamiento de superficies para bandejas de baterías de vehículos de nueva energía/cajas frías de líquido para almacenamiento de energía
En el proceso de producción de bandejas de batería y cajas de refrigeración líquidas de almacenamiento de energía para vehículos de nueva energía, el tratamiento de superficie necesario y apropiado es un paso clave, como: usar revestimiento, tratamiento de oxidación, etc. para formar una capa protectora sobre la superficie metálica para resistir la erosión de medios corrosivos; Los componentes que requieren aislamiento eléctrico, como celdas de batería, placas de refrigeración por agua, paredes de módulos, etc., necesitan establecer una película protectora aislante. El aislamiento generalmente se logra rociando polvo aislante o pintura aislante. La elección de la tecnología de tratamiento de superficie adecuada no solo puede mejorar el rendimiento de la bandeja/caja de refrigeración líquida, sino que también puede satisfacer las necesidades de diferentes escenarios de aplicación. Este artículo resume las tecnologías de tratamiento de superficie comunes como referencia.
1-Limpieza y pulido
Durante el proceso de producción, las impurezas como aceite de procesamiento, residuos de aceite de motor, polvo y polvo pueden acumularse en la superficie del palé. Estas impurezas no solo afectan la vida útil de la bandeja de la batería, sino que también pueden afectar negativamente el rendimiento y la seguridad de la batería. Mediante la limpieza y el pulido, estas impurezas se pueden eliminar de manera efectiva para garantizar la limpieza de la superficie del palé. La limpieza y el pulido pueden eliminar de manera efectiva las impurezas de la superficie, las rebabas y la escoria de soldadura, haciendo que la superficie sea lisa y plana, mejorando así la calidad general de la bandeja/caja de la batería.
l limpieza química
Limpieza alcalina: La limpieza alcalina utiliza principalmente soluciones alcalinas (como hidróxido de sodio, carbonato de sodio, etc.) para eliminar la grasa, la suciedad y otra materia orgánica de la superficie de las aleaciones de aluminio. El lavado alcalino elimina la grasa mediante saponificación, emulsificación y penetración y humectación, y al mismo tiempo genera precipitados solubles en agua, logrando así un efecto limpiador. La limpieza alcalina se utiliza generalmente para eliminar la grasa, el polvo y los contaminantes orgánicos de la superficie de las aleaciones de aluminio.
Decapado: El decapado utiliza soluciones ácidas (como ácido nítrico, ácido clorhídrico, etc.) para eliminar las incrustaciones de óxido, óxido y otros depósitos inorgánicos de la superficie de las aleaciones de aluminio. El decapado convierte los óxidos de la superficie del metal en sales solubles mediante la reacción del ácido con los óxidos de la superficie del metal, eliminando así las impurezas de la superficie. El decapado se utiliza principalmente para eliminar la película de óxido, el óxido y las incrustaciones de sal inorgánica de la superficie de las aleaciones de aluminio. El decapado se utiliza a menudo para el tratamiento final de las superficies metálicas para mejorar su acabado y planitud.
l Rectificado mecánico
Durante la producción, el proceso de rectificado puede eliminar tolerancias de procesamiento, corregir errores de forma, garantizar la suavidad y precisión de la superficie del palé/caja, cumplir con los requisitos de ensamblaje y, por lo tanto, mejorar el rendimiento general y la vida útil.
La superficie limpiada y pulida puede mejorar el tratamiento de materiales de recubrimiento u otros materiales, lo cual es muy importante para la aplicación de recubrimientos posteriores como la protección contra la corrosión, el sellado, la conductividad térmica, el aislamiento y la conservación del calor. Esto juega un papel clave en la adhesión firme de estos materiales a la bandeja/caja.
2-Establecimiento de recubrimiento y película protectora
Además de la limpieza y el pulido básicos, la producción de pallets/cajas utiliza un proceso de pulverización para el tratamiento de la superficie para formar una capa protectora para evitar la oxidación y la corrosión y satisfacer las necesidades de diferentes escenarios como aislamiento térmico, aislamiento y resistencia al voltaje.
l Aislamiento térmico
La anticondensación y el aislamiento térmico de las bandejas de baterías se pueden lograr mediante un diseño integral de sistemas de aislamiento térmico, el uso de materiales de aislamiento térmico de alta eficiencia, la aplicación de aerogeles, el diseño de aislamiento de paquetes de baterías y la pulverización de materiales de aislamiento de espuma.
Superficie inferior rociada con PVC y material de espuma.
l Tensión soportada de aislamiento
El aislamiento de la carcasa de la batería y de los componentes de refrigeración líquida tiene como objetivo principal evitar fugas de corriente, proteger al personal de descargas eléctricas y garantizar el funcionamiento normal del sistema de batería. El aislamiento se consigue normalmente mediante dos métodos principales: pulverización de polvo y laminación de película. Los principales procesos de laminación de película incluyen laminación a temperatura ambiente, prensado en caliente y exposición a rayos UV.
Pulverización interna de polvo aislante y pintura aislante
3-Logos and Signage
Una placa o etiqueta se coloca en una posición destacada en la bandeja de la batería, generalmente mediante láser, grabado mecánico, etc. Estos logotipos suelen estar hechos de medios resistentes al desgaste y a la corrosión para garantizar que no se borren fácilmente durante toda su vida útil.
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Cambios en los requisitos de disipación de calor de los convertidores de almacenamiento de energía y comparación de soluciones comunes de disipación de calor
Como equipo central del sistema de almacenamiento de energía, el convertidor de almacenamiento de energía es una herramienta importante para la conversión de energía, la gestión de energía, la garantía de la estabilidad de la red, la mejora de la eficiencia energética, etc. A medida que la unidad de potencia del convertidor de almacenamiento de energía avanza hacia una alta integración y alta eficiencia, el desarrollo de la frecuencia y la gran capacidad impone requisitos cada vez más altos en la disipación de calor.
1-Cambios en los requerimientos de refrigeración
l A juego con la cabina de CC más grande, la capacidad del convertidor continúa aumentando y la tecnología de disipación de calor eficiente garantiza la confiabilidad del equipo.
A medida que la capacidad de las celdas de almacenamiento de energía se hace cada vez mayor, la capacidad de los sistemas de almacenamiento de energía también se está expandiendo simultáneamente. A principios de 2023, la capacidad estándar de la batería de una sola celda de 20 pies en el mercado era de solo 3,35 MWh. En la segunda mitad del año, muchas empresas de celdas de batería lanzaron productos de almacenamiento de energía de 310+Ah, y la capacidad de la batería de una sola celda de 20 pies también se amplió a 5 MWh. Sin embargo, menos de medio año después de que se actualizara el modelo de 5 MWh, algunos sistemas de almacenamiento de energía líderes lanzaron sistemas de 6 MWh y 8 MWh. Según la experiencia general, el convertidor de almacenamiento de energía está configurado a 1,2 veces la capacidad de carga. La capacidad de una sola unidad de un sistema de almacenamiento de energía de 5 MWh debe ser superior a 2,5 MW. La alta potencia requiere una tecnología de refrigeración más eficiente para garantizar un funcionamiento estable del equipo bajo cargas elevadas sostenidas.
Evolución iterativa del esquema topológico de integración del sistema de almacenamiento de energía
l La aplicación de tecnología de alto voltaje de CC requiere que los dispositivos tengan niveles de voltaje soportado y resistencia de aislamiento más elevados, y la disipación de calor de los dispositivos de potencia es grave.
Para adaptarse al sistema de almacenamiento de energía de gran capacidad, la tecnología de alto voltaje de CC se ha convertido en una tendencia técnica. A través del aumento del nivel de voltaje, se puede lograr ahorro de energía, eficiencia y mejora del rendimiento. La actualización de voltaje de 1500 V se originó a partir de la energía fotovoltaica, y ahora la energía fotovoltaica está involucrada en el almacenamiento de energía. Sin embargo, la evolución de alto voltaje de los PCS de almacenamiento de energía aún tiene un largo camino por recorrer, y algunos fabricantes han comenzado a optimizarlo y llevarlo a 2000 V. La aplicación de la tecnología de alto voltaje de CC obliga a los dispositivos electrónicos de potencia en los convertidores de almacenamiento de energía a tener niveles de voltaje de resistencia más altos y mayor resistencia de aislamiento para adaptarse a entornos de trabajo de alto voltaje. En entornos de alto voltaje, el diseño de disipación de calor de los dispositivos de potencia se vuelve más importante. La temperatura de la unión pn de los dispositivos de potencia generalmente no puede superar los 125 °C, y la temperatura de la carcasa del paquete no supera los 85 °C.
l Los sistemas de almacenamiento de energía en red requieren algoritmos de control complejos, diseños de circuitos y convertidores de almacenamiento de energía de alta densidad de potencia.
A diferencia de las características esenciales de las fuentes de corriente en los sistemas de almacenamiento de energía que forman la red, los sistemas de almacenamiento de energía que forman la red son esencialmente fuentes de voltaje que pueden establecer internamente parámetros de voltaje para generar un voltaje y una frecuencia estables. Por lo tanto, se requiere que los convertidores que forman la red simulen las características de los generadores sincrónicos, proporcionando soporte para el voltaje y la frecuencia para mejorar la estabilidad del sistema de energía. Esta estrategia de control requiere que los convertidores posean una mayor densidad de potencia y algoritmos de control más complejos, así como dispositivos de potencia de mayor rendimiento y diseños de circuitos más intrincados para implementar la estrategia de control. La gestión eficaz del calor generado por la alta densidad de potencia y las estrategias de control complejas, al tiempo que se reduce el tamaño y el costo del sistema de enfriamiento sin comprometer el rendimiento, se ha convertido en un nuevo desafío en el diseño térmico.
2- Comparación de soluciones de refrigeración habituales
La solución de refrigeración para inversores de almacenamiento de energía ha experimentado una importante evolución iterativa en los últimos años, reflejada principalmente en la transición de la tecnología de refrigeración del enfriamiento por aire tradicional a la tecnología de enfriamiento por líquido.
l Solución de refrigeración por aire
El enfriamiento por aire es la forma de control de temperatura utilizada en la etapa inicial de los convertidores de almacenamiento de energía. Utiliza aire como medio y disipa el calor a través de ventiladores y radiadores. La solución de enfriamiento por aire mejora la eficiencia de disipación de calor al reducir continuamente el consumo de energía, optimizar la estructura y mejorar los materiales de disipación de calor. En el nivel de potencia de 2,5 MW, el enfriamiento por aire aún puede cumplir con los requisitos.
l Solución de refrigeración líquida
A medida que la densidad de potencia y la densidad energética de los sistemas de almacenamiento de energía siguen aumentando, los PCS refrigerados por líquido utilizan un refrigerante con alta conductividad térmica como medio. El refrigerante es impulsado por una bomba de agua para circular en la placa fría y no se ve afectado por factores como la altitud y la presión del aire. El sistema de refrigeración por líquido tiene una eficiencia de disipación de calor más eficiente que el sistema de refrigeración por aire. La solución de refrigeración por líquido tiene un mayor grado de coincidencia y ha comenzado a explorarse y popularizarse en los últimos uno o dos años.
Además de la solución de almacenamiento de energía con refrigeración líquida completa, algunos fabricantes han lanzado máquinas de refrigeración directa con almacenamiento de energía, que utilizan refrigeración directa por cambio de fase y sin circulación de agua. Las soluciones de refrigeración directa también están entrando en el campo del almacenamiento de energía.
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Puntos clave en el diseño de perfiles de aluminio utilizados en vehículos de nueva energía y baterías de almacenamiento de energía
El paquete de baterías es un componente clave de los vehículos de nueva energía, los armarios de almacenamiento de energía y los contenedores. Es una fuente de energía a través de la envoltura de la carcasa, que proporciona energía a los vehículos eléctricos y proporciona capacidad de consumo a los armarios de almacenamiento de energía y los contenedores. En combinación con las necesidades de ingeniería reales, este artículo resume los puntos clave del diseño de perfiles para paquetes de baterías mediante el análisis de los requisitos de resistencia mecánica, seguridad, gestión térmica y peso ligero de los paquetes de baterías.
1-Requisitos de diseño de la carcasa del paquete de baterías
l Resistencia mecánica, resistencia a la vibración y resistencia al impacto. Después de la prueba, no debe haber daños mecánicos, deformaciones ni aflojamiento de la fijación, y el mecanismo de bloqueo no debe estar dañado.
l Sellado: El sellado del paquete de baterías afecta directamente la seguridad de funcionamiento del sistema de baterías. Por lo general, se requiere alcanzar el nivel de protección IP67 para garantizar que el paquete de baterías esté sellado y sea impermeable.
l El diseño de la carcasa del paquete de baterías debe tener en cuenta el rendimiento de la gestión térmica y garantizar que la batería funcione dentro de un rango apropiado a través de un diseño de gestión térmica apropiado.
l Para su instalación y fijación, la carcasa debe tener espacio para la placa de identificación y las señales de seguridad, y reservar suficiente espacio y una base fija para la instalación de líneas de adquisición, varios elementos sensores, etc.
l Todos los conectores, terminales y contactos eléctricos con aislamiento básico no polar deben cumplir los requisitos de nivel de protección correspondientes cuando se combinan.
l Aligeramiento: el aligeramiento de la carcasa es de gran importancia para mejorar la densidad energética del paquete de baterías. La aleación de aluminio es liviana y de alta calidad, lo que la convierte en la opción más viable en la actualidad. El nivel de aligeramiento se puede mejorar mediante un diseño extremo apropiado en combinación con aplicaciones reales.
l Durabilidad: La vida útil de la carcasa del paquete de baterías no debe ser inferior a la vida útil del producto en general. No debe producirse ninguna deformación plástica evidente durante el ciclo de uso. No debe reducirse el nivel de protección ni el rendimiento del aislamiento. La estructura debe ser fácil de mantener, incluida la disposición de las placas de identificación y las señales de seguridad, y la protección de los conectores.
Figura 1. Carcasa típica de paquete de batería soldada de aleación de aluminio
2-Solución típica de carcasa de batería de aleación de aluminio
Los materiales de aleación de aluminio que se utilizan comúnmente para las carcasas de los paquetes de baterías incluyen 6061-T6, 6005A-T6 y 6063-T6, etc. Estos materiales tienen diferentes límites de elasticidad y resistencia a la tracción para cumplir con diferentes requisitos estructurales. La resistencia de estos materiales es: 6061-T6＞6005A-T6＞6063-T6.
En la actualidad, las soluciones de formación de carcasas de baterías incluyen soldadura de perfiles de aluminio, fundición de aleación de aluminio, aluminio fundido más perfil de aluminio, soldadura de placas de aluminio estampadas, etc. La solución de soldadura de perfiles de aluminio se ha convertido en la opción principal debido a su flexibilidad y conveniencia de procesamiento. Como se muestra en la Figura 1, la carcasa se compone principalmente de un marco de perfil de aleación de aluminio y una placa inferior de perfil de aleación de aluminio, que se sueldan utilizando perfiles extruidos de aleación de aluminio de la serie 6. La solución de fundición de aleación de aluminio se considera como la dirección de desarrollo futura debido a su proceso simplificado y potencial de reducción de costos.
3- Diseño de la sección del perfil
l Tamaño de la sección y complejidad: El tamaño de la sección del perfil se mide por el círculo circunscrito. Cuanto mayor sea el círculo circunscrito, mayor será la presión de extrusión requerida. La sección del perfil suele estar compuesta por múltiples cavidades para mejorar la rigidez y la resistencia estructural. Por lo general, el marco, la partición intermedia, la placa inferior, la viga, etc. adoptan diferentes diseños de sección para adaptarse a diferentes requisitos estructurales y funcionales.
Figura 2 Sección típica de perfil de aleación de aluminio
l Espesor de pared del perfil de aluminio: El espesor mínimo de pared de un perfil de aluminio específico está relacionado con el radio del círculo circunscrito del perfil, la forma y la composición de la aleación. Por ejemplo, cuando el espesor de pared de la aleación de aluminio 6063 es de 1 mm, el espesor de pared de la aleación de aluminio 6061 debe ser de aproximadamente 1,5 mm. La dificultad de extrusión de la misma sección es: 6061-T6＞6005A-T6＞6063-T6. En el diseño de perfiles de paquetes de baterías, el perfil del marco generalmente está hecho de material de aleación de aluminio 6061-T6, y su sección típica está compuesta de múltiples cavidades, y el espesor de pared más delgado es de aproximadamente 2 mm; el perfil de la placa inferior también está compuesto de múltiples cavidades, y el material es generalmente 6061-T6, 6065A-T6, y el espesor de pared más delgado también es de aproximadamente 2 mm; Además, en el diseño de la bandeja de carga de la placa inferior y la integración de enfriamiento líquido de la placa inferior, la placa inferior generalmente adopta una estructura de doble cara, el espesor de la placa inferior es generalmente de 10 mm y el espesor de la pared y la pared interna de la cavidad son de aproximadamente 2 mm.
l Tolerancia de las dimensiones de la sección transversal del perfil: La tolerancia de las dimensiones de la sección transversal debe determinarse en función de la tolerancia de procesamiento del perfil de aluminio, las condiciones de uso, la dificultad de la extrusión del perfil y la forma del perfil. Para algunos perfiles de aluminio que son difíciles de extruir, se puede cambiar la forma o se puede aumentar la tolerancia de procesamiento y la tolerancia dimensional para reducir la dificultad de la extrusión y extruir productos de perfil de aluminio que se acerquen a los requisitos, y luego se pueden remodelar o procesar para cumplir con los requisitos de uso.
Además, al diseñar la sección del perfil, es necesario considerar los requisitos específicos de los diferentes procesos de soldadura para juntas, ranuras, espesor de pared, etc.
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La placa de enfriamiento líquido pasó la prueba de hermeticidad, entonces ¿por qué aún ocurren fugas?
La hermeticidad del paquete de baterías es un factor clave para garantizar la calidad y la seguridad del paquete de baterías. Está relacionada con la seguridad, la fiabilidad y la vida útil del paquete de baterías. La prueba de hermeticidad del paquete de baterías debe realizarse no solo durante el proceso de producción, sino también durante el mantenimiento y la inspección de la batería.
1- Requisitos de hermeticidad del paquete de baterías
En la producción real, la hermeticidad del paquete de baterías debe cumplir los siguientes requisitos:
Rendimiento de sellado:la carcasa, la interfaz y los conectores del paquete de baterías deben tener un buen rendimiento de sellado para evitar que el polvo, el vapor de agua y otras impurezas externas ingresen al paquete de baterías, lo que se puede lograr mediante soldadura, selladores, materiales impermeables, etc.
Rendimiento a prueba de agua: para evitar que la humedad ingrese a la batería, lo que provoca cortocircuitos, corrosión y otros problemas. De acuerdo con la norma nacional GB38031-2020 "Requisitos de seguridad para baterías de energía para vehículos eléctricos", el rendimiento de sellado de las baterías y sus componentes debe cumplir con el estándar IP67. La mayoría de los vehículos de nueva energía tienen requisitos de rendimiento de sellado más altos para las baterías y sus componentes, y deben cumplir con el estándar IP68, es decir, el paquete de baterías puede evitar que el agua ingrese dentro de la profundidad de agua y el tiempo de inmersión especificados.
Los métodos tradicionales de prueba de hermeticidad incluyen el método de presión y el método de inmersión (prueba de agua). El método de inmersión consiste en sumergir la placa de refrigeración líquida en agua y observar si se generan burbujas para evaluar el sellado.
Tanque de prueba de hermeticidad del canal de agua de la placa de enfriamiento líquido
Aunque el estándar IP68 es más estricto, en aplicaciones reales, el método de caída de presión se utiliza a menudo como el principal método de detección para cumplir con los requisitos IP68 estableciendo estándares de detección de hermeticidad adecuados. El método de caída de presión determina la hermeticidad del paquete de baterías midiendo el cambio de presión dentro del paquete de baterías. Al realizar pruebas de hermeticidad, se debe prestar atención a múltiples parámetros, como la presión de inflado, el tiempo de inflado, el tiempo de estabilización de la presión y la tasa de fuga.
（lado izquierdo）Diagrama del principio básico de la presión diferencial
（lado derecho）Diagrama del principio básico de la presión directa
2-Análisis del problema de fugas en la placa de refrigeración líquida
Con la mejora continua de la demanda del mercado de vehículos con baterías eléctricas, sistemas de almacenamiento de energía con baterías, etc., se utilizan ampliamente los paquetes de baterías con mayor densidad de energía y densidad de potencia. Debido a las características térmicas de las baterías, para garantizar el funcionamiento estable de los equipos centrales como las baterías y mejorar la eficiencia de utilización de la energía, la tecnología de refrigeración líquida es una de las principales rutas técnicas para la gestión térmica del almacenamiento de energía, y la prueba de hermeticidad del sistema de refrigeración líquida se ha convertido en un vínculo clave.
La fuga de la placa de enfriamiento líquido es un problema grave: la fuga obstaculizará el flujo normal del refrigerante, afectará el efecto de disipación de calor de la placa de enfriamiento líquido y reducirá el rendimiento del equipo; la fuga también puede causar envejecimiento y daños a los componentes del sistema, reduciendo la confiabilidad del sistema; la fuga también puede corroer los componentes y circuitos electrónicos, aumentando el riesgo de fallas del equipo e incendio.
¿Por qué sigue ocurriendo el problema de fugas después de realizar rigurosas pruebas de hermeticidad durante el proceso de producción y fabricación de la placa de enfriamiento líquido?
Proceso de prueba de hermeticidad del sistema de refrigeración líquida
La filtración de líquido puede ser causada por una variedad de factores:
l Pequeñas grietas y defectos,Las pruebas de hermeticidad del paisaje pueden detectar grandes canales de fuga, pero aún pueden existir pequeñas grietas y defectos. Estas pequeñas grietas pueden expandirse bajo presión de líquido o en un entorno de alta temperatura, lo que provoca filtraciones de líquido.
l Diferencias en la tensión superficial y la humectabilidad del refrigerante: cuando la tensión superficial del refrigerante es baja, es más fácil que penetre a través de pequeños huecos. Si el diseño de la tensión superficial de la placa de refrigeración de líquido no es razonable o el refrigerante no se selecciona correctamente, el problema de filtración de líquido puede agravarse.
Diferencias de humectabilidad: los distintos refrigerantes tienen distinta humectabilidad en superficies sólidas. Si la rugosidad de la superficie del material de la placa de enfriamiento de líquidos es alta o existen defectos microestructurales, el refrigerante puede penetrar con mayor facilidad.
l Problemas de instalación o proceso: si el proceso de instalación de la placa de enfriamiento de líquido no es lo suficientemente fino, o hay defectos en la soldadura, la conexión y otros procesos, también puede provocar un sellado deficiente y aumentar la posibilidad de filtración de líquido.
l Condiciones ambientales: Los cambios de temperatura, especialmente en entornos de alta presión, pueden afectar la permeabilidad del refrigerante. Aunque estos factores ambientales pueden no tenerse en cuenta durante las pruebas de hermeticidad, en la operación real, las fluctuaciones de temperatura pueden provocar fallas en los sellos.
l Envejecimiento o fatiga del material: si el material de la placa de enfriamiento de líquido se utiliza durante demasiado tiempo, puede envejecer o fatigarse, lo que provocará que su rendimiento de sellado se deteriore, aumentando así el riesgo de fugas de líquido.
3-Medidas preventivas para fugas de líquido en la placa de refrigeración
l Mejorar el diseño de la placa de refrigeración líquida: Al optimizar la estructura y el diseño de la placa de refrigeración líquida, se reducen las pequeñas grietas y defectos y se mejora su rendimiento de sellado. Por ejemplo, al soldar la viga de instalación del módulo en la superficie del canal de flujo, se deben tomar medidas antifugas para evitar fugas de refrigerante.
l Mejorar el nivel del proceso de fabricación: en el proceso de producción de la placa de refrigeración líquida, se utilizan procesos y materiales de soldadura de alta calidad para garantizar que el refrigerante no penetre fácilmente. Al mismo tiempo, durante el proceso de montaje, siga estrictamente los procedimientos operativos para evitar que se aflojen o se instalen incorrectamente.
l Optimice la combinación de métodos de detección para garantizar la eficiencia de detección al tiempo que mejora la precisión de detección y reduce la tasa de detección fallida. El método de inmersión y el método de caída de presión se utilizan para la detección de hermeticidad, que es simple de operar, económico y eficiente, y es adecuado para necesidades de detección de rutina a gran escala. Sin embargo, la precisión de detección de los dos métodos es baja. La precisión de detección del método de caída de presión es generalmente una tasa de fuga de 1×10-4Pa·m³/s, y la precisión de los resultados de detección se ve fácilmente interferida por factores como la temperatura, la humedad, la limpieza y la presión. Utilice equipos de detección con mayor precisión de detección y mejor efecto para aumentar la precisión de detección a 1×10-6Pa·m³/s, mejorando así el efecto de detección.
Además de las medidas preventivas para la propia placa de enfriamiento líquido, también es necesario adoptar estrategias de respuesta adecuadas en múltiples aspectos, como la selección del refrigerante, la selección del sello y el entorno de trabajo del equipo.
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En el diseño térmico, ¿qué elementos de diseño pueden optimizar los ingenieros para lograr una reducción de costos efectiva?
En el diseño de disipación de calor, la adopción de métodos efectivos de reducción de costos puede mejorar la confiabilidad y la eficiencia del sistema general y, al mismo tiempo, reducir costos innecesarios.
1-El diseño de reducción de potencia reduce los costos
El diseño de reducción de potencia es un método de diseño que reduce intencionalmente las tensiones eléctricas, térmicas y mecánicas a las que se ven sometidos los componentes o productos durante su funcionamiento. En escenarios reales de producción y uso, la estabilidad de los equipos electrónicos se puede mejorar reduciendo la tensión que soportan los componentes.
Diagrama esquemático de las rutas de disipación de calor para empaquetado 2D y 3D
l Reducir el estrés laboral: durante el diseño y el funcionamiento del producto, el estrés laboral de los componentes se puede reducir reduciendo la carga de trabajo, controlando la frecuencia de funcionamiento, limitando la corriente y el voltaje, etc.
l Reducir el estrés ambiental: Reducir el estrés ambiental seleccionando tipos de componentes, diseños y formas de embalaje adecuados, como seleccionar componentes con un amplio margen de temperatura o utilizar formas de embalaje con buen sellado para reducir los efectos de la temperatura la humedad y la presión sobre los componentes.
l Aplicación de ingeniería de confiabilidad: diseño redundante razonable, detección y aislamiento de fallas, etc., reducen aún más el riesgo de falla de los componentes.
Al reducir la tensión de los componentes durante su funcionamiento, se puede reducir su consumo de energía y la generación de calor. Cuando los dispositivos de potencia funcionan en condiciones de tensión inferiores a su tensión nominal, se puede reducir su consumo de energía y la generación de calor, lo que ayuda a mejorar la eficiencia energética y la fiabilidad del sistema. A largo plazo, el diseño de reducción de potencia aumenta eficazmente la vida útil de los componentes, reduce las tasas de fallos, reduce la carga de trabajo de mantenimiento y, por tanto, reduce los costes.
2-Optimizar el diseño
La eficiencia de trabajo del radiador se puede mejorar significativamente a través de una disposición razonable de los componentes térmicos, y una estrategia de disposición de componentes razonable puede lograr un equilibrio entre el rendimiento y el costo del producto.
l Distribuir los componentes de disipación de calor: dispersar los componentes que generan grandes cantidades de calor para reducir la carga de calor por unidad de área.
l Ubicación propicia para la disipación del calor: coloque el elemento calefactor en una ubicación propicia para la disipación del calor, como cerca de un respiradero o en el borde del dispositivo.
l Disposición escalonada: durante el diseño, escalone los componentes de calefacción con otros componentes generales e intente hacer que los componentes de calefacción sean componentes sensibles a la temperatura para reducir su impacto en los componentes sensibles al calor.
l Mejora el flujo de aire: al cambiar el diseño de dirección y la disposición de los componentes, se optimiza la ruta del flujo de aire, se aumenta el caudal y se mejora el coeficiente de transferencia de calor.
Recomendaciones de espaciado entre componentes
3-Elección del método de enfriamiento
A medida que mejora el rendimiento de los componentes electrónicos y aumenta el grado de integración, la densidad de potencia continúa aumentando, lo que da como resultado un aumento significativo del calor generado por los componentes electrónicos durante el funcionamiento. Al elegir un método de disipación de calor para los componentes electrónicos, los requisitos de control de temperatura incluyen principalmente los siguientes aspectos:
l Rango de temperatura: los distintos componentes tienen distintos rangos de tolerancia a la temperatura. Por ejemplo, los chips de alto rendimiento, como las CPU, tienen requisitos de temperatura de funcionamiento de entre 85 y 100 °C, mientras que algunos dispositivos de bajo consumo pueden tolerar temperaturas más altas, por lo que el sistema de refrigeración debe garantizar que los componentes funcionen dentro de un rango de temperatura seguro.
l Precisión del control de temperatura: en algunos escenarios con requisitos estrictos de control de temperatura, es necesario adoptar una solución de disipación de calor que pueda controlar con precisión la temperatura para evitar la degradación del rendimiento del componente o incluso daños causados por temperaturas excesivamente altas o bajas.
l Temperatura ambiente: el efecto de disipación de calor de los equipos electrónicos no solo depende de la capacidad de disipación de calor del propio dispositivo, sino que también se ve afectado por la temperatura ambiente circundante. El diseño de la disipación de calor debe tener en cuenta los cambios en la temperatura ambiente y tratar de mantener el dispositivo dentro de un rango de temperatura adecuado mediante medios de disipación de calor.
l Consumo de energía y fiabilidad: Algunos componentes electrónicos de bajo consumo pueden utilizar la disipación de calor natural cuando generan poco calor. Para equipos de alto consumo, es necesario recurrir a la tecnología de disipación de calor avanzada para garantizar que mantenga un rendimiento normal y prolongar su vida útil bajo alta carga.
l Sellado y densidad: En dispositivos ensamblados sellados y de alta densidad, si la generación de calor no es alta, se puede confiar en la disipación natural del calor. Cuando los componentes están empaquetados de manera densa y generan grandes cantidades de calor, se necesitan tecnologías de disipación de calor más efectivas, como la disipación de calor forzada o la refrigeración líquida. La refrigeración líquida y la tecnología de tubos de calor se utilizan en escenarios con alto consumo de energía y gran generación de calor, como componentes electrónicos de alta potencia, como tubos de onda viajera, magnetrones y tubos amplificadores de potencia, servidores y equipos de alto consumo energético, así como en los sistemas de tres eléctricos de vehículos de nueva energía. Sus ventajas de aplicación únicas.
（lado izquierdo）Módulo de refrigeración por aire de la pila de carga
（lado derecho）Módulo de refrigeración líquida de pila de carga
Al elegir un método de refrigeración para componentes electrónicos, es necesario considerar exhaustivamente factores como la generación de calor y el flujo de calor, la temperatura ambiente y la temperatura de funcionamiento, las limitaciones de espacio y los requisitos de aislamiento térmico, y el costo y la viabilidad. Al utilizar la tecnología de refrigeración y los dispositivos de refrigeración adecuados para garantizar que los componentes funcionen a una temperatura adecuada, se puede reducir de manera efectiva el costo de reemplazo y mantenimiento del sistema. Además, la reutilización de proyectos históricos también es una estrategia eficaz para reducir los costos de desarrollo y fabricación y mejorar la confiabilidad.
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¿Cómo prevenir o reducir eficazmente el impacto de la deformación térmica de la soldadura de la bandeja de la batería?
Las bandejas de batería, también conocidas como cajas de batería o cajas PACK, se valoran cada vez más como un componente muy importante en el desarrollo de vehículos de nueva energía. El diseño de las bandejas de batería debe equilibrar la relación entre factores como el peso, la seguridad, el costo y el rendimiento del material. Las aleaciones de aluminio se utilizan ampliamente en la ingeniería ligera automotriz debido a su baja densidad y alta resistencia específica, lo que puede garantizar la rigidez al mismo tiempo que garantiza el rendimiento de la carrocería del vehículo.
1- Ubicación y selección del método de soldadura de la bandeja de la batería
Las bandejas de aluminio para baterías están hechas de perfiles de aluminio extruido y los distintos componentes se combinan en un todo mediante soldadura para formar una estructura de marco completa. Estructuras similares también se utilizan ampliamente en cajas de almacenamiento de energía.
Las partes soldadas de la bandeja de la batería generalmente incluyen la unión de la placa inferior, la conexión entre la placa inferior y el costado, la conexión entre el marco lateral, las vigas horizontales y verticales, la soldadura de los componentes del sistema de enfriamiento líquido y la soldadura de accesorios como soportes y orejas colgantes. Al seleccionar los métodos de soldadura, se seleccionarán diferentes métodos de soldadura de acuerdo con los diferentes requisitos estructurales y de material, consulte la siguiente tabla:
2-Análisis de la influencia de la deformación térmica de la soldadura
La soldadura es un método de procesamiento de calor local. Dado que la fuente de calor se concentra en la soldadura, la distribución de la temperatura en la soldadura es desigual, lo que finalmente conduce a la deformación de la soldadura y la tensión de soldadura dentro de la estructura soldada. La deformación térmica de la soldadura es el fenómeno por el cual la forma y el tamaño de las piezas soldadas cambian debido a la entrada y salida de calor desiguales durante el proceso de soldadura. Combinado con la experiencia real en proyectos de ingeniería, se resumen las piezas que son propensas a la deformación térmica de la soldadura y los factores que influyen:
a.Área de soldadura recta y larga
En la producción real, la placa inferior de la bandeja de la batería generalmente está hecha de 2 a 4 perfiles de aleación de aluminio empalmados entre sí mediante soldadura por fricción y agitación. Las soldaduras son largas y también hay soldaduras largas entre la placa inferior y la placa lateral, y entre la placa inferior y la viga espaciadora. Las soldaduras largas son propensas a sobrecalentamiento local en el área de soldadura debido a la entrada de calor concentrada, lo que resulta en deformación térmica.
Soldadura del marco de la bandeja de la batería
b.Uniones multicomponentes
Se produce por el calentamiento local a alta temperatura y el enfriamiento posterior durante el proceso de soldadura en la soldadura de múltiples componentes. Durante el proceso de soldadura, la soldadura se somete a una entrada de calor desigual, lo que da como resultado una diferencia de temperatura significativa entre el área de soldadura y el material original circundante, lo que provoca efectos de expansión y contracción térmica, lo que provoca la deformación de las piezas soldadas. El extremo de instalación eléctrica de la caja del paquete de almacenamiento de energía generalmente está equipado con una boquilla de agua, un soporte de mazo de cables, una viga, etc., y las soldaduras son densas y muy fáciles de deformar.
En el área intensiva en soldadura, el lado frontal del pallet está deformado y torcido.
c.Pared lateral del canal de placa fría
En la bandeja de la batería con diseño integrado de placa de refrigeración líquida, las piezas con menor rigidez estructural, como placas delgadas y estructuras de tuberías, no pueden resistir bien la deformación térmica durante la soldadura y son propensas a deformarse. Por ejemplo, la pared lateral del canal de flujo de la placa de refrigeración líquida es muy delgada, generalmente solo unos 2 mm. Al soldar vigas, soportes de mazos de cables y otras piezas en la superficie de montaje del módulo, es fácil provocar grietas y arrugas de deformación en la pared lateral del canal de flujo, lo que afecta el rendimiento general.
Defectos de grietas térmicas en la pared del canal de refrigeración líquida causados por la soldadura por haz
3-Método de control de deformación térmica de soldadura
a.Soldadura de segmentos, soldadura de doble cara
Para piezas con requisitos de resistencia relativamente bajos, se adopta la soldadura segmentada y el proceso de soldadura se divide en múltiples secciones pequeñas. Las soldaduras se disponen simétricamente y las soldaduras se disponen simétricamente cerca del eje neutro en la sección de construcción, de modo que las deformaciones causadas por las soldaduras puedan compensarse entre sí. Al mismo tiempo, se minimiza la longitud y el número de soldaduras y se evita la concentración excesiva o el cruce de soldaduras, lo que puede reducir el gradiente de temperatura de soldadura y, por lo tanto, reducir la deformación de la soldadura. Para piezas con altos requisitos de resistencia, como la placa inferior, la placa inferior y el marco lateral, se adopta la soldadura de doble cara para aumentar la resistencia y reducir la deformación por flexión causada por piezas grandes y soldaduras largas.
b.Optimización de la secuencia de soldadura
Controle la deformación de la soldadura, utilice uniones con menor rigidez, evite las soldaduras que se cruzan en dos o tres direcciones y evite las áreas de alta tensión. Optimice la secuencia de soldadura, suelde primero las áreas de menor rigidez y las de mayor rigidez al final, como soldar primero las soldaduras de filete, luego las soldaduras cortas y, por último, las soldaduras largas; suelde primero las soldaduras transversales y luego las soldaduras longitudinales. Una secuencia de soldadura razonable puede controlar eficazmente la deformación de la soldadura, controlando así las dimensiones de la soldadura.
c.Ajuste de parámetros de soldadura
Controle los parámetros y procesos de soldadura y establezca razonablemente la velocidad de soldadura, el número de capas de soldadura y el espesor de cada soldadura. Para soldaduras más gruesas, utilice métodos de soldadura multicapa y multicanal, y el espesor de cada capa de soldadura no debe superar los 4 mm. La soldadura multicapa puede reducir la microestructura estructural y mejorar el rendimiento de la unión. Controle con precisión los parámetros de soldadura y seleccione razonablemente parámetros como la corriente de soldadura, el voltaje, el modelo de electrodo y la velocidad de soldadura para garantizar una forma y un tamaño consistentes del baño de fusión, evitando así errores causados por una selección incorrecta de parámetros.
d.Mejora de las habilidades de soldadura
Mejorar las habilidades operativas del soldador (utilizar el procesamiento mecánico para componentes grandes o nodos con requisitos estrictos) para garantizar la consistencia y estandarización de las acciones durante la soldadura y reducir los problemas dimensionales causados por factores humanos.
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Por qué la aleación de aluminio se ha convertido en el material de primera elección para placas y radiadores de refrigeración líquida: análisis del principio de conductividad térmica de la aleación de aluminio
La aleación de aluminio es el material estructural no ferroso más utilizado en la industria, especialmente en escenarios donde la conductividad térmica de los materiales es de gran preocupación, y en situaciones donde se requiere una conducción de calor eficiente, como en la disipación de calor de equipos electrónicos, la disipación de calor de los tres sistemas de potencia de vehículos eléctricos y los sistemas de almacenamiento de energía en baterías. En los campos de la disipación de calor y la aeroespacial, se utiliza generalmente para fabricar equipos de transferencia de calor eficientes, como radiadores, placas de conducción de calor y componentes electrónicos.
La conductividad térmica, también llamada conductividad térmica, es un índice de parámetro que caracteriza la conductividad térmica de los materiales. Indica la conducción de calor por unidad de tiempo, unidad de área y gradiente de temperatura negativo. La unidad es W/m·K o W/m·℃. La aleación de aluminio es un material de aleación compuesto de aluminio y otros metales. Su conductividad térmica es muy excelente y el coeficiente de conductividad térmica suele estar entre 140-200 W/(m·K). Como el metal con mayor contenido en la corteza terrestre, el aluminio tiene un coeficiente de conductividad térmica relativamente bajo. Es favorecido por su gran altura, baja densidad y bajo precio.
1-Principio de conductividad térmica de los materiales de aleación de aluminio
Cuando hay una diferencia de temperatura entre áreas adyacentes de un material, el calor fluirá desde el área de alta temperatura al área de baja temperatura a través de la parte de contacto, lo que dará como resultado la conducción de calor. Hay una gran cantidad de electrones libres en los materiales metálicos. Los electrones libres pueden moverse rápidamente en el metal y pueden transferir calor rápidamente. La vibración reticular es otra forma de transferencia de calor del metal, pero queda relegada a un segundo plano en comparación con el método de transferencia de electrones libres.
Comparación de los métodos de conducción del calor entre metales y no metales
2-Factores que afectan la conductividad térmica de las aleaciones de aluminio
a.La aleación es uno de los principales factores que afectan la conductividad térmica. Los elementos de aleación existen en forma de átomos de solución sólida, fases precipitadas y fases intermedias. Estas formas traerán defectos cristalinos, como vacantes, dislocaciones y distorsión reticular. Estos defectos aumentarán la probabilidad de dispersión de electrones, lo que dará como resultado una reducción en el número de electrones libres, reduciendo así la conductividad térmica de las aleaciones. Diferentes elementos de aleación producen diferentes grados de distorsión reticular en la matriz de Al y tienen diferentes efectos en la conductividad térmica. Esta diferencia es el resultado de múltiples factores como la valencia de los elementos de aleación, las diferencias de volumen atómico, la disposición de los electrones extranucleares y el tipo de reacción de solidificación.
b.El tratamiento térmico es un paso muy importante en el procesamiento de aleaciones de aluminio. Al cambiar la microestructura y la transformación de fase de las aleaciones de aluminio, su conductividad térmica puede verse afectada significativamente. El tratamiento de solución sólida consiste en calentar la aleación de aluminio a una determinada temperatura para disolver completamente los átomos de soluto en la matriz y luego enfriarla rápidamente para obtener una solución sólida uniforme. Este tratamiento mejora las propiedades mecánicas del material, pero generalmente reduce su conductividad térmica. El tratamiento de envejecimiento se realiza mediante una deformación en frío adecuada y un recalentamiento después del tratamiento de solución sólida, lo que puede optimizar la microestructura de la aleación y mejorar su rendimiento general. El tratamiento de envejecimiento tiene en cuenta las propiedades mecánicas y la conductividad térmica de la aleación, de modo que la aleación mantenga una alta resistencia y al mismo tiempo tenga una buena conductividad térmica. El recocido mejora la microestructura de la aleación manteniéndola a una temperatura más baja para precipitar y redistribuir la segunda fase en la aleación. El tratamiento de recocido puede mejorar la plasticidad y la tenacidad de las aleaciones de aluminio, pero el efecto sobre la conductividad térmica varía según la situación específica.
Diagrama esquemático de los cambios en la estructura cristalina durante el proceso de envejecimiento de la aleación Al-Cu
c.Otros factores que influyen son las impurezas y las partículas de la segunda fase: Las impurezas y las partículas de la segunda fase (como óxidos, carburos, etc.) en las aleaciones de aluminio pueden dispersar los portadores calientes (electrones y fonones), reduciendo así la conductividad térmica. Cuanto mayor sea el contenido de impurezas, más gruesas serán las partículas de la segunda fase y, en general, menor será la conductividad térmica. El tamaño de grano de las aleaciones de aluminio también afecta a la conductividad térmica. En términos generales, cuanto menor sea el tamaño de grano, más límites de grano habrá y menor será la conductividad térmica. Además, el método de procesamiento de la aleación de aluminio (como laminado, extrusión, forjado, etc.) afectará a su microestructura y estado de tensión residual, lo que afectará a la conductividad térmica. El endurecimiento por deformación y las tensiones residuales reducen la conductividad térmica.
En resumen, la aleación de aluminio es una opción ideal para materiales con alta conductividad térmica. Factores como el tipo de elementos de aleación en las aleaciones de aluminio y sus formas, los métodos de tratamiento térmico, las impurezas, el tamaño del grano y los métodos de moldeo afectarán la conductividad térmica de los materiales de aleación de aluminio. Se deben tener en cuenta consideraciones exhaustivas al diseñar la composición del material y la planificación del proceso.
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Puntos clave de diseño de la estructura del paquete de almacenamiento con refrigeración por inmersión
La tecnología de refrigeración por inmersión para almacenamiento de energía es un método avanzado de enfriamiento de baterías. Utiliza las propiedades térmicas de los líquidos para enfriar rápida, directa y completamente las baterías, asegurando su funcionamiento en un entorno seguro y eficiente.El principio básico consiste en sumergir completamente las baterías de almacenamiento en un líquido aislante, no tóxico y capaz de disipar el calor.Esta tecnología permite el intercambio térmico directo entre el líquido y las baterías, absorbiendo rápidamente el calor generado durante los ciclos de carga y descarga, y trasladándolo a un sistema de enfriamiento externo.
Diagrama de principio de un sistema de enfriamiento por inmersión para almacenamiento de energía
El sistema de enfriamiento por inmersión para almacenamiento de energía actúa como soporte y protección para las celdas de la batería, desempeñando funciones clave como el soporte del paquete de baterías, el refrigerante, la seguridad y la transferencia de calor.Por lo tanto, en el diseño de la estructura del contenedor se deben considerar aspectos como la estanqueidad, la eficiencia de enfriamiento, la seguridad, la selección de materiales y el proceso de fabricación para garantizar un funcionamiento seguro, eficiente y confiable del sistema.El diseño de la estructura del contenedor es la base de todo el sistema de enfriamiento por líquido.
1-Carga uniforme
La caja inferior del paquete de almacenamiento de energía refrigerado por líquido sumergido se compone de una placa inferior y placas laterales. La placa inferior sirve como soporte básico y las placas laterales se fijan alrededor de la placa inferior, que juntas forman el marco principal de la caja. El tamaño de la caja debe ajustarse teniendo en cuenta las necesidades generales y las condiciones de carga del sistema de refrigeración por líquido. En el diseño de cajas de mayor tamaño, se pueden configurar razonablemente particiones internas o estructuras de soporte para dividir el espacio grande en múltiples espacios pequeños. área de fuerza para mejorar la capacidad de carga uniforme. En la estructura interna, la capacidad de carga local se puede mejorar agregando nervaduras de soporte y nervaduras de refuerzo, y también se puede configurar una estructura de distribución de carga dentro de la caja para equilibrar la carga en cada esquina.
Al mismo tiempo, para reducir el impacto de la deformación plástica en la carga uniforme, se pueden diseñar superficies de procesamiento de diferentes alturas en un mismo plano, lo que puede reducir la frecuencia de ajustes de la máquina herramienta y evitar deformaciones causadas por diferencias de altura; también se puede aumentar el ancho o la altura del contenedor para dispersar la carga y reducir la deformación.
Además, el diseño integrado del canal de enfriamiento por líquido y la placa base del contenedor, realizado mediante soldadura por fricción agitada o soldadura láser, mejora significativamente la resistencia estructural de todo el sistema.
Esquema de la estructura de la caja inferior del Pack de almacenamiento de energía de enfriamiento por inmersión
2-Diseño de intercambio de calor
La conductividad térmica es un aspecto importante de la tecnología de refrigeración líquida por inmersión. El objetivo del diseño es garantizar que la batería pueda disipar el calor de manera efectiva en un entorno de alta temperatura, manteniendo así su rendimiento y seguridad.
Los materiales del contenedor deben tener una alta conductividad térmica. Los materiales comúnmente utilizados incluyen aleaciones de aluminio, cobre y compuestos a base de aluminio.El diseño del contenedor también debe considerar el impacto de las variaciones de temperatura ambiental. Un grosor de aislamiento adecuado puede garantizar que la temperatura interna del contenedor se mantenga dentro de un rango relativamente constante, mejorando así la eficiencia general del sistema.
El diseño estructural del contenedor afecta directamente su conductividad térmica. Una disposición adecuada de los canales de líquido garantiza un flujo fluido dentro del contenedor y maximiza la superficie de contacto, siendo esta la principal estrategia para mejorar la conductividad térmica del contenedor.Se pueden establecer varios canales dentro del contenedor para aumentar las rutas de circulación del líquido refrigerante, mejorando así el efecto de disipación de calor.
（lado izquierdo）Opción 1: Inmersión total + Unitaria + Intercambiador de placas
（lado derecho）Opción 2: Inmersión total + Unitaria + Intercambiador de caja
El sistema de refrigeración líquida incluye medio refrigerante, estructuras de conducción térmica, tuberías de refrigeración y estructuras de soporte.
En la Opción 1, se puede llenar los canales del intercambiador de calor y la cavidad de la caja con el mismo líquido refrigerante o diferentes líquidos, y ambas cavidades están selladas y son independientes entre sí.En la cavidad de la caja, el líquido refrigerante sumerge completamente el módulo de batería, asegurando un contacto total. El refrigerante permanece estático y utiliza la buena conductividad térmica del líquido para absorber el calor de la superficie de la batería, reduciendo así el aumento de temperatura.En el intercambiador de calor, el líquido refrigerante se divide en varios canales que entran en paralelo en el panel de refrigeración, y luego se reúnen en el colector de salida, siendo el principal responsable de la eliminación del calor para lograr la refrigeración.
En la Opción 2, el líquido refrigerante de baja temperatura entra desde la parte inferior o lateral, mientras que el líquido de alta temperatura sale desde arriba. El refrigerante circula dentro del paquete de baterías, lo que permite distribuir la temperatura de manera uniforme y efectiva, mejorando la eficiencia de enfriamiento general y manteniendo la coherencia de la temperatura de la celda o del paquete de baterías.
Para mejorar aún más el efecto de refrigeración, se pueden tomar diversas medidas de optimización, como optimizar el flujo de líquido y los métodos de circulación, elegir refrigerantes de alta capacidad térmica y mejorar la distribución de temperatura del líquido.Estas medidas pueden reducir la acumulación de calor y la pérdida de energía, asegurando que la batería funcione en un estado de enfriamiento eficiente.
3-Diseño de sellado
Para la caja de refrigeración líquida, se realiza un diseño de sellado completo utilizando materiales y estructuras de sellado avanzados. El diseño del sellado no solo debe considerar la estanqueidad al aire, sino también la estanqueidad del medio líquido para garantizar que no haya fugas en ninguna dirección de las celdas de la batería.
El diseño debe seleccionar la forma y el tipo de sellado adecuados según las necesidades específicas de la aplicación, considerando factores como el grado de libertad de las fugas de los sellos, la resistencia al desgaste, la compatibilidad con el medio y la temperatura, y la baja fricción. Según las especificaciones detalladas, se deben elegir tipos y materiales de sellado adecuados.
Además, la elección del proceso de soldadura tiene un gran impacto en el rendimiento del sellado. Elegir el método de soldadura adecuado para diferentes materiales y grosores puede mejorar eficazmente la calidad de las juntas de soldadura, garantizando así la resistencia y estanqueidad global del sistema.
Imagen del producto terminado del cuerpo inferior del pack de almacenamiento de energía por inmersión líquida unitaria
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Riesgos de contaminación de los canales y técnicas de control de limpieza en el proceso de fabricación de placas de refrigeración líquida
A medida que la densidad de potencia y la generación de calor de diversos productos electrónicos sigue aumentando, la gestión térmica se enfrenta a desafíos cada vez mayores,La refrigeración líquida se está convirtiendo gradualmente en la solución predominante debido a su alta eficiencia de refrigeración, bajo consumo de energía, bajo ruido y alta fiabilidad.
El sistema de refrigeración líquida funciona uniendo la placa fría con el grupo de baterías (u otra fuente de calor) y haciendo circular un refrigerante en el interior para disipar el calor generado por la fuente de calor,Este calor se transfiere luego a través de uno o varios circuitos de refrigeración y, en última instancia, se disipa al ambiente exterior.
Como componente central de un sistema de refrigeración líquida, la placa de refrigeración líquida es un elemento de disipación de calor altamente eficiente, cuya función principal es eliminar el calor generado durante el funcionamiento de la batería (u otras fuentes de calor) mediante la circulación del líquido refrigerante, permitiendo que el equipo funcione dentro de un rango de temperatura seguro.Si los canales de la placa de refrigeración líquida no están limpios, esto puede afectar la uniformidad del flujo del líquido refrigerante. Las partículas extrañas de gran tamaño pueden provocar obstrucciones o un flujo irregular, lo que impide una transmisión eficaz del calor y afecta la eficiencia de disipación de calor y el rendimiento general de los dispositivos electrónicos.
Si quedan impurezas en los canales, estas pueden dañar la capa protectora de óxido en las paredes metálicas, provocando corrosión o erosión en la placa de refrigeración líquida. Además, las impurezas en los canales pueden causar un contacto deficiente entre los componentes, lo que puede llevar al envejecimiento o daño de los sellos, aumentando así el riesgo de fugas y afectando la estabilidad a largo plazo del sistema.
1-Requisitos de limpieza de los canales de las placas de refrigeración líquida
Las soluciones actuales de cajas de refrigeración líquida para almacenamiento de energía generalmente requieren que los canales estén libres de cuerpos extraños, virutas de aluminio, restos de aceite y líquidos. En algunos casos, se establecen requisitos específicos sobre la masa de impurezas y el tamaño de las partículas duras y blandas.
2-Etapas de alto riesgo de contaminación de los canales durante la fabricación de placas de refrigeración líquida
Durante el proceso de fabricación de componentes de placas de refrigeración, como los canales internos y las estructuras de las interfaces de refrigeración, residuos de aceite, refrigerante de corte, virutas de metal y otros cuerpos extraños pueden entrar fácilmente en los canales durante las etapas de corte, perfilado de canales, etc. Las áreas de mecanizado se encuentran en la entrada de los canales, lo que dificulta la protección, y las virutas que ingresan son difíciles de eliminar.
Procesamiento de componentes de placas de refrigeración líquida: limpieza de canales y desbarbado
Después del mecanizado de los canales de las placas de refrigeración, se sueldan tapones, boquillas y otros componentes para formar canales cerrados. La estructura de los canales suele ser no lineal, creando zonas difíciles de limpiar.
En el proceso de mecanizado posterior a la soldadura de las placas de refrigeración, se utiliza una gran cantidad de refrigerante de corte para enfriar las herramientas y las piezas, lo que genera una gran cantidad de virutas metálicas. Esta fase implica un alto riesgo de que el refrigerante y las virutas contaminen los canales, y que sean difíciles de eliminar por completo, lo cual representa un riesgo importante de contaminación del canal.
3-Limpieza y protección de los canales de la placa de refrigeración líquida
Para asegurar la fiabilidad y el rendimiento de los componentes de las placas de refrigeración líquida, generalmente se llevan a cabo operaciones de limpieza rigurosas.Enjuague: Se usa una pistola de agua a alta presión para enjuagar los canales internos de la placa de refrigeración líquida, eliminando posibles residuos, partículas u otras impurezas.Después del enjuague, los componentes de la placa de refrigeración líquida deben secarse para asegurar que no quede humedad residual en los canales.
Procesamiento de componentes de la placa de refrigeración líquida: enjuague y desengrasado
Las placas de refrigeración líquida, como las placas de enfriamiento, pueden contaminarse fácilmente durante el proceso de fabricación si no están debidamente protegidas. Virutas metálicas, aceite y líquidos de corte pueden entrar en el proceso de fabricación. Además, en el proceso de transporte, es fácil que ingresen cuerpos extraños.Generalmente, se considera de antemano la protección de los canales, como adhesivos antipolvo y manguitos protectores en los accesorios de agua.
Por lo tanto, la limpieza de los canales internos de las placas de refrigeración es una medida esencial para eliminar las contaminaciones y mejorar la limpieza de los canales. En la práctica, se requiere un control completo del proceso. Basándose en esto, se proponen medidas de control de contaminación específicas para controlar eficazmente la contaminación en los canales internos de las placas de refrigeración.
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Diseño del proceso de soldadura del cuerpo inferior para el almacenamiento de energía de las baterías
El cuerpo de la batería de almacenamiento de energía desempeña un papel clave en el sistema de almacenamiento, con funciones principales como protección de carga, transmisión de calor uniforme, instalación eléctrica y sellado a prueba de agua.
Con el aumento de los requisitos de densidad de energía de las baterías, el aluminio, con su alta conductividad térmica y baja densidad, se convierte en una solución eficaz para mejorar la eficiencia del sistema de baterías.El diseño integrado de los canales de flujo y las paredes laterales del cuerpo puede ahorrar trabajo de soldadura en los puntos clave de soporte de carga, mejorando la resistencia estructural. Esto garantiza la seguridad y estabilidad de la estructura en condiciones de carga estática, levantamiento y vibración aleatoria, mejorando en cierta medida la hermeticidad del cuerpo.
Además, el diseño integrado ayuda a reducir el número de piezas y el peso del cuerpo. Fabricado mediante un proceso de extrusión, ofrece costos de molde bajos, fácil procesamiento y flexibilidad para satisfacer diferentes volúmenes de producción.
1-Tipos principales del cuerpo inferior de almacenamiento de energía en aluminio extruido y soldado
La anchura del cuerpo inferior enfriado por líquido para el almacenamiento de energía generalmente varía entre 790 y 810 mm, y la altura entre 40 y 240 mm. Se divide en tipo plano y tipo brida (ver ilustración a continuación). La longitud del cuerpo enfriado por líquido está relacionada con la capacidad del producto de almacenamiento de energía, y hay soluciones comunes como 48s, 52s, 104s y otras especificaciones.
Cuerpo inferior enfriado por líquido de tipo plano
Cuerpo inferior enfriado por líquido de tipo brida
2-Formas estructurales del cuerpo inferior de almacenamiento de energía en aluminio extruido y soldado
El cuerpo enfriado por líquido es la estructura básica de todo el paquete de baterías, compuesto por una estructura de marco rectangular soldada a partir de un panel de base avec canales, juntas, boquillas, marco, vigas, soportes y orejas de elevación. Todas las piezas son de aleación de aluminio.
Diagrama de montaje de las piezas del cuerpo enfriado por líquido
El cuerpo enfriado por líquido necesita tener una capacidad de carga y una resistencia estructural suficientes, lo que impone altos requisitos de calidad de soldadura, incluyendo el proceso de soldadura, el control de la clasificación de las soldaduras y las habilidades de los soldadores, para garantizar la seguridad y la fiabilidad en la aplicación práctica.
La tecnología de enfriamiento por líquido tiene altos requisitos de hermeticidad para el cuerpo enfriado por líquido, incluyendo la hermeticidad del cuerpo inferior y de los canales de enfriamiento por líquido. Además, los canales de enfriamiento por líquido deben soportar la presión del flujo del refrigerante, lo que aumenta aún más los requisitos de hermeticidad de los canales de enfriamiento por líquido.
3-Requisitos de calidad de soldadura
Se requiere generalmente que el panel inferior enfriado por líquido se suelde mediante soldadura por fricción, y los tapones del cuerpo enfriado por líquido de tipo plano también se sueldan de esta manera. Normalmente, la hendidura de la soldadura por fricción debe ser ≤ 0.5, y no se permiten metales sueltos o que puedan desprenderse debido a vibraciones.
Los canales de enfriamiento por líquido, los marcos, las boquillas, las orejas de elevación, las vigas transversales y otros accesorios suelen soldarse mediante TIG o CMT. Teniendo en cuenta las diferentes exigencias de rendimiento de las piezas, los canales de enfriamiento, los marcos, las boquillas y las orejas de elevación se sueldan completamente, mientras que las vigas transversales y los accesorios se sueldan por secciones. La planitud en la zona de las vigas del módulo de batería delantero y trasero debe ser inferior a 1,5 mm para un solo módulo y inferior a 2 mm para el total; la planitud del marco debe cumplir con ± 0,5 mm por cada aumento de longitud de 500 mm.
En la superficie de la soldadura no se permiten defectos como grietas, falta de penetración, falta de fusión, porosidad superficial, escoria expuesta o soldaduras incompletas. En general, se exige que la altura de la soldadura de la boquilla sea ≤ 6 mm; las soldaduras en otras posiciones no deben sobresalir de la superficie inferior del cuerpo, y las soldaduras en el interior de las vigas de los módulos delanteros y traseros no deben sobresalir de la superficie interna.
La profundidad de la soldadura debe cumplir con los requisitos de los estándares pertinentes. La resistencia a la tracción de las uniones de soldadura por arco no debe ser inferior al 60 % del valor mínimo de resistencia a la tracción del material base; para las uniones de soldadura láser y por fricción, la resistencia a la tracción no debe ser inferior al 70 % del valor mínimo de resistencia a la tracción del material base.
Además, la soldadura del cuerpo inferior también debe cumplir con los estándares de hermeticidad IP67, por lo que, para el tratamiento posterior a la soldadura, se exige generalmente que las escorias y las soldaduras en el área de las vigas del módulo delantero y trasero se pulan; las soldaduras en el exterior de la bandeja no deben pulirse, y las soldaduras en las superficies de sellado deben estar pulidas uniformemente, sin diferencias de altura significativas con el marco.
Tabla: Selección de procesos de soldadura para cajas inferiores de refrigeración líquida para almacenamiento de energía y aplicaciones típicas
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Diseño de disipador de calor con aletas rectangulares
El propósito de un disipador de calor es aumentar el área de transferencia de calor dentro de un espacio de volumen determinado. Mejorando la forma de la estructura, se puede aumentar la eficiencia de transferencia de calor desde la superficie hacia el fluido circundante. Mediante tratamientos de superficie, entre otras técnicas, se aumenta el área efectiva de transferencia, logrando así mejorar la disipación de calor y controlar la temperatura.
En aplicaciones donde la densidad de potencia de volumen y la densidad de flujo térmico no son altas, los disipadores con aletas rectas y rectangulares son populares entre los ingenieros debido a su estructura simple, su costo de fabricación razonable y su buen rendimiento de disipación de calor.
Comparación de diferentes métodos de transferencia de calor
1-Diseño de aletas de disipador de calor
Un disipador de calor actúa como una superficie de disipación extendida, centrándose principalmente en parámetros como la altura, la forma, el espaciado de las aletas y el grosor de la placa base.
Dimensiones del disipador de calor de aletas planas
Según el diagrama anterior, se puede calcular el área de disipación extendida del disipador de calor:
Área de una sola aleta:Af = 2L（h+t/2），
Área de espacios：Ab= Lh，
Área total de disipación de calor: At=nAf +(n±1)Ab (n es el número de aletas).
Vista seccional de la aleta
La función principal de las aletas es aumentar la superficie para mejorar la eficiencia de la transferencia de calor.El espaciado, el grosor y la altura de las aletas son factores clave para determinar la cantidad, distribución y superficie de las aletas.Como se muestra en la imagen, cuando h↑ o t↓, las aletas son más altas, delgadas y densas, lo que permite una mayor superficie de disipación.
Cuando aumenta la superficie de las aletas, su contacto con el aire también aumenta, lo que facilita la disipación de calor.Los ingenieros también pueden aumentar la superficie de disipación optimizando la forma de las aletas, como onduladas o dentadas.
Aunque una mayor superficie de las aletas mejora la disipación de calor, no significa necesariamente que más grande siempre sea mejor.Ya sea con disipación natural o refrigeración forzada, el espaciado de las aletas es un factor importante para el coeficiente de transferencia de calor del aire.
Impacto del espacio y la altura de las aletas en la eficiencia de disipación de calor.
En condiciones de disipación natural, las variaciones de temperatura en la superficie del disipador generan convección natural y flujo de la capa límite de aire en las paredes de las aletas. Un espaciado demasiado estrecho puede obstaculizar este proceso.En condiciones de refrigeración forzada, el grosor de la capa límite en las aletas se comprime, permitiendo un espaciado más estrecho, pero está limitado por los métodos de fabricación y la fuerza motriz. Por lo tanto, es crucial equilibrar el grosor y la altura de las aletas.
2-Diseño de la base del disipador de calor
El grosor de la base es un factor importante que afecta la eficiencia del disipador de calor. Cuando la base es delgada, la resistencia térmica hacia las aletas alejadas de la fuente de calor es mayor, lo que provoca una distribución desigual de la temperatura y reduce la resistencia del disipador a los choques térmicos.
Aumentar el grosor de la base puede corregir la distribución desigual de la temperatura y mejorar la resistencia a los choques térmicos, aunque una base demasiado gruesa puede causar acumulación de calor y reducir la capacidad de conducción térmica.
Esquema del principio de funcionamiento del disipador térmico
Como se muestra en la imagen:
Cuando la superficie de la fuente de calor es menor que la de la placa base, el calor debe difundirse desde el centro hacia los bordes, formando una resistencia térmica de difusión. La ubicación de la fuente de calor también influye en esta resistencia. Si la fuente está cerca del borde del disipador, el calor se puede transferir más fácilmente por el borde, reduciendo así la resistencia de difusión.
Nota: La resistencia térmica de difusión se refiere a la resistencia que se encuentra en el diseño de un disipador de calor cuando el calor se difunde desde el centro de la fuente de calor hacia los bordes. Este fenómeno suele ocurrir cuando hay una gran diferencia entre el área de la fuente de calor y el área de la base, lo que hace que el calor deba difundirse de una zona más pequeña a una zona más grande.
3-Proceso de conexión entre las aletas y la placa base
El proceso de conexión entre las aletas y la placa base del disipador generalmente involucra varios métodos para asegurar una buena conductividad térmica y estabilidad mecánica. Se divide principalmente en dos categorías: integrado y no integrado.
En los disipadores integrados, las aletas y la placa base forman una sola pieza, sin resistencia térmica de contacto. Los métodos principales son los siguientes:
l Moldeo por inyección de aluminio: Al fundir el lingote de aluminio en estado líquido, se introduce a alta presión en un molde metálico, permitiendo que el disipador se forme directamente en la máquina de inyección, creando aletas con formas complejas.
l Extrusión de aluminio: Luego de calentar el aluminio, se coloca en un cilindro de extrusión y se aplica presión para que fluya a través de un molde específico, obteniendo un material bruto con la forma y tamaño de sección deseado, y se somete a procesos adicionales de corte y acabado.
l El tratamiento de forjado en frío tiene la ventaja de poder crear aletas de disipación finas con un alto coeficiente de conductividad térmica, aunque a un costo relativamente mayor. Es más adecuado para formas especiales en comparación con la extrusión de aluminio.
l Los disipadores con aletas fabricadas por fresado pueden ser de cobre, con alta conductividad térmica, y las aletas pueden ser muy finas. Las aletas se levantan directamente de la placa base con una herramienta, aunque altas tensiones pueden causar deformación si son muy largas o altas.
En la fabricación no integrada, las aletas de refrigeración y la placa base se procesan por separado y luego se ensamblan mediante soldadura, remachado o pegado. Los principales métodos son:
l Soldadura: Las aletas y la placa base se conectan mediante un material de soldadura, que incluye soldadura a alta temperatura y soldadura con pasta de estaño a baja temperatura;
La soldadura tiene buenas propiedades de transferencia de calor; al soldar sustratos de Al y aletas, se requiere un recubrimiento de níquel, lo que aumenta el costo y no es adecuado para disipadores de gran tamaño; al usar soldadura, no se necesita recubrimiento de níquel, pero el costo de soldadura sigue siendo alto.
l Remachado: Las aletas se insertan en la ranura de la placa base, luego la ranura se presiona hacia el centro mediante un molde, asegurando así un ajuste firme y una conexión sólida con las aletas de refrigeración.
La ventaja del remachado es su buena capacidad de transferencia de calor, pero los productos remachados tienen riesgo de generar espacios y aflojamientos tras un uso repetido; se puede mejorar el proceso de remachado para aumentar la fiabilidad, pero esto también incrementa los costos. Por lo tanto, los disipadores remachados se utilizan comúnmente en situaciones donde no se requieren altos niveles de fiabilidad.
l Adhesión: Generalmente se utiliza resina epóxica conductora de calor para pegar firmemente las aletas de refrigeración a la placa base, asegurando así la conducción de calor.
La adhesión utiliza resina epóxica conductora de calor, cuyo coeficiente de conductividad térmica es mucho más bajo que el de las soldaduras, pero es adecuada para aletas más altas, altas proporciones y disipadores de pequeño espaciado. Se puede utilizar en situaciones donde las exigencias de rendimiento térmico no son altas.
Actualizaremos periódicamente la información y las tecnologías relacionadas con el diseño térmico y la reducción de peso. Gracias por su interés en Walmate.
Lori Customer Cases
Lori is a heat sink manufacturer of design and manufacturing high power heat sink, we have provided innovative thermal solutions for many high power industry device such as Aerospace industry,Medical, Communication server, Consumer Electronics etc. Our solutions include high power heat pipe thermal mould, liquid cooling system, staked fin heat sink solution etc.
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Simulación de fluidos
Utilice software de simulación para analizar el rendimiento térmico de disipadores de calor y placas frías
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Escenarios de aplicación
Condiciones de trabajo:Escenario de alto flujo de calor
Diseño de instalación:Instalación de un solo lado
Aplicación típica: Para ser personalizado por los clientes
Características: Buen efecto de disipación de calor
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Escenarios de aplicación
Condiciones de trabajo: 0.5-1C
Diseño de instalación:Refrigeración líquida inferior
Aplicaciones típicas: 36s, 48s, 52s, 104s
Características: Buen efecto de disipación de calor
Carga de enfriamiento
El refrigerante pasa a través del evaporador para liberar el calor absorbido por la placa fría de la batería, y luego la electricidad generada por el funcionamiento de la bomba de agua se envía a la placa fría para absorber el calor generado por el equipo.
Características de la tecnología de refrigeración líquida
La tecnología de refrigeración líquida utiliza líquido como medio para el intercambio de calor. En comparación con el aire, el líquido tiene una mayor capacidad de transporte de calor y una menor resistencia al flujo, lo que puede proporcionar una disipación de calor más rápida y una mayor eficiencia de disipación de calor.Además, el sistema de refrigeración líquida no requiere el diseño de conductos de aire, lo que reduce el uso de componentes mecánicos como ventiladores, menores tasas de falla, bajo nivel de ruido, respeto al medio ambiente y ahorro de espacio. Es más adecuado para energía a gran escala. centrales de almacenamiento por encima del nivel de MW en el futuro en energía de batería. Se utiliza ampliamente en situaciones con alta densidad y velocidad de carga y descarga rápida.
Sistema de almacenamiento de energía en batería (BESS)
Un sistema de almacenamiento de energía en batería es un sistema de almacenamiento de energía que utiliza baterías como medio de almacenamiento de energía.A diferencia de los combustibles fósiles tradicionales, los sistemas de almacenamiento de energía en baterías pueden almacenar fuentes de energía renovables como la solar y la eólica y liberarlas cuando sea necesario para equilibrar la oferta y la demanda de energía.
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Sugerencias de optimización de DFM
Ayudarle a reducir posibles errores y defectos en el proceso de producción y garantizar que el producto cumpla con los estándares de calidad requeridos por el diseño durante la producción
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Escenarios de aplicación
Condiciones de trabajo:Escenario de alto flujo de calor
Diseño de instalación:Instalación de un solo lado
Aplicación típica: Para ser personalizado por los clientes
Características: Buen efecto de disipación de calor
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Escenarios de aplicación
Condiciones de trabajo: 0.5-1C
Diseño de instalación:Refrigeración líquida inferior
Aplicaciones típicas: 36s, 48s, 52s, 104s
Características: Buen efecto de disipación de calor
Refrigeración refrigerante
Durante el funcionamiento de la unidad, el evaporador (intercambiador de calor de placas) absorbe calor del sistema de circulación de refrigerante a través de la evaporación del refrigerante, donde la condensación del refrigerante libera el calor a estos ambientes de aire circundantes.El refrigerante condensado regresa al evaporador a través de la válvula de expansión y se repite el proceso de prueba del ciclo.
¿Por qué los sistemas de refrigeración líquida son cada vez más populares?
•La temperatura del paquete de baterías es más baja: bajo la misma temperatura de entrada y velocidad y caudal del viento extremos, la refrigeración líquida puede reducir más la temperatura y la temperatura máxima del paquete de baterías será de 3 a 5 grados Celsius más baja que la del aire. enfriamiento;
•Bajo consumo de energía operativa: para lograr la misma temperatura promedio de la batería, el consumo de energía operativa requerido para la refrigeración por aire es aproximadamente de 3 a 4 veces mayor que el de la refrigeración líquida;
•Bajo riesgo de fuga térmica de la batería: la solución de refrigeración líquida puede depender de un gran flujo de medio de enfriamiento para forzar al paquete de baterías a disipar el calor y realizar la redistribución del calor entre los módulos de la batería, inhibiendo rápidamente el deterioro continuo de la fuga térmica y reduciendo el riesgo de fuga;
•Menores costos de inversión: dado que el sistema de enfriamiento líquido es más fácil de garantizar que la batería funcione a una temperatura cómoda, puede extender la vida útil de la batería en más del 20% en comparación con el sistema de enfriamiento por aire. En términos de ciclo de vida integral, el líquido. La inversión en refrigeración es menor.
Artículo intermedio: Diseño hermético de la caja del paquete de refrigeración líquida para almacenamiento de energía
La posible falla de la hermeticidad del paquete de enfriamiento líquido del almacenamiento de energía involucra múltiples aspectos, tales como: fugas, corrosión y deposición, agua de condensación y otros modos de falla.
1- Interconexión y composición de fluidos
En el sistema de refrigeración líquida para almacenamiento de energía, la interconexión de fluidos es la encargada de transferir el refrigerante entre los distintos componentes. Mediante una interconexión de fluidos eficaz, se garantiza que el refrigerante circule de manera eficiente en el sistema, eliminando así el exceso de calor generado durante el proceso de carga y descarga de la batería.
Un sistema bien sellado puede prevenir eficazmente las fugas de refrigerante. Las fugas no solo provocarán la pérdida de refrigerante y requerirán una reposición frecuente, sino que también afectarán el rendimiento de disipación de calor y la estabilidad del sistema. En el almacenamiento de energía, las fugas de refrigerante también pueden provocar cortocircuitos en la batería, lo que provoca problemas de seguridad.
2-Diseño hermético del sistema de interconexión de fluidos
El diseño hermético del sistema de interconexión de fluidos es el vínculo clave para garantizar que el sistema mantenga el sellado y evite fugas de fluidos en diversas condiciones de operación.
Figura 1: Implementación típica de un sistema de refrigeración líquida para almacenamiento de energía
(1) Analizar posibles fuentes de fuga y puntos de riesgo en el sistema:
l La propiedad de autosellado del conjunto de refrigeración líquida. Por ejemplo, en el diseño integrado del sistema de canal de refrigeración líquida y la caja de empaque, los componentes están conectados mediante soldadura. Los defectos de calidad de la soldadura, la soldadura deficiente, los poros, las grietas, etc. pueden provocar problemas de filtración de líquido.
l El diseño estructural no es razonable. Por ejemplo, los orificios de posicionamiento o los orificios roscados de la caja de refrigeración por líquido están demasiado cerca del canal de flujo y las piezas mal soldadas pueden convertirse fácilmente en canales de filtración de líquido.
l Piezas de conexión: Las conexiones de tuberías, válvulas y juntas del sistema de refrigeración líquida son puntos de fuga habituales. Si la estructura de conexión no está diseñada correctamente o el proceso de fabricación no es sofisticado, pueden aparecer pequeños defectos en el interior de las juntas y el refrigerante también puede filtrarse por estos defectos.
l Fugas causadas por una instalación incorrecta, envejecimiento o daños del material, etc.
(2) Diseño de la estructura de sellado:
l El PACK refrigerado por líquido utiliza un método de refrigeración por placa fría separada por vía seca y húmeda. En condiciones normales de funcionamiento, las celdas de la batería no tienen contacto con el refrigerante, lo que puede garantizar el funcionamiento normal de las celdas de la batería. Una solución para el enfriador de líquido de almacenamiento de energía es formarlo mediante un proceso de extrusión, integrar el canal de flujo directamente en la placa fría y luego utilizar un procesamiento mecánico para abrir la ruta de circulación de refrigeración. En este proceso, la elección del proceso de soldadura adecuado es un paso importante para garantizar el sellado. Para obtener más información, consulte "Diseño del proceso de soldadura para la caja inferior para almacenamiento de energía".
l Las tuberías de refrigeración líquida se utilizan principalmente para conexiones de tuberías blandas (duras) de transición entre fuentes de refrigeración líquida y equipos, entre equipos y entre equipos y tuberías. Los principales métodos de conexión son:
Conexión rápida: Uno de los métodos de conexión para los sistemas de refrigeración líquida de almacenamiento de energía es utilizar la conexión rápida VDA o CQC.
Conexión roscada: Ambos extremos de la estructura de conexión están conectados de forma deslizante con tuberías, y la conexión roscada entre el anillo de rosca interno y el manguito roscado aumenta la firmeza de la conexión.
Conexión de la tubería limitadora y la tuerca: Se sujeta una tubería de conexión en un extremo de la tubería y se instalan tuberías limitadoras de forma fija en ambos lados de la tubería de conexión. Se instalan arandelas de goma y anillos convexos de forma fija dentro de las tuberías limitadoras, y se abre una ranura para el anillo limitador en la superficie de la cabeza de la tubería de conexión. Una tuerca se conecta de forma giratoria a la parte superior del tubo limitador y se conecta de forma giratoria al tubo limitador a través de roscas.
Conexión del anillo de sellado: un anillo de sellado se adhiere a la pared interior del manguito roscado mediante un pegamento fuerte, y la pared interior del anillo de sellado está conectada de forma móvil a la superficie exterior de la tubería para evitar fugas durante el uso.
(3) La placa de refrigeración líquida PACK, la interfaz de la cabina, la tubería de la cabina, etc. están diseñadas con protección contra la corrosión a largo plazo en condiciones de refrigerante, temperatura y caudal comunes para garantizar un funcionamiento a largo plazo sin corrosión. Efecto de las condiciones de funcionamiento en la hermeticidad del líquido:
l Temperatura. Influencia de las altas temperaturas: A medida que aumenta la temperatura, la viscosidad del líquido generalmente disminuye, lo que puede hacer que el rendimiento de sellado del líquido disminuya, afectando así la hermeticidad del líquido. Por ejemplo, ciertos materiales de sellado pueden deformarse o deteriorarse a altas temperaturas, provocando fugas. Influencia de las bajas temperaturas: En un entorno de bajas temperaturas, el líquido puede volverse viscoso, aumentando la dificultad de flujo, pero también puede mejorar el rendimiento del material de sellado, mejorando así la hermeticidad del líquido hasta cierto punto.
l Presión. Entorno de alta presión: bajo alta presión, la densidad y la viscosidad del líquido pueden aumentar, mejorando así el rendimiento de sellado del líquido. Sin embargo, una presión excesiva también puede dañar el material de sellado y provocar fugas. Entorno de baja presión: bajo baja presión, el rendimiento de sellado del líquido puede ser relativamente débil, especialmente si el material de sellado en sí es defectuoso o viejo, es más probable que haya fugas.
l Caudal. Caudal alto: cuando el líquido fluye a alta velocidad, puede producir una gran fuerza de impacto en la superficie de sellado, lo que provoca desgaste o deformación del material de sellado, lo que afecta la hermeticidad del líquido. Caudal bajo: a un caudal bajo, el rendimiento de sellado del líquido es relativamente bueno, pero esto también puede ocultar algunos posibles problemas de sellado, como defectos menores en el material.
3-Problemas de corrosión y deposición
l El impacto del bloqueo en la hermeticidad del aire:
El refrigerante, los depósitos o el crecimiento de la caldera pueden provocar bloqueos internos, un flujo deficiente del refrigerante y una reducción de la eficiencia de enfriamiento.
Incrustaciones y incrustaciones: los minerales presentes en el refrigerante pueden formar depósitos en la pared interior de la tubería después de un funcionamiento prolongado, lo que se denomina "incrustaciones". Las incrustaciones también pueden formarse debido a la precipitación de partículas sólidas, la cristalización, la corrosión o la actividad microbiana. Esta suciedad obstruirá las tuberías y las placas de refrigeración, aumentará la resistencia al flujo y reducirá la eficiencia de la transferencia de calor.
Problema de espuma: se puede generar espuma en el sistema de refrigeración líquida. La espuma se adherirá a la superficie de la placa fría, lo que provocará una disminución del efecto de transferencia de calor y puede aumentar la resistencia en el funcionamiento del sistema, provocar corrosión por cavitación en la bomba, etc., y dañar el equipo.
l La influencia de las corrientes de Foucault en la hermeticidad del aire:
Cuando un fluido fluye por una tubería o un hueco, los cambios de velocidad pueden provocar la formación de remolinos, especialmente cuando el fluido pasa por partes estrechas u obstáculos, es más probable que se formen remolinos. La viscosidad y la densidad del fluido también afectan la generación de vórtices. Los fluidos con mayor viscosidad tienen más probabilidades de formar vórtices, mientras que los fluidos con mayor densidad pueden debilitar la formación de vórtices.
Caminos de fuga: Las corrientes de Foucault forman vórtices en las superficies de contacto, que pueden generar pequeños caminos de fuga en espacios o superficies irregulares, lo que provoca fugas de gas o líquido.
Desgaste de la superficie: el flujo en remolino puede provocar el desgaste de las superficies de contacto, especialmente en condiciones de flujo de alta velocidad. Este desgaste puede reducir aún más la hermeticidad del aire porque las superficies desgastadas tienen más probabilidades de formar nuevos canales de fuga.
Efectos térmicos: El flujo de corrientes de Foucault genera calor, lo que puede provocar deformación o expansión térmica del material de la superficie de contacto, afectando así la hermeticidad, especialmente en sistemas con grandes cambios de temperatura.
4-Problema de agua de condensación
En determinadas condiciones, puede formarse condensación en las líneas de refrigeración líquida, lo que puede provocar daños en el equipo o reducir la eficiencia. Falla del aislamiento: si el material de aislamiento de la tubería está dañado o envejecido, se perderá calor y se verá afectado el efecto de refrigeración. Especialmente en entornos de baja temperatura, la falla del aislamiento puede provocar la formación de escarcha o hielo en la superficie de la tubería. Agrietamiento por escarcha: en entornos fríos, si no se toman las medidas anticongelantes adecuadas, el refrigerante de las tuberías puede congelarse y provocar la rotura de las mismas.
Soluciones
l Medidas de sellado: Asegúrese de que la entrada y la salida de la tubería de refrigeración líquida estén completamente bloqueadas para evitar que el aire húmedo externo ingrese al compartimiento de la batería.
l Equipo de deshumidificación: Instale un acondicionador de aire deshumidificador o utilice la función de deshumidificación para mantener la humedad en el compartimiento de la batería dentro de un rango apropiado.
l Control de temperatura: Mediante la instalación de sistemas de aire acondicionado o ventilación, se puede controlar la temperatura y la humedad del ambiente donde se ubica el armario de almacenamiento de energía. Por ejemplo, se puede mantener la temperatura a 20-25 grados centígrados y la humedad relativa se puede controlar a un 40%-60%.
l Medidas de aislamiento: Aislamiento simple de los racks de baterías vacíos para evitar que la humedad entre en el compartimento que contiene el grupo de baterías.
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Paquete de almacenamiento de energía con diseño completamente sellado丨Artículo anterior
El diseño completamente sellado del paquete de almacenamiento de energía es la clave para garantizar su seguridad y un funcionamiento estable a largo plazo. El sellado es esencialmente el uso de un dispositivo para cerrar (sellar) un espacio o hacer que una junta sea a prueba de fugas. El diseño completamente sellado puede prevenir eficazmente la fuga de líquido y gas dentro de la celda de la batería, lo que es crucial para garantizar el funcionamiento seguro y estable del sistema de almacenamiento de energía. Por lo tanto, al diseñar, se deben considerar tanto la hermeticidad del aire como el sellado del medio líquido.
En la práctica, el diseño del sellado de los paquetes de almacenamiento de energía debe tener en cuenta de manera integral múltiples factores, como materiales, procesos, equipos de prueba, condiciones ambientales y procesos de fabricación, para garantizar que su rendimiento de sellado pueda cumplir con los estándares esperados. Este artículo explica la práctica de aplicación y los puntos clave del diseño del sellado de los paquetes de almacenamiento de energía en la ingeniería real desde los aspectos de hermeticidad de la caja del paquete, hermeticidad del líquido del ciclo de enfriamiento del líquido y medio de enfriamiento del líquido.
Artículo anterior: Diseño hermético de la caja del paquete de almacenamiento de energía
El diseño de sellado ayuda a mantener estable la temperatura y la presión dentro del paquete de almacenamiento de energía, lo que desempeña un papel clave en el funcionamiento y el rendimiento normales de la batería; y el diseño de sellado puede reducir el impacto del entorno externo en la batería interna, como la humedad, el polvo y otros contaminantes, etc., mejorando así la confiabilidad y la vida útil del sistema. Además, el uso de materiales y estructuras de sellado adecuados puede mejorar de manera efectiva la resistencia al desgaste y al envejecimiento de los sellos, mejorar la durabilidad de todo el sistema de almacenamiento de energía y reducir los costos de mantenimiento.
La idea general del diseño hermético es analizar la estructura de la caja para descubrir las áreas clave donde pueden existir fugas y luego tomar medidas específicas de acuerdo con el rendimiento específico y los requisitos funcionales de las diferentes áreas.
1-Análisis de la estructura de la caja
La caja no es solo el soporte físico de los módulos de batería y los componentes eléctricos, sino también una garantía importante para el funcionamiento seguro y fiable de todo el sistema de almacenamiento de energía. Es el "esqueleto" del paquete de almacenamiento de energía, que generalmente está compuesto por una tapa superior, una caja inferior, componentes de soporte y piezas de sellado y pernos, etc.
Figura 1: Diagrama esquemático de la caja del paquete de almacenamiento de energía y áreas clave de enfoque en el diseño de sellado (por ejemplo, marcadas con flechas rojas)
Como se muestra en la figura anterior, averigüe dónde pueden ocurrir posibles fugas:
l Puntos de conexión de múltiples piezas, como: la interfaz de ensamblaje entre la cubierta superior y la caja inferior, la interfaz de instalación entre los conectores de alto y bajo voltaje y la caja, la interfaz de instalación entre los componentes expuestos y la caja de la batería, etc.
l Si se utilizan pernos para la conexión, también puede haber riesgo de fugas en el punto de instalación y fijación, como la interfaz eléctrica y la interfaz de instalación del panel frontal de la caja.
l No debe haber agujeros ni espacios en la tapa superior ni en el cuerpo inferior de la caja para garantizar el sellado y el rendimiento protector de la caja.
Figura 2: Caja inferior de refrigeración líquida por inmersión (marco de chapa metálica + placa inferior de refrigeración líquida de aluminio)
2- Diseño de sellado de la interfaz de instalación entre la tapa superior y la caja inferior
La cubierta superior generalmente se puede dividir en dos tipos: tipo plano y tipo de forma especial. Sus características estructurales también son diferentes. Por ejemplo, material compuesto SMC, aluminio, sin importar qué material, para reducir la complejidad de la estructura autosellante, la cubierta superior de la carcasa de la batería La cubierta generalmente tiene un diseño de una sola pieza. Además, los requisitos de apertura de la cubierta superior también deben cumplir con los requisitos de la interfaz y deben ser independientes de la interfaz de sellado para reducir el impacto en el sellado del paquete de baterías. El diseño del sello de la cubierta superior generalmente sigue los siguientes principios:
l Se adopta el diseño de piezas integradas para evitar el diseño de piezas separadas, garantizando así la estabilidad del rendimiento de "autosellado" de la cubierta superior.
l Los orificios de posicionamiento y las características de posicionamiento están diseñados en el borde de la cubierta superior (fuera de la interfaz de sellado entre la cubierta superior y la bandeja inferior).
l La interfaz de sellado entre la cubierta superior y el cuerpo de la caja inferior requiere una superficie coincidente para cumplir con los requisitos de sellado "uniforme" y "continuo".
En la actualidad, las principales soluciones para la caja inferior del paquete de almacenamiento de energía son: caja de chapa metálica + placa de refrigeración líquida, caja de fundición a presión + placa de refrigeración líquida, caja integrada de perfil, caja integrada de fundición a presión, etc. Entre ellas, la caja integrada de perfil y otras soluciones Por el contrario, tiene las ventajas de una buena capacidad de carga del canal de flujo y un bajo coste de apertura del molde, y es ampliamente utilizada. La elección del proceso de soldadura tiene una gran influencia en el rendimiento del sellado. Para soldaduras de diferentes materiales y espesores, la elección de un método de soldadura adecuado puede mejorar eficazmente la calidad de la soldadura para garantizar la resistencia general y el rendimiento de sellado del sistema.
Además, el diseño de sellado de la caja inferior debe seguir los siguientes principios de sellado:
l Para la construcción del marco se utilizan perfiles de sección cerrada y en las juntas se utiliza tecnología de conexión lineal autosellante, como la tecnología de soldadura CMT.
l Las bandejas de batería hechas de perfiles de aluminio deben diseñarse con una o más capas continuas de coloide de sellado.
l En el caso de una placa de refrigeración líquida integrada en la caja inferior, es necesario considerar el uso de sellos coloidales o tecnologías de conexión lineal autosellantes, como la tecnología de soldadura por fricción y agitación FSW.
l La interfaz de sellado entre la tapa superior y el cuerpo de la caja inferior necesita una superficie que coincida con los requisitos de sellado "uniforme" y "continuo". Si es necesario, la interfaz de sellado debe mecanizarse y pulirse.
Figura 3: Formas de sellado comunes entre la tapa superior y la caja inferior
Por lo general, la cubierta superior y la caja inferior de la caja del paquete de almacenamiento de energía adoptan un diseño de brida doblada y junta de sellado, como se muestra en la Figura 2. La cubierta superior, el cuerpo de la caja inferior y la junta de sellado están completamente compactados y acoplados mediante pernos de fijación para garantizar que la caja del paquete cumpla con los requisitos relevantes de IP67.
3- Diseño de sellado de las interfaces eléctricas y de comunicación y de la interfaz de instalación del panel frontal de la caja inferior
El panel frontal de la caja (como se muestra en la Figura 3) está mecanizado con agujeros en el perfil extruido para instalar interfaces eléctricas y de comunicación para lograr funciones tales como transmisión de corriente, interacción de comunicación y control de seguridad.
Figura 4: Interfaz de instalación eléctrica, de comunicación y del panel frontal del gabinete inferior
La hermeticidad de la interfaz de instalación entre la caja y las interfaces eléctricas, de comunicación y otras, deberá seguir los siguientes principios:
l La forma de la interfaz está diseñada para ser aerodinámica para reducir la posibilidad de acumulación y penetración de gas y líquido en la interfaz.
l La alineación precisa evita espacios causados por la desalineación de las interfaces durante la instalación.
l Selle previamente la interfaz antes de la instalación y agregue almohadillas antivibración o selladores para mejorar el efecto de sellado inicial o reducir la falla de sellado causada por la vibración.
Además, en cuanto a la selección de elementos de fijación, se utilizan elementos de fijación de alta resistencia y alto par, que se aprietan varias veces durante el proceso de instalación para garantizar la estanqueidad de la interfaz. Por ejemplo, si se utiliza una tuerca de soldadura a tope, su característica es que se puede conectar directamente al orificio de la pared de la parte conectada (el panel frontal de la caja) para la soldadura a tope. Este diseño estructural puede mejorar significativamente la hermeticidad de la parte de conexión.
Figura 5: Uso de tuercas soldadas a tope para aumentar la hermeticidad
4-Seleccionar Sello
El diseño y la selección de los sellos son fundamentales, ya que afectan directamente la confiabilidad y la vida útil del sistema. A continuación, se indican los factores clave que se deben tener en cuenta al diseñar y seleccionar sellos para sistemas de refrigeración líquida con almacenamiento de energía:
l El material de sellado debe tener cierta compatibilidad química y de presión, y ser capaz de soportar el rango de temperatura de funcionamiento del sistema, incluidos entornos de alta y baja temperatura. La selección del material del sello depende del entorno de uso y los requisitos de vida útil. Los materiales de sellado comunes incluyen caucho, politetrafluoroetileno (PTFE), nailon, metal, etc.
l Libre de fugas: el sello debe poder adaptarse a la ligera deformación que pueda ocurrir en el sistema durante el funcionamiento para garantizar un buen efecto de sellado en diversas condiciones de trabajo. Generalmente, la deformación de la junta debe ser mayor al 30% y menor al 60%, y la presión de la interfaz de sellado debe ser mayor a 30 kPa.
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Diseño y desarrollo de paquetes de baterías livianos de múltiples materiales
En los vehículos eléctricos puros, el peso del paquete de baterías representa aproximadamente el 30% del peso en vacío. El peso ligero del paquete de baterías es de gran importancia para mejorar la autonomía de crucero del vehículo. Por lo tanto, la investigación sobre la alta energía específica de los paquetes de baterías es una de las principales direcciones de investigación actuales para los vehículos de nueva energía, y también es la principal forma de lograr vehículos eléctricos livianos. El aligeramiento de los paquetes de baterías de potencia se puede llevar a cabo en dos direcciones: mejorando las celdas individuales Se optimiza la densidad energética del paquete de baterías y se optimizan los accesorios relacionados con el paquete de baterías.
El desarrollo de paquetes de baterías ligeros de múltiples materiales tiene como objetivo reducir el peso del paquete de baterías, aumentar la densidad energética y la autonomía de crucero, al tiempo que se garantiza la seguridad y la fiabilidad mediante el uso de una variedad de materiales ligeros. Entre los componentes principales del paquete de baterías, el cuerpo de la celda de la batería tiene la mayor masa, seguido de la caja inferior del paquete, la cubierta superior y los componentes integrados del BMS.
1-Diseño liviano de la cubierta del paquete de batería
La tapa superior de la caja de la batería se encuentra por encima de la caja de la batería de potencia y no se ve afectada por los lados de la caja de la batería de potencia y no afectará la calidad de todo el paquete de baterías. Sus funciones incluyen principalmente el sellado y la protección. Para mejorar la eficiencia energética de todo el vehículo, también se considerarán materiales livianos en el diseño. El uso de materiales livianos, como aleaciones de aluminio y materiales compuestos (SMC, FRP, etc.), puede reducir significativamente el peso del paquete de baterías.
Además, el diseño estructural de la cubierta superior también debe tener en cuenta la eficiencia de fabricación y los requisitos de producción en masa. Cuando la estructura es muy irregular, puede resultar difícil utilizar el estampado, el doblado y la soldadura a medida. El diseño de la cubierta superior también debe tener en cuenta la conexión y la cooperación con otros componentes, como la caja inferior y las piezas estructurales de sellado, para garantizar la estabilidad estructural y la fiabilidad de toda la caja de la batería.
2-Diseño liviano de la carcasa inferior del paquete de baterías
La aleación de aluminio es un material ideal para las carcasas de los paquetes de baterías debido a su baja densidad, alta resistencia específica, buena estabilidad térmica, fuerte resistencia a la corrosión, buena conductividad térmica, no es magnética, es fácil de moldear y tiene un alto valor de reciclaje. Los materiales de aleación de aluminio más utilizados son 6061-T6, 6005A-T6 y 6063-T6. Estos materiales tienen diferentes límites de elasticidad y resistencias a la tracción y pueden satisfacer diferentes necesidades estructurales.
La carcasa del paquete de baterías generalmente está compuesta por un marco de perfil de aleación de aluminio y una placa inferior, que se suelda utilizando perfiles extruidos de aleación de aluminio de la serie 6. Durante el diseño, se deben tener en cuenta factores como el tamaño y la complejidad de la sección del perfil, el espesor de la pared, etc. para adaptarse a diferentes requisitos estructurales y funcionales. Por ejemplo, los componentes como marcos, particiones intermedias, paneles de piso, vigas, etc. pueden adoptar diferentes diseños de sección transversal.
A través de un diseño estructural y métodos de conexión razonables, se puede garantizar de manera efectiva la resistencia general de la carcasa, se puede reducir la dificultad de procesamiento y se puede reducir el peso de la carcasa:
l lParedes delgadas: al adoptar un diseño de paredes delgadas y usar refuerzos para cumplir con los requisitos de resistencia, se puede reducir de manera efectiva el peso del material.
l Vaciado: Introducción de perfiles huecos en el diseño estructural para reducir la densidad del material.
l Optimización del tamaño: optimice el tamaño de la batería para reducir el uso innecesario de material.
l Optimización de la topología: reduce el espacio ocupado por los materiales optimizando la disposición de los componentes internos del paquete de baterías.
l Diseño modular integrado: integre placas de enfriamiento, orejetas de elevación del paquete de baterías y otros componentes en la caja para reducir la cantidad y el peso de los componentes individuales.
3-Fabricación de tecnología ligera
l Modelado de materiales
En la actualidad, existen tres categorías principales de procesos de formación de material de caja de batería: estampado, fundición a presión de aleación de aluminio y extrusión de aleación de aluminio. El flujo de proceso general de la caja de batería de potencia incluye procesos de moldeo y conexión de material, entre los cuales el proceso de moldeo de material es el proceso clave de la caja de batería de potencia. En la actualidad, la carcasa superior se estampa principalmente, y los principales procesos de la carcasa inferior son el moldeo por extrusión y la fundición a presión de aleación de aluminio.
l Tecnología de conexión
El proceso de conexión de la caja de la batería es crucial en la fabricación de vehículos de nueva energía e involucra una variedad de tecnologías y métodos para garantizar la resistencia estructural y el sellado de la caja de la batería.
La soldadura es el principal proceso de conexión en el procesamiento de cajas de baterías y se utiliza ampliamente. Incluye principalmente los siguientes métodos:
① Soldadura por fusión tradicional: como TIG (soldadura con gas inerte de tungsteno) y MIG (soldadura con gas inerte de metal). La soldadura TIG tiene baja velocidad y alta calidad. Es adecuada para soldadura por puntos y soldadura de trayectoria compleja. Se utiliza a menudo para soldadura a medida de marcos y soldadura de piezas pequeñas de vigas laterales. La soldadura MIG tiene alta velocidad y fuerte capacidad de penetración, y es adecuada para soldadura de círculo completo dentro del conjunto de placa inferior del marco.
② Soldadura por fricción y agitación: La soldadura se logra generando calor a través de la fricción. Tiene las características de una buena calidad de unión y una alta eficiencia de producción.
③Tecnología de transferencia de metal en frío: es adecuada para materiales de placas delgadas. No hay aporte de calor durante el proceso de soldadura, lo que reduce la deformación.
④Soldadura láser: alta precisión, alta velocidad, adecuada para soldadura de estructuras complejas.
⑤ Soldadura por pernos y soldadura por proyección: se utilizan para la conexión rápida de piezas específicas. La soldadura por pernos se fija mediante pernos y tuercas, y la soldadura por proyección se conecta mediante protuberancias de presión.
El método de conexión mecánica resuelve principalmente los problemas de fácil soldadura y deslizamiento de la rosca de materiales de placa delgada durante la soldadura, incluyendo:
① Tuerca remachable ciega: se utiliza para conectar la superficie de sellado del marco de la caja y la placa inferior de la cavidad interna. Tiene las ventajas de una alta eficiencia de fijación y un bajo costo de uso. Adecuada para conexiones roscadas entre placas delgadas y otros componentes.
②Inserto de rosca de alambre: se utiliza para reforzar los orificios de los tornillos de aluminio u otros cuerpos de baja resistencia, mejorar la capacidad de carga de los tornillos y la distribución de la fuerza de las roscas, y es adecuado para orificios de montaje de módulos de batería y orificios de montaje de superficies de sellado. En comparación con las tuercas remachables ciegas, los insertos de rosca de alambre son más fuertes y más fáciles de reparar, pero generalmente no son adecuados para instalaciones de paredes delgadas.
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Plataformas de baterías y desarrollo de cajas de baterías
Para hacer frente a las demandas del mercado, como grandes extensiones, iteraciones rápidas y líneas de productos ricas, al mismo tiempo que se garantiza la reducción de costos, la mejora de la eficiencia y el control de calidad, para la industria automotriz, la estandarización de productos (plataformatización de vehículos) es, sin duda, una buena estrategia. A través de la plataformatización de baterías, se puede combinar la misma solución de paquete de baterías para diferentes modelos, o se pueden combinar soluciones de paquetes de baterías compuestas por el mismo tipo de celdas de batería y estructuras similares. Esto significa que se pueden estandarizar tantas piezas como sea posible, lo que puede acortar el ciclo de desarrollo, ahorrar costos, agilizar las líneas de producción y mejorar la eficiencia de la producción.
Primero:Plataformatización de baterías
La solución de la plataforma de baterías favorece la planificación general de los productos, la reducción de costes y la optimización de la capacidad de producción. De acuerdo con la estrategia de la plataforma de baterías de la plataforma del vehículo, es necesario considerar la intersección y el ancho de banda de los requisitos de cada modelo de la plataforma, y utilizar la menor cantidad posible de baterías y soluciones de baterías para que sean compatibles con la mayor cantidad posible de modelos. En el desarrollo de la arquitectura de los proyectos eléctricos puros, es crucial organizar razonablemente el paquete de baterías de energía integrado. Los elementos de trabajo específicos incluyen los requisitos de potencia y rendimiento de potencia, seguridad contra colisiones, ubicación y espacio de diseño, etc.
1- Límites de tamaño espacial y estandarización de celdas de batería
l Ubicaciones de paquetes de baterías disponibles
En la actualidad, la disposición de la batería de alimentación principal se encuentra debajo del piso, incluso debajo de los asientos delanteros, debajo de los asientos traseros, en el canal central y en el reposapiés. Esta disposición puede maximizar el área disponible, ayudar a bajar el centro de gravedad del vehículo, mejorar la estabilidad de manejo del vehículo y optimizar la trayectoria de transmisión de la fuerza de colisión.
Figura 1: Disposición del paquete de baterías durante el desarrollo de vehículos eléctricos
l Evolución de la distribución del espacio de los paquetes de baterías
Paquete de batería dividido: se adopta un diseño de espacio de paquete de batería dividido, como en la serie JAC Tongyue. El módulo de energía consta de dos paquetes de baterías, uno ubicado en la posición del tanque de combustible original y el otro ubicado en el maletero donde se almacena la llanta de repuesto.
Además, los ingenieros están explorando continuamente el espacio utilizable dentro de la arquitectura original de los vehículos de combustible, lo que da como resultado diseños de paquetes de baterías que aparecen en formas de "工" , "T" y "土"
Este tipo de diseño es una modificación menor de un vehículo de combustible tradicional. El espacio es muy limitado, y el volumen y el peso del paquete de baterías que se puede cargar son muy limitados, por lo que la capacidad es difícil de aumentar y la autonomía de crucero no es alta.
Paquete de baterías integrado: se trata de un nuevo concepto de diseño de producto. El diseño de todo el vehículo gira en torno al componente principal: el paquete de baterías. El paquete de baterías tiene un diseño modular y se coloca de forma plana sobre el chasis del vehículo para maximizar el espacio disponible.
l Disposición de los puntos de instalación del paquete de baterías
La disposición razonable del paquete de baterías es crucial, y los factores limitantes en el diseño son la distancia al suelo, la transitabilidad, la seguridad en caso de colisión, los requisitos de energía y muchos otros aspectos.
Figura 2: Restricciones de diseño del tamaño del paquete de baterías
La plataforma del vehículo debe definir la categoría, el nivel y la posición de cada modelo de vehículo dentro de la plataforma, y luego determinar el tamaño y la distancia entre ejes del vehículo. El diseño del vehículo descompone la envolvente de tamaño del paquete de baterías en las direcciones X, Y y Z de acuerdo con el espacio del vehículo. La batería debe estar dispuesta dentro de la envolvente dada del vehículo para garantizar que no haya interferencias entre los diversos sistemas del vehículo. El índice de peso en vacío puede descomponer los requisitos de calidad del sistema del paquete de baterías.
En términos de tamaño de la batería, el diseño de los paquetes de baterías de potencia no puede evitar indicadores de referencia rígidos como el espacio del vehículo y el peso en vacío, lo que significa que existe un umbral para el diseño de las celdas de la batería. Limitado por este umbral, el tamaño de la celda de la batería se concentrará en un rango determinado, como: la longitud de las celdas de batería cuadradas varía de 150 a 220 mm, el ancho varía de 20 a 80 mm y la altura varía alrededor de 100 mm. La tendencia cambiante de las especificaciones del tamaño de las celdas de la batería es el resultado de la relación complementaria entre la plataforma del vehículo y la estandarización de la batería.
Sin embargo, las estrategias de plataformas de baterías, los modelos de vehículos y la comprensión de la estandarización de los distintos fabricantes de automóviles son diferentes, lo que da como resultado diferencias significativas en las soluciones de productos actuales. Por ejemplo, la estrategia de estandarización de BYD es reemplazar por completo la batería de cuchillas, cuyo tamaño está fijado en 960*13,5 (14)*90 (102) mm, y el voltaje de celda única es 3,2/3,3 V.
2- Desarrollo de límites de resistencia y soluciones de capacidad de batería
La batería de potencia proporciona energía para que el vehículo se desplace: la capacidad de la batería, la profundidad de descarga y la densidad de energía afectan la cantidad de energía disponible. Para satisfacer las necesidades de los diferentes modelos, la diferencia en el consumo de energía de los modelos se ha convertido en una preocupación importante. La autonomía de crucero del vehículo se verá afectada por factores como la propulsión eléctrica, la batería, el peso en vacío, la resistencia al viento, la resistencia mecánica, el consumo de energía de bajo voltaje y la recuperación de energía. La posibilidad de compartir soluciones de batería entre modelos con grandes diferencias en el consumo de energía es débil, por lo que es necesario desarrollar soluciones de energía de batería personalizadas, que incluyan el tamaño de la batería, la calidad, la potencia y la optimización del rendimiento de la energía para cumplir con los requisitos del rendimiento de crucero.
En el marco de las limitaciones de la autonomía eléctrica pura de la plataforma de fabricación de vehículos, la descarga neta requerida por la batería se verá afectada por el consumo de energía de los diferentes modelos. Es necesario confirmar la distribución del consumo de energía de cada modelo en la plataforma para convertir aún más el ancho de banda del consumo de energía en la distribución de la demanda de la batería y, a continuación, determinar el plan de energía de la batería requerido por la plataforma.
3-Límite de rendimiento de 3 potencias
La potencia del vehículo completo incluye el rendimiento de potencia en diferentes estados de carga (SOC) y temperaturas ambientales, como aceleración, velocidad constante y modo de ahorro de energía. Esto se traduce en las características de potencia-voltaje de la batería en diferentes SOC y temperaturas, donde la potencia de la batería corresponde a los requisitos de potencia del sistema de propulsión del vehículo y el voltaje corresponde a los requisitos de voltaje nominal del motor de tracción.
Generalmente, la evaluación de soluciones de batería para toda la plataforma del vehículo comienza desde el tiempo de aceleración de 100 kilómetros a temperatura normal y alta potencia y su descomposición del indicador de batería, y se extiende gradualmente hasta la descomposición del indicador de batería en todo el rango y bajo todas las condiciones de operación.
SEGUNDO: Desarrollo de la caja de batería
1- Integración y modularización de baterías
Optimizar el diseño de los módulos de batería, mejorar la integración y modularidad de los paquetes de baterías, reducir los componentes inactivos y aumentar la densidad energética de los paquetes de baterías.
Las tecnologías de integración de paquetes de baterías más populares en la actualidad incluyen CTP, CTB, CTC y otras formas. La forma, el material y la combinación de piezas han cambiado con el avance de la tecnología de integración. La dirección general es la integración y la integración. Al reducir la cantidad de piezas independientes y usar una pieza grande para reemplazar varias piezas, se forman componentes más grandes y más funcionales.
2-Diseño de caja de batería
La caja de la batería es el portador del conjunto del sistema de batería de potencia, desempeña un papel clave en el funcionamiento seguro y la protección del producto, y afecta directamente a la seguridad de todo el vehículo. El diseño estructural de la caja de la batería incluye principalmente la selección de materiales de carcasa para la carcasa superior, la carcasa inferior y otros componentes de la caja de la batería, y la selección de soluciones de proceso de fabricación. La cubierta superior de la caja de la batería desempeña principalmente una función de sellado y no está sujeta a mucha fuerza; la carcasa inferior de la caja de la batería es el portador de todo el producto del sistema de batería de potencia, y el módulo de batería está dispuesto principalmente en la carcasa inferior. Por lo tanto, debe haber medidas estructurales como ranuras incrustadas y deflectores dentro de la caja de la batería para garantizar que el módulo de batería esté fijado de manera confiable cuando el vehículo está conduciendo, y no haya movimiento en las direcciones delantera, trasera, izquierda, derecha, arriba y abajo, para evitar el impacto en las paredes laterales y la cubierta superior y afectar la vida útil de la caja de la batería.
Figura 3: Solución de caja inferior de batería, marco a-skin, soldadura b-FSW + marco, soldadura c-FSW + marco
l Diseño de la estructura del punto de instalación del paquete de baterías y fijación de la conexión
El punto de instalación del paquete de baterías generalmente adopta una estructura de viga de montaje, que se extiende a través de la parte delantera y trasera, y el extremo delantero está conectado a la viga longitudinal de la cabina delantera para formar una estructura de viga cerrada eficaz y coherente. Los puntos de instalación están razonablemente dispuestos de acuerdo con la distribución del peso del paquete de baterías. El paquete de baterías y el vehículo se fijan de varias maneras, incluida la fijación con pernos, la fijación mecánica + conexión híbrida de unión adhesiva, conexión a presión, etc.
Figura 4: Disposición del paquete de baterías y sección de instalación
El paquete de baterías de potencia se instala generalmente en el vehículo mediante múltiples estructuras de argollas de elevación. Además del gran peso del propio paquete de baterías de potencia, las argollas de elevación también deben soportar la excitación de la carretera provocada por el movimiento del vehículo, como caminos de piedra y baches profundos. Estas condiciones de trabajo duraderas y las condiciones de uso indebido imponen mayores requisitos a la resistencia de la estructura de las argollas de elevación.
Figura 5: Diferentes soluciones de conexión de orejetas de elevación: a Orejeta de elevación soldada b Orejeta de elevación de marco de aluminio extruido
l Estructura de seguridad y protección de la caja de batería
Resistencia mecánica y protección: La caja de la batería debe tener suficiente resistencia mecánica para proteger las baterías en su interior de golpes e impactos mecánicos. La caja de la batería debe poder soportar vibraciones, extrusiones y golpes mecánicos para garantizar la seguridad de la batería en diversas condiciones.
Protección contra colisiones: el diseño de la caja de la batería debe tener en cuenta la seguridad contra colisiones, especialmente en caso de colisiones laterales y colisiones en la parte inferior. Por lo general, está hecha de aluminio o acero y se conecta a la bandeja inferior a través de un marco exterior para proporcionar rigidez estructural y mejorar las capacidades de absorción de energía de colisión. Además, se deben diseñar estructuras de absorción de colisiones adecuadas para evitar la deformación de la caja de la batería y daños a las celdas de la batería.
Resistente al agua, al polvo y a la corrosión: la caja de la batería debe ser resistente al agua y al polvo, y normalmente utiliza juntas de sellado de nivel IP67 para garantizar la hermeticidad. Además, también se deben considerar medidas anticorrosión, como rociar un revestimiento de PVC en el exterior para mejorar la resistencia a la corrosión.
Diseño a prueba de explosiones y con alivio de presión: cuando una batería explota, la energía debe liberarse de manera concentrada y direccional a través de dispositivos como válvulas antideflagrantes balanceadas para evitar que ingrese a la cabina del cliente. Además, se deben tomar medidas a prueba de explosiones (como la destrucción estructural parcial) para evitar la ruptura total del equipo.
l Diseño de sellado
El diseño de la superficie de sellado entre la tapa superior y la carcasa inferior de la caja de la batería desempeña un papel importante en el rendimiento del sellado, y su diseño debe diseñarse junto con la estructura de la caja de la batería y el anillo de sellado. La superficie de sellado debe mantenerse en el mismo plano tanto como sea posible para evitar demasiadas estructuras curvas. Dado que la tapa superior y la carcasa inferior están conectadas por pernos, se utiliza una gran cantidad de pernos, por lo que es particularmente importante asegurar la coaxialidad de los orificios. Al organizar las posiciones de los orificios de los pernos de manera razonable, las dimensiones de la posición deben ser lo más redondas posible y estar dispuestas simétricamente en las direcciones X e Y. La selección del número de pernos de conexión debe considerarse de manera integral en función del nivel de sellado y la cantidad de carga de trabajo de desmontaje y montaje.
Figura 6: Diseño de sellado de la caja superior e inferior, 1-cubierta superior de la batería 2-junta de sellado 3-cubierta inferior de la batería 4-conducto de metal
l Seguridad eléctrica y protección contra cortocircuitos
Fiabilidad de la conexión: Los conectores dentro de la caja de la batería deben tener la conexión de polaridad correcta para garantizar la capacidad de sobrecorriente de la caja de la batería y la confiabilidad de las conexiones eléctricas/mecánicas, incluidas las medidas de relajación, etc.
Diseño de aislamiento eléctrico y resistencia al voltaje: El diseño del módulo adopta una protección de doble aislamiento. La celda de la batería en sí tiene una capa de película azul y un parche superior para cumplir con los requisitos de aislamiento y resistencia al voltaje. La protección de aislamiento y resistencia al voltaje se establece entre la placa del extremo/lateral y la celda de la batería, y entre la celda de la batería y la superficie de montaje inferior.
l Diseño de gestión térmica
El desarrollo de la gestión térmica de la batería abarca todo el ciclo de diseño y desarrollo del sistema de paquete de baterías, incluido el diseño del control de temperatura de la batería, la placa fría, el sistema de tuberías, etc. El objetivo principal del diseño del sistema de gestión térmica de la batería es garantizar que el sistema de batería funcione a una temperatura de funcionamiento relativamente adecuada a través del control de calefacción o refrigeración, teniendo en cuenta la distribución del espacio, el coste del diseño, el peso ligero, etc., al tiempo que se reduce la diferencia de temperatura entre las celdas para garantizar la coherencia.
Actualizaremos periódicamente la información y las tecnologías relacionadas con el diseño térmico y la reducción de peso. Gracias por su interés en Walmate.
Innovación y desarrollo de la tecnología de integración de baterías
El paquete de baterías es la fuente de energía principal de los vehículos de nueva energía y proporciona la potencia necesaria para impulsar todo el vehículo. Por lo general, evaluamos las ventajas y desventajas de la tecnología de paquetes de baterías desde el punto de vista de la eficiencia (densidad energética), la seguridad, los costos de fabricación y mantenimiento.
En el diseño de baterías, el voltaje de una sola celda es de solo 3-4 V, mientras que el voltaje requerido por los vehículos eléctricos es de al menos 100 V. Los autos nuevos ahora tienen un voltaje de 700 V/800 V, y la potencia de salida es generalmente de 200 W, por lo que la batería necesita ser reforzada. Para cumplir con los requisitos de corriente y voltaje de los vehículos eléctricos, se deben conectar diferentes celdas en serie o en paralelo.
El paquete de baterías está compuesto de celdas de batería, sistemas electrónicos y eléctricos, sistemas de gestión térmica, etc., que están encerrados por una estructura de marco de batería: placa base (bandeja), marco (marco de metal), placa de cubierta superior, pernos, etc. Cómo "empaquetar" estos componentes y sistemas en un todo de manera más eficiente y segura siempre ha sido un tema de investigación y exploración continua para toda la industria.
Artículo anterior: Innovación y desarrollo de la tecnología de integración de baterías
El origen de la tecnología de grupos de baterías de potencia se remonta a la década de 1950 y se originó en la ex Unión Soviética y algunos países europeos. Esta tecnología se utilizó originalmente como un concepto de ingeniería y fabricación para determinar las similitudes físicas de las piezas (rutas de proceso universales) y establecer su producción eficiente.
El núcleo de la tecnología de grupo (GT) es identificar y explorar las similitudes de cosas relacionadas en las actividades de producción, clasificar problemas similares en grupos y buscar soluciones óptimas relativamente unificadas para resolver este grupo de problemas para lograr beneficios económicos. En el campo de las baterías de energía, la tecnología de grupo involucra principalmente la tecnología de integración de baterías de celdas individuales en paquetes de baterías (Packs), incluida la estructura, la gestión térmica, el diseño de conexión eléctrica y la tecnología del sistema de gestión de baterías (BMS).
La tecnología de agrupación anterior en el campo automotriz es MTP (Module To Pack), lo que significa que las celdas se integran primero en módulos y luego los módulos se integran en paquetes. Esta tecnología se caracteriza por módulos desmontables y reemplazables, que tienen una buena capacidad de mantenimiento, pero la eficiencia de agrupación es baja. Con el desarrollo de la tecnología, la tecnología de agrupación ha experimentado una transformación de MTP a CTP (Cell To Pack). La tecnología CTP se refiere a la tecnología de integración directa de celdas en paquetes, eliminando la estructura modular tradicional y mejorando la eficiencia de agrupación y la eficiencia de producción. En los últimos años, la industria también está explorando tecnologías de agrupación como CTC (Cell To Chassis), CTB (Cell To Body & Bracket) y MTB (Module To Body) con mayor eficiencia de integración.
En el campo de las baterías de energía y el almacenamiento de energía electroquímica, los principales avances tecnológicos de las baterías de litio provienen de la innovación estructural y la innovación de materiales. El primero es optimizar la estructura del "paquete de baterías de celdas-módulos" a nivel físico para lograr el objetivo de mejorar la densidad de energía del volumen del paquete de baterías y reducir los costos; el segundo es explorar los materiales de las baterías a nivel químico para lograr el objetivo de mejorar el rendimiento de las celdas individuales y reducir los costos. Este artículo se centra en el impacto de diferentes tecnologías de integración estructural en la tecnología de fabricación de paquetes de baterías y la dirección del desarrollo innovador desde la perspectiva de la integración estructural de los paquetes de baterías. Las tecnologías clave actuales para la integración de baterías de energía se muestran en la siguiente figura:
1- MTP que ha sido eliminado1- MTP que ha sido eliminado
Al comienzo de la actual ola de desarrollo de vehículos eléctricos, se han lanzado muchos modelos de vehículos de nueva energía que utilizan petróleo como combustible. Estos modelos siguen la disposición espacial y el diseño de estilo de los vehículos de gasolina tradicionales. Los ingenieros han ensamblado un módulo de celdas de batería relativamente grande conectando una cierta cantidad de celdas de batería individuales en serie/paralelo y luego han colocado varios de esos módulos de celdas de batería en el paquete de baterías, que es el conocido paquete de baterías "MTP". Dado que el paquete de baterías debe "envasarse" más de dos veces, la cantidad de componentes necesarios es extremadamente grande y el paquete de baterías aparece como "tres capas internas y tres capas externas", con demasiadas partes redundantes que ocupan más volumen y peso del sistema, lo que resulta en una densidad de energía volumétrica y densidad de energía gravimétrica deficientes del paquete de baterías "MTP". Además, dado que el diseño de los vehículos de gasolina no reservó específicamente espacio para la batería, el sistema de baterías solo se puede "apretar donde quepa", lo que conduce a una mala competitividad del producto y una mala experiencia del usuario.
Desde el lanzamiento de las nuevas plataformas de vehículos eléctricos inteligentes representadas por Tesla, los vehículos eléctricos puros nativos han permitido instalar los paquetes de baterías en ubicaciones espaciales ideales de una manera más eficiente y regular, los sistemas trieléctricos se pueden distribuir de manera más razonable y la arquitectura electrónica y eléctrica del vehículo y el diseño de gestión térmica se pueden integrar de manera más eficiente. La solidez del producto del vehículo en términos de eficiencia energética, resistencia e inteligencia se ha mejorado enormemente.
2-Era de la tecnología integrada 2.0—CTP
El paquete de baterías con estructura MTP tiene un problema de utilización del espacio significativo. La utilización del espacio de la celda de batería al módulo es del 80%, la utilización del espacio del módulo al paquete de baterías es del 50% y la utilización del espacio total es solo del 40%. El costo del hardware del módulo representa aproximadamente el 14% del costo total de la batería. Esta estructura de baja utilización del espacio no puede satisfacer los requisitos de desarrollo de los vehículos de nueva energía. En el marco de la idea de integración de celda de batería → módulo → paquete de baterías → carrocería, si el vehículo quiere cargar la mayor cantidad de energía posible en el espacio limitado del chasis y mejorar la utilización del volumen, es necesario considerar la estandarización de cada paso de integración. A medida que la demanda del mercado de autonomía de conducción continúa aumentando, el volumen de un solo módulo de batería continúa aumentando, lo que indirectamente conduce al surgimiento de la solución CTP.
La tecnología de estructura CTP nació teniendo en cuenta la seguridad, la complejidad del empaquetado, la reducción de costos, etc. Bajo la premisa de garantizar la seguridad de la celda de la batería, la tecnología CTP reduce los cables internos y las piezas estructurales. En comparación con la tecnología MTP, la tecnología CTP no tiene estructura modular y empaqueta directamente la celda de la batería en un paquete de baterías antes de instalarlo en el vehículo.
Actualmente, existen dos ideas principales: una es considerar el Pack como un gran módulo completo que reemplaza la estructura de múltiples módulos pequeños en su interior, representados por CATL; la otra es considerar el uso de una solución sin módulos durante el diseño y diseñar la propia batería como el participante de la potencia, como la batería Blade de BYD.
El punto central de la tecnología CTP es la eliminación del diseño modular, combinando directamente las celdas de batería con la carcasa, lo que reduce el uso de placas terminales y separadores. Los problemas que surgen a continuación son la fijación del paquete de baterías y la gestión térmica.
De hecho, el producto original del paquete de baterías CTP no era un diseño puro sin módulos, sino un diseño que fusionaba los módulos pequeños originales en tres módulos grandes y dos módulos medianos, y también había placas de aluminio en ambos extremos, por lo que en teoría sigue siendo MTP, pero de hecho hay grandes mejoras en la estructura.
Tras la introducción de CTP 3.0, CATL presentó un método de fabricación más avanzado, logrando un diseño completamente libre de módulos. Las celdas de la batería han cambiado de una orientación vertical a lo largo de la altura a una posición horizontal. Además, se ha implementado una nueva solución de refrigeración entre las celdas de la batería, que no solo disipa el calor sino que también proporciona funciones de soporte, amortiguación, aislamiento y control de temperatura. La carcasa inferior también se ha diseñado con una característica de fijación limitante.
Figura 1: Comparación entre la batería CATL Kirin CTP2.0 y CTP3.0
3-Era de la tecnología integrada 3.0: CTB, CTC
l Tecnología CTB
La tecnología CTP es un gran paso adelante en la innovación de la estructura de la batería, pero no ha supuesto un gran avance en el propio paquete de baterías. En la tecnología CTP, el paquete de baterías sigue siendo un componente independiente. En comparación con la estrategia simplificada de CTP para los paquetes de baterías, la tecnología CTB combina el panel del suelo de la carrocería y la cubierta del paquete de baterías en uno. La superficie de sellado plana formada por la cubierta de la batería, el umbral de la puerta y las vigas delantera y trasera sella el habitáculo con sellador, y la parte inferior se ensambla con la carrocería a través del punto de instalación. Al diseñar y fabricar el paquete de baterías, el sistema de baterías se integra con la carrocería como un todo, se pueden cumplir los requisitos de sellado e impermeabilidad de la propia batería, y el sellado de la batería y del habitáculo es relativamente sencillo, y los riesgos son controlables.
De esta manera, la estructura sándwich original de "cubierta del paquete de baterías-celda de batería-bandeja" se transforma en una estructura sándwich de "cubierta del paquete de baterías integrada en los bajos de la carrocería-celda de batería-bandeja", reduciendo la pérdida de espacio causada por la conexión entre la carrocería y la cubierta de la batería. En este modo estructural, el paquete de baterías no solo es una fuente de energía, sino que también participa en la fuerza y la transmisión de todo el vehículo como estructura.
Figura 2: Diagrama esquemático de la estructura de la tecnología CTB
l Tecnología CTC
Después de adoptar el método CTC, el paquete de baterías ya no es un conjunto independiente, sino que se integra en la carrocería del vehículo, lo que optimiza el diseño del producto y el proceso de producción, reduce el número de piezas del vehículo, especialmente reduce las piezas estructurales internas y los conectores de la batería, tiene la ventaja inherente de ser liviano, maximiza la utilización del espacio y proporciona espacio para aumentar el número de baterías y mejorar la autonomía de conducción. Con la condición de que el sistema electroquímico en sí permanezca sin cambios, la autonomía de conducción se puede aumentar aumentando el número de baterías.
Figura 3: Diagrama de la estructura de la tecnología CTC de Tesla
Por ejemplo, Tesla y otros fabricantes de automóviles han lanzado sucesivamente modelos de tecnología CTC. A nivel de celda, pueden utilizar estructuras sándwich elásticas multifuncionales y tecnología de refrigeración por agua de gran superficie, y superponer la tecnología de reutilización del espacio anticolisión en la parte inferior del paquete de baterías aportada por el desarrollo integrado, teniendo en cuenta la eficiencia de agrupación, la disipación de calor y la seguridad, y promoviendo la aplicación de la tecnología CTC desde las dos dimensiones de optimización de celdas y protección de la estructura del vehículo. A nivel de desarrollo integrado del vehículo, la celda de la batería se integra directamente en el chasis, eliminando los vínculos de los módulos y los paquetes de baterías. Se realiza la integración de los tres sistemas eléctricos principales (motor, control electrónico, batería), los tres sistemas eléctricos secundarios (CC/CC, OBC, PDU), el sistema de chasis (sistema de transmisión, sistema de conducción, sistema de dirección, sistema de frenado) y los módulos relacionados con la conducción autónoma, y se optimiza la distribución de energía y se reduce el consumo de energía a través del controlador de dominio de energía inteligente.
4-Cambios en los requisitos específicos para cajas de baterías para tecnologías CTP, CTB y CTC
En la estructura tradicional de los paquetes de baterías, el módulo de batería cumple la función de soportar, fijar y proteger la celda de la batería, mientras que el cuerpo de la caja de la batería soporta principalmente la fuerza de extrusión externa. La aplicación de las tecnologías CTP, CTB y CTC plantea nuevos requisitos para las cajas de baterías, que se reflejan específicamente en:
Se mejoran los requisitos de resistencia del cuerpo de la caja de la batería: dado que el enlace del módulo se reduce o se elimina en las estructuras CTP, CTB y CTC, el cuerpo de la caja de la batería no solo debe soportar la fuerza de extrusión externa, sino también la fuerza de expansión de la celda de la batería que originalmente soporta el módulo. Por lo tanto, los requisitos de resistencia del cuerpo de la caja de la batería son más altos.
Capacidad de protección contra colisiones: después de utilizar la tecnología CTP para quitar las vigas laterales del paquete de baterías, la batería soportará directamente el impacto de la colisión, por lo que el paquete de baterías CTP debe tener suficiente resistencia a las colisiones.
Requisitos de aislamiento, aislamiento y disipación de calor: las estructuras CTP o CTB y CTC cambian el perfil de la placa inferior a una placa refrigerada por agua basada en la caja estructural que soporta el chasis. La caja de la batería no solo soporta el peso de las celdas de la batería, sino que también proporciona gestión térmica y otras funciones para la batería. La estructura es más compacta, el proceso de fabricación está optimizado y el grado de automatización es mayor.
Menor capacidad de mantenimiento: el diseño altamente integrado hace que sea complicado reemplazar el paquete de baterías. Por ejemplo, en la estructura CTC, las celdas de la batería están rellenas de material de resina, lo que dificulta su reemplazo y hace casi imposible su reparación.
5- Impacto de la integración de paquetes de baterías en la infraestructura de carga de vehículos eléctricos
La elección de diferentes tecnologías de integración de paquetes de baterías también implica la elección de diferentes métodos de compensación. La CTP tiende a ser la sustitución de la batería, mientras que la CTB/CTC, más integrada, tiende a ser la carga rápida.
Un alto nivel de integración significa que se pueden alojar más baterías en el mismo espacio, lo que aumenta la autonomía de los vehículos eléctricos. Es posible que los usuarios ya no necesiten cargar con frecuencia para distancias cortas, sino que prefieran cargar rápidamente durante viajes largos. Por lo tanto, la planificación de la infraestructura de carga debe tener en cuenta estos cambios para garantizar que pueda satisfacer las necesidades de los usuarios.
A medida que aumenta la integración de los paquetes de baterías, el tamaño físico y la estructura de los paquetes de baterías pueden cambiar, lo que puede afectar el diseño de la interfaz de carga y la compatibilidad del equipo de carga.
Además, la mayor integración de los paquetes de baterías también puede afectar la velocidad y la eficiencia de la carga. Es posible que sea necesario desarrollar e implementar sistemas de gestión de baterías y tecnologías de carga más eficientes para garantizar un proceso de carga rápido y seguro.
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Tecnologías comunes de tratamiento de superficies para bandejas de baterías de vehículos de nueva energía/cajas frías de líquido para almacenamiento de energía
En el proceso de producción de bandejas de batería y cajas de refrigeración líquidas de almacenamiento de energía para vehículos de nueva energía, el tratamiento de superficie necesario y apropiado es un paso clave, como: usar revestimiento, tratamiento de oxidación, etc. para formar una capa protectora sobre la superficie metálica para resistir la erosión de medios corrosivos; Los componentes que requieren aislamiento eléctrico, como celdas de batería, placas de refrigeración por agua, paredes de módulos, etc., necesitan establecer una película protectora aislante. El aislamiento generalmente se logra rociando polvo aislante o pintura aislante. La elección de la tecnología de tratamiento de superficie adecuada no solo puede mejorar el rendimiento de la bandeja/caja de refrigeración líquida, sino que también puede satisfacer las necesidades de diferentes escenarios de aplicación. Este artículo resume las tecnologías de tratamiento de superficie comunes como referencia.
1-Limpieza y pulido
Durante el proceso de producción, las impurezas como aceite de procesamiento, residuos de aceite de motor, polvo y polvo pueden acumularse en la superficie del palé. Estas impurezas no solo afectan la vida útil de la bandeja de la batería, sino que también pueden afectar negativamente el rendimiento y la seguridad de la batería. Mediante la limpieza y el pulido, estas impurezas se pueden eliminar de manera efectiva para garantizar la limpieza de la superficie del palé. La limpieza y el pulido pueden eliminar de manera efectiva las impurezas de la superficie, las rebabas y la escoria de soldadura, haciendo que la superficie sea lisa y plana, mejorando así la calidad general de la bandeja/caja de la batería.
l limpieza química
Limpieza alcalina: La limpieza alcalina utiliza principalmente soluciones alcalinas (como hidróxido de sodio, carbonato de sodio, etc.) para eliminar la grasa, la suciedad y otra materia orgánica de la superficie de las aleaciones de aluminio. El lavado alcalino elimina la grasa mediante saponificación, emulsificación y penetración y humectación, y al mismo tiempo genera precipitados solubles en agua, logrando así un efecto limpiador. La limpieza alcalina se utiliza generalmente para eliminar la grasa, el polvo y los contaminantes orgánicos de la superficie de las aleaciones de aluminio.
Decapado: El decapado utiliza soluciones ácidas (como ácido nítrico, ácido clorhídrico, etc.) para eliminar las incrustaciones de óxido, óxido y otros depósitos inorgánicos de la superficie de las aleaciones de aluminio. El decapado convierte los óxidos de la superficie del metal en sales solubles mediante la reacción del ácido con los óxidos de la superficie del metal, eliminando así las impurezas de la superficie. El decapado se utiliza principalmente para eliminar la película de óxido, el óxido y las incrustaciones de sal inorgánica de la superficie de las aleaciones de aluminio. El decapado se utiliza a menudo para el tratamiento final de las superficies metálicas para mejorar su acabado y planitud.
l Rectificado mecánico
Durante la producción, el proceso de rectificado puede eliminar tolerancias de procesamiento, corregir errores de forma, garantizar la suavidad y precisión de la superficie del palé/caja, cumplir con los requisitos de ensamblaje y, por lo tanto, mejorar el rendimiento general y la vida útil.
La superficie limpiada y pulida puede mejorar el tratamiento de materiales de recubrimiento u otros materiales, lo cual es muy importante para la aplicación de recubrimientos posteriores como la protección contra la corrosión, el sellado, la conductividad térmica, el aislamiento y la conservación del calor. Esto juega un papel clave en la adhesión firme de estos materiales a la bandeja/caja.
2-Establecimiento de recubrimiento y película protectora
Además de la limpieza y el pulido básicos, la producción de pallets/cajas utiliza un proceso de pulverización para el tratamiento de la superficie para formar una capa protectora para evitar la oxidación y la corrosión y satisfacer las necesidades de diferentes escenarios como aislamiento térmico, aislamiento y resistencia al voltaje.
l Aislamiento térmico
La anticondensación y el aislamiento térmico de las bandejas de baterías se pueden lograr mediante un diseño integral de sistemas de aislamiento térmico, el uso de materiales de aislamiento térmico de alta eficiencia, la aplicación de aerogeles, el diseño de aislamiento de paquetes de baterías y la pulverización de materiales de aislamiento de espuma.
Superficie inferior rociada con PVC y material de espuma.
l Tensión soportada de aislamiento
El aislamiento de la carcasa de la batería y de los componentes de refrigeración líquida tiene como objetivo principal evitar fugas de corriente, proteger al personal de descargas eléctricas y garantizar el funcionamiento normal del sistema de batería. El aislamiento se consigue normalmente mediante dos métodos principales: pulverización de polvo y laminación de película. Los principales procesos de laminación de película incluyen laminación a temperatura ambiente, prensado en caliente y exposición a rayos UV.
Pulverización interna de polvo aislante y pintura aislante
3-Logos and Signage
Una placa o etiqueta se coloca en una posición destacada en la bandeja de la batería, generalmente mediante láser, grabado mecánico, etc. Estos logotipos suelen estar hechos de medios resistentes al desgaste y a la corrosión para garantizar que no se borren fácilmente durante toda su vida útil.
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Cambios en los requisitos de disipación de calor de los convertidores de almacenamiento de energía y comparación de soluciones comunes de disipación de calor
Como equipo central del sistema de almacenamiento de energía, el convertidor de almacenamiento de energía es una herramienta importante para la conversión de energía, la gestión de energía, la garantía de la estabilidad de la red, la mejora de la eficiencia energética, etc. A medida que la unidad de potencia del convertidor de almacenamiento de energía avanza hacia una alta integración y alta eficiencia, el desarrollo de la frecuencia y la gran capacidad impone requisitos cada vez más altos en la disipación de calor.
1-Cambios en los requerimientos de refrigeración
l A juego con la cabina de CC más grande, la capacidad del convertidor continúa aumentando y la tecnología de disipación de calor eficiente garantiza la confiabilidad del equipo.
A medida que la capacidad de las celdas de almacenamiento de energía se hace cada vez mayor, la capacidad de los sistemas de almacenamiento de energía también se está expandiendo simultáneamente. A principios de 2023, la capacidad estándar de la batería de una sola celda de 20 pies en el mercado era de solo 3,35 MWh. En la segunda mitad del año, muchas empresas de celdas de batería lanzaron productos de almacenamiento de energía de 310+Ah, y la capacidad de la batería de una sola celda de 20 pies también se amplió a 5 MWh. Sin embargo, menos de medio año después de que se actualizara el modelo de 5 MWh, algunos sistemas de almacenamiento de energía líderes lanzaron sistemas de 6 MWh y 8 MWh. Según la experiencia general, el convertidor de almacenamiento de energía está configurado a 1,2 veces la capacidad de carga. La capacidad de una sola unidad de un sistema de almacenamiento de energía de 5 MWh debe ser superior a 2,5 MW. La alta potencia requiere una tecnología de refrigeración más eficiente para garantizar un funcionamiento estable del equipo bajo cargas elevadas sostenidas.
Evolución iterativa del esquema topológico de integración del sistema de almacenamiento de energía
l La aplicación de tecnología de alto voltaje de CC requiere que los dispositivos tengan niveles de voltaje soportado y resistencia de aislamiento más elevados, y la disipación de calor de los dispositivos de potencia es grave.
Para adaptarse al sistema de almacenamiento de energía de gran capacidad, la tecnología de alto voltaje de CC se ha convertido en una tendencia técnica. A través del aumento del nivel de voltaje, se puede lograr ahorro de energía, eficiencia y mejora del rendimiento. La actualización de voltaje de 1500 V se originó a partir de la energía fotovoltaica, y ahora la energía fotovoltaica está involucrada en el almacenamiento de energía. Sin embargo, la evolución de alto voltaje de los PCS de almacenamiento de energía aún tiene un largo camino por recorrer, y algunos fabricantes han comenzado a optimizarlo y llevarlo a 2000 V. La aplicación de la tecnología de alto voltaje de CC obliga a los dispositivos electrónicos de potencia en los convertidores de almacenamiento de energía a tener niveles de voltaje de resistencia más altos y mayor resistencia de aislamiento para adaptarse a entornos de trabajo de alto voltaje. En entornos de alto voltaje, el diseño de disipación de calor de los dispositivos de potencia se vuelve más importante. La temperatura de la unión pn de los dispositivos de potencia generalmente no puede superar los 125 °C, y la temperatura de la carcasa del paquete no supera los 85 °C.
l Los sistemas de almacenamiento de energía en red requieren algoritmos de control complejos, diseños de circuitos y convertidores de almacenamiento de energía de alta densidad de potencia.
A diferencia de las características esenciales de las fuentes de corriente en los sistemas de almacenamiento de energía que forman la red, los sistemas de almacenamiento de energía que forman la red son esencialmente fuentes de voltaje que pueden establecer internamente parámetros de voltaje para generar un voltaje y una frecuencia estables. Por lo tanto, se requiere que los convertidores que forman la red simulen las características de los generadores sincrónicos, proporcionando soporte para el voltaje y la frecuencia para mejorar la estabilidad del sistema de energía. Esta estrategia de control requiere que los convertidores posean una mayor densidad de potencia y algoritmos de control más complejos, así como dispositivos de potencia de mayor rendimiento y diseños de circuitos más intrincados para implementar la estrategia de control. La gestión eficaz del calor generado por la alta densidad de potencia y las estrategias de control complejas, al tiempo que se reduce el tamaño y el costo del sistema de enfriamiento sin comprometer el rendimiento, se ha convertido en un nuevo desafío en el diseño térmico.
2- Comparación de soluciones de refrigeración habituales
La solución de refrigeración para inversores de almacenamiento de energía ha experimentado una importante evolución iterativa en los últimos años, reflejada principalmente en la transición de la tecnología de refrigeración del enfriamiento por aire tradicional a la tecnología de enfriamiento por líquido.
l Solución de refrigeración por aire
El enfriamiento por aire es la forma de control de temperatura utilizada en la etapa inicial de los convertidores de almacenamiento de energía. Utiliza aire como medio y disipa el calor a través de ventiladores y radiadores. La solución de enfriamiento por aire mejora la eficiencia de disipación de calor al reducir continuamente el consumo de energía, optimizar la estructura y mejorar los materiales de disipación de calor. En el nivel de potencia de 2,5 MW, el enfriamiento por aire aún puede cumplir con los requisitos.
l Solución de refrigeración líquida
A medida que la densidad de potencia y la densidad energética de los sistemas de almacenamiento de energía siguen aumentando, los PCS refrigerados por líquido utilizan un refrigerante con alta conductividad térmica como medio. El refrigerante es impulsado por una bomba de agua para circular en la placa fría y no se ve afectado por factores como la altitud y la presión del aire. El sistema de refrigeración por líquido tiene una eficiencia de disipación de calor más eficiente que el sistema de refrigeración por aire. La solución de refrigeración por líquido tiene un mayor grado de coincidencia y ha comenzado a explorarse y popularizarse en los últimos uno o dos años.
Además de la solución de almacenamiento de energía con refrigeración líquida completa, algunos fabricantes han lanzado máquinas de refrigeración directa con almacenamiento de energía, que utilizan refrigeración directa por cambio de fase y sin circulación de agua. Las soluciones de refrigeración directa también están entrando en el campo del almacenamiento de energía.
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Puntos clave en el diseño de perfiles de aluminio utilizados en vehículos de nueva energía y baterías de almacenamiento de energía
El paquete de baterías es un componente clave de los vehículos de nueva energía, los armarios de almacenamiento de energía y los contenedores. Es una fuente de energía a través de la envoltura de la carcasa, que proporciona energía a los vehículos eléctricos y proporciona capacidad de consumo a los armarios de almacenamiento de energía y los contenedores. En combinación con las necesidades de ingeniería reales, este artículo resume los puntos clave del diseño de perfiles para paquetes de baterías mediante el análisis de los requisitos de resistencia mecánica, seguridad, gestión térmica y peso ligero de los paquetes de baterías.
1-Requisitos de diseño de la carcasa del paquete de baterías
l Resistencia mecánica, resistencia a la vibración y resistencia al impacto. Después de la prueba, no debe haber daños mecánicos, deformaciones ni aflojamiento de la fijación, y el mecanismo de bloqueo no debe estar dañado.
l Sellado: El sellado del paquete de baterías afecta directamente la seguridad de funcionamiento del sistema de baterías. Por lo general, se requiere alcanzar el nivel de protección IP67 para garantizar que el paquete de baterías esté sellado y sea impermeable.
l El diseño de la carcasa del paquete de baterías debe tener en cuenta el rendimiento de la gestión térmica y garantizar que la batería funcione dentro de un rango apropiado a través de un diseño de gestión térmica apropiado.
l Para su instalación y fijación, la carcasa debe tener espacio para la placa de identificación y las señales de seguridad, y reservar suficiente espacio y una base fija para la instalación de líneas de adquisición, varios elementos sensores, etc.
l Todos los conectores, terminales y contactos eléctricos con aislamiento básico no polar deben cumplir los requisitos de nivel de protección correspondientes cuando se combinan.
l Aligeramiento: el aligeramiento de la carcasa es de gran importancia para mejorar la densidad energética del paquete de baterías. La aleación de aluminio es liviana y de alta calidad, lo que la convierte en la opción más viable en la actualidad. El nivel de aligeramiento se puede mejorar mediante un diseño extremo apropiado en combinación con aplicaciones reales.
l Durabilidad: La vida útil de la carcasa del paquete de baterías no debe ser inferior a la vida útil del producto en general. No debe producirse ninguna deformación plástica evidente durante el ciclo de uso. No debe reducirse el nivel de protección ni el rendimiento del aislamiento. La estructura debe ser fácil de mantener, incluida la disposición de las placas de identificación y las señales de seguridad, y la protección de los conectores.
Figura 1. Carcasa típica de paquete de batería soldada de aleación de aluminio
2-Solución típica de carcasa de batería de aleación de aluminio
Los materiales de aleación de aluminio que se utilizan comúnmente para las carcasas de los paquetes de baterías incluyen 6061-T6, 6005A-T6 y 6063-T6, etc. Estos materiales tienen diferentes límites de elasticidad y resistencia a la tracción para cumplir con diferentes requisitos estructurales. La resistencia de estos materiales es: 6061-T6＞6005A-T6＞6063-T6.
En la actualidad, las soluciones de formación de carcasas de baterías incluyen soldadura de perfiles de aluminio, fundición de aleación de aluminio, aluminio fundido más perfil de aluminio, soldadura de placas de aluminio estampadas, etc. La solución de soldadura de perfiles de aluminio se ha convertido en la opción principal debido a su flexibilidad y conveniencia de procesamiento. Como se muestra en la Figura 1, la carcasa se compone principalmente de un marco de perfil de aleación de aluminio y una placa inferior de perfil de aleación de aluminio, que se sueldan utilizando perfiles extruidos de aleación de aluminio de la serie 6. La solución de fundición de aleación de aluminio se considera como la dirección de desarrollo futura debido a su proceso simplificado y potencial de reducción de costos.
3- Diseño de la sección del perfil
l Tamaño de la sección y complejidad: El tamaño de la sección del perfil se mide por el círculo circunscrito. Cuanto mayor sea el círculo circunscrito, mayor será la presión de extrusión requerida. La sección del perfil suele estar compuesta por múltiples cavidades para mejorar la rigidez y la resistencia estructural. Por lo general, el marco, la partición intermedia, la placa inferior, la viga, etc. adoptan diferentes diseños de sección para adaptarse a diferentes requisitos estructurales y funcionales.
Figura 2 Sección típica de perfil de aleación de aluminio
l Espesor de pared del perfil de aluminio: El espesor mínimo de pared de un perfil de aluminio específico está relacionado con el radio del círculo circunscrito del perfil, la forma y la composición de la aleación. Por ejemplo, cuando el espesor de pared de la aleación de aluminio 6063 es de 1 mm, el espesor de pared de la aleación de aluminio 6061 debe ser de aproximadamente 1,5 mm. La dificultad de extrusión de la misma sección es: 6061-T6＞6005A-T6＞6063-T6. En el diseño de perfiles de paquetes de baterías, el perfil del marco generalmente está hecho de material de aleación de aluminio 6061-T6, y su sección típica está compuesta de múltiples cavidades, y el espesor de pared más delgado es de aproximadamente 2 mm; el perfil de la placa inferior también está compuesto de múltiples cavidades, y el material es generalmente 6061-T6, 6065A-T6, y el espesor de pared más delgado también es de aproximadamente 2 mm; Además, en el diseño de la bandeja de carga de la placa inferior y la integración de enfriamiento líquido de la placa inferior, la placa inferior generalmente adopta una estructura de doble cara, el espesor de la placa inferior es generalmente de 10 mm y el espesor de la pared y la pared interna de la cavidad son de aproximadamente 2 mm.
l Tolerancia de las dimensiones de la sección transversal del perfil: La tolerancia de las dimensiones de la sección transversal debe determinarse en función de la tolerancia de procesamiento del perfil de aluminio, las condiciones de uso, la dificultad de la extrusión del perfil y la forma del perfil. Para algunos perfiles de aluminio que son difíciles de extruir, se puede cambiar la forma o se puede aumentar la tolerancia de procesamiento y la tolerancia dimensional para reducir la dificultad de la extrusión y extruir productos de perfil de aluminio que se acerquen a los requisitos, y luego se pueden remodelar o procesar para cumplir con los requisitos de uso.
Además, al diseñar la sección del perfil, es necesario considerar los requisitos específicos de los diferentes procesos de soldadura para juntas, ranuras, espesor de pared, etc.
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La placa de enfriamiento líquido pasó la prueba de hermeticidad, entonces ¿por qué aún ocurren fugas?
La hermeticidad del paquete de baterías es un factor clave para garantizar la calidad y la seguridad del paquete de baterías. Está relacionada con la seguridad, la fiabilidad y la vida útil del paquete de baterías. La prueba de hermeticidad del paquete de baterías debe realizarse no solo durante el proceso de producción, sino también durante el mantenimiento y la inspección de la batería.
1- Requisitos de hermeticidad del paquete de baterías
En la producción real, la hermeticidad del paquete de baterías debe cumplir los siguientes requisitos:
Rendimiento de sellado:la carcasa, la interfaz y los conectores del paquete de baterías deben tener un buen rendimiento de sellado para evitar que el polvo, el vapor de agua y otras impurezas externas ingresen al paquete de baterías, lo que se puede lograr mediante soldadura, selladores, materiales impermeables, etc.
Rendimiento a prueba de agua: para evitar que la humedad ingrese a la batería, lo que provoca cortocircuitos, corrosión y otros problemas. De acuerdo con la norma nacional GB38031-2020 "Requisitos de seguridad para baterías de energía para vehículos eléctricos", el rendimiento de sellado de las baterías y sus componentes debe cumplir con el estándar IP67. La mayoría de los vehículos de nueva energía tienen requisitos de rendimiento de sellado más altos para las baterías y sus componentes, y deben cumplir con el estándar IP68, es decir, el paquete de baterías puede evitar que el agua ingrese dentro de la profundidad de agua y el tiempo de inmersión especificados.
Los métodos tradicionales de prueba de hermeticidad incluyen el método de presión y el método de inmersión (prueba de agua). El método de inmersión consiste en sumergir la placa de refrigeración líquida en agua y observar si se generan burbujas para evaluar el sellado.
Tanque de prueba de hermeticidad del canal de agua de la placa de enfriamiento líquido
Aunque el estándar IP68 es más estricto, en aplicaciones reales, el método de caída de presión se utiliza a menudo como el principal método de detección para cumplir con los requisitos IP68 estableciendo estándares de detección de hermeticidad adecuados. El método de caída de presión determina la hermeticidad del paquete de baterías midiendo el cambio de presión dentro del paquete de baterías. Al realizar pruebas de hermeticidad, se debe prestar atención a múltiples parámetros, como la presión de inflado, el tiempo de inflado, el tiempo de estabilización de la presión y la tasa de fuga.
（lado izquierdo）Diagrama del principio básico de la presión diferencial
（lado derecho）Diagrama del principio básico de la presión directa
2-Análisis del problema de fugas en la placa de refrigeración líquida
Con la mejora continua de la demanda del mercado de vehículos con baterías eléctricas, sistemas de almacenamiento de energía con baterías, etc., se utilizan ampliamente los paquetes de baterías con mayor densidad de energía y densidad de potencia. Debido a las características térmicas de las baterías, para garantizar el funcionamiento estable de los equipos centrales como las baterías y mejorar la eficiencia de utilización de la energía, la tecnología de refrigeración líquida es una de las principales rutas técnicas para la gestión térmica del almacenamiento de energía, y la prueba de hermeticidad del sistema de refrigeración líquida se ha convertido en un vínculo clave.
La fuga de la placa de enfriamiento líquido es un problema grave: la fuga obstaculizará el flujo normal del refrigerante, afectará el efecto de disipación de calor de la placa de enfriamiento líquido y reducirá el rendimiento del equipo; la fuga también puede causar envejecimiento y daños a los componentes del sistema, reduciendo la confiabilidad del sistema; la fuga también puede corroer los componentes y circuitos electrónicos, aumentando el riesgo de fallas del equipo e incendio.
¿Por qué sigue ocurriendo el problema de fugas después de realizar rigurosas pruebas de hermeticidad durante el proceso de producción y fabricación de la placa de enfriamiento líquido?
Proceso de prueba de hermeticidad del sistema de refrigeración líquida
La filtración de líquido puede ser causada por una variedad de factores:
l Pequeñas grietas y defectos,Las pruebas de hermeticidad del paisaje pueden detectar grandes canales de fuga, pero aún pueden existir pequeñas grietas y defectos. Estas pequeñas grietas pueden expandirse bajo presión de líquido o en un entorno de alta temperatura, lo que provoca filtraciones de líquido.
l Diferencias en la tensión superficial y la humectabilidad del refrigerante: cuando la tensión superficial del refrigerante es baja, es más fácil que penetre a través de pequeños huecos. Si el diseño de la tensión superficial de la placa de refrigeración de líquido no es razonable o el refrigerante no se selecciona correctamente, el problema de filtración de líquido puede agravarse.
Diferencias de humectabilidad: los distintos refrigerantes tienen distinta humectabilidad en superficies sólidas. Si la rugosidad de la superficie del material de la placa de enfriamiento de líquidos es alta o existen defectos microestructurales, el refrigerante puede penetrar con mayor facilidad.
l Problemas de instalación o proceso: si el proceso de instalación de la placa de enfriamiento de líquido no es lo suficientemente fino, o hay defectos en la soldadura, la conexión y otros procesos, también puede provocar un sellado deficiente y aumentar la posibilidad de filtración de líquido.
l Condiciones ambientales: Los cambios de temperatura, especialmente en entornos de alta presión, pueden afectar la permeabilidad del refrigerante. Aunque estos factores ambientales pueden no tenerse en cuenta durante las pruebas de hermeticidad, en la operación real, las fluctuaciones de temperatura pueden provocar fallas en los sellos.
l Envejecimiento o fatiga del material: si el material de la placa de enfriamiento de líquido se utiliza durante demasiado tiempo, puede envejecer o fatigarse, lo que provocará que su rendimiento de sellado se deteriore, aumentando así el riesgo de fugas de líquido.
3-Medidas preventivas para fugas de líquido en la placa de refrigeración
l Mejorar el diseño de la placa de refrigeración líquida: Al optimizar la estructura y el diseño de la placa de refrigeración líquida, se reducen las pequeñas grietas y defectos y se mejora su rendimiento de sellado. Por ejemplo, al soldar la viga de instalación del módulo en la superficie del canal de flujo, se deben tomar medidas antifugas para evitar fugas de refrigerante.
l Mejorar el nivel del proceso de fabricación: en el proceso de producción de la placa de refrigeración líquida, se utilizan procesos y materiales de soldadura de alta calidad para garantizar que el refrigerante no penetre fácilmente. Al mismo tiempo, durante el proceso de montaje, siga estrictamente los procedimientos operativos para evitar que se aflojen o se instalen incorrectamente.
l Optimice la combinación de métodos de detección para garantizar la eficiencia de detección al tiempo que mejora la precisión de detección y reduce la tasa de detección fallida. El método de inmersión y el método de caída de presión se utilizan para la detección de hermeticidad, que es simple de operar, económico y eficiente, y es adecuado para necesidades de detección de rutina a gran escala. Sin embargo, la precisión de detección de los dos métodos es baja. La precisión de detección del método de caída de presión es generalmente una tasa de fuga de 1×10-4Pa·m³/s, y la precisión de los resultados de detección se ve fácilmente interferida por factores como la temperatura, la humedad, la limpieza y la presión. Utilice equipos de detección con mayor precisión de detección y mejor efecto para aumentar la precisión de detección a 1×10-6Pa·m³/s, mejorando así el efecto de detección.
Además de las medidas preventivas para la propia placa de enfriamiento líquido, también es necesario adoptar estrategias de respuesta adecuadas en múltiples aspectos, como la selección del refrigerante, la selección del sello y el entorno de trabajo del equipo.
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En el diseño térmico, ¿qué elementos de diseño pueden optimizar los ingenieros para lograr una reducción de costos efectiva?
En el diseño de disipación de calor, la adopción de métodos efectivos de reducción de costos puede mejorar la confiabilidad y la eficiencia del sistema general y, al mismo tiempo, reducir costos innecesarios.
1-El diseño de reducción de potencia reduce los costos
El diseño de reducción de potencia es un método de diseño que reduce intencionalmente las tensiones eléctricas, térmicas y mecánicas a las que se ven sometidos los componentes o productos durante su funcionamiento. En escenarios reales de producción y uso, la estabilidad de los equipos electrónicos se puede mejorar reduciendo la tensión que soportan los componentes.
Diagrama esquemático de las rutas de disipación de calor para empaquetado 2D y 3D
l Reducir el estrés laboral: durante el diseño y el funcionamiento del producto, el estrés laboral de los componentes se puede reducir reduciendo la carga de trabajo, controlando la frecuencia de funcionamiento, limitando la corriente y el voltaje, etc.
l Reducir el estrés ambiental: Reducir el estrés ambiental seleccionando tipos de componentes, diseños y formas de embalaje adecuados, como seleccionar componentes con un amplio margen de temperatura o utilizar formas de embalaje con buen sellado para reducir los efectos de la temperatura la humedad y la presión sobre los componentes.
l Aplicación de ingeniería de confiabilidad: diseño redundante razonable, detección y aislamiento de fallas, etc., reducen aún más el riesgo de falla de los componentes.
Al reducir la tensión de los componentes durante su funcionamiento, se puede reducir su consumo de energía y la generación de calor. Cuando los dispositivos de potencia funcionan en condiciones de tensión inferiores a su tensión nominal, se puede reducir su consumo de energía y la generación de calor, lo que ayuda a mejorar la eficiencia energética y la fiabilidad del sistema. A largo plazo, el diseño de reducción de potencia aumenta eficazmente la vida útil de los componentes, reduce las tasas de fallos, reduce la carga de trabajo de mantenimiento y, por tanto, reduce los costes.
2-Optimizar el diseño
La eficiencia de trabajo del radiador se puede mejorar significativamente a través de una disposición razonable de los componentes térmicos, y una estrategia de disposición de componentes razonable puede lograr un equilibrio entre el rendimiento y el costo del producto.
l Distribuir los componentes de disipación de calor: dispersar los componentes que generan grandes cantidades de calor para reducir la carga de calor por unidad de área.
l Ubicación propicia para la disipación del calor: coloque el elemento calefactor en una ubicación propicia para la disipación del calor, como cerca de un respiradero o en el borde del dispositivo.
l Disposición escalonada: durante el diseño, escalone los componentes de calefacción con otros componentes generales e intente hacer que los componentes de calefacción sean componentes sensibles a la temperatura para reducir su impacto en los componentes sensibles al calor.
l Mejora el flujo de aire: al cambiar el diseño de dirección y la disposición de los componentes, se optimiza la ruta del flujo de aire, se aumenta el caudal y se mejora el coeficiente de transferencia de calor.
Recomendaciones de espaciado entre componentes
3-Elección del método de enfriamiento
A medida que mejora el rendimiento de los componentes electrónicos y aumenta el grado de integración, la densidad de potencia continúa aumentando, lo que da como resultado un aumento significativo del calor generado por los componentes electrónicos durante el funcionamiento. Al elegir un método de disipación de calor para los componentes electrónicos, los requisitos de control de temperatura incluyen principalmente los siguientes aspectos:
l Rango de temperatura: los distintos componentes tienen distintos rangos de tolerancia a la temperatura. Por ejemplo, los chips de alto rendimiento, como las CPU, tienen requisitos de temperatura de funcionamiento de entre 85 y 100 °C, mientras que algunos dispositivos de bajo consumo pueden tolerar temperaturas más altas, por lo que el sistema de refrigeración debe garantizar que los componentes funcionen dentro de un rango de temperatura seguro.
l Precisión del control de temperatura: en algunos escenarios con requisitos estrictos de control de temperatura, es necesario adoptar una solución de disipación de calor que pueda controlar con precisión la temperatura para evitar la degradación del rendimiento del componente o incluso daños causados por temperaturas excesivamente altas o bajas.
l Temperatura ambiente: el efecto de disipación de calor de los equipos electrónicos no solo depende de la capacidad de disipación de calor del propio dispositivo, sino que también se ve afectado por la temperatura ambiente circundante. El diseño de la disipación de calor debe tener en cuenta los cambios en la temperatura ambiente y tratar de mantener el dispositivo dentro de un rango de temperatura adecuado mediante medios de disipación de calor.
l Consumo de energía y fiabilidad: Algunos componentes electrónicos de bajo consumo pueden utilizar la disipación de calor natural cuando generan poco calor. Para equipos de alto consumo, es necesario recurrir a la tecnología de disipación de calor avanzada para garantizar que mantenga un rendimiento normal y prolongar su vida útil bajo alta carga.
l Sellado y densidad: En dispositivos ensamblados sellados y de alta densidad, si la generación de calor no es alta, se puede confiar en la disipación natural del calor. Cuando los componentes están empaquetados de manera densa y generan grandes cantidades de calor, se necesitan tecnologías de disipación de calor más efectivas, como la disipación de calor forzada o la refrigeración líquida. La refrigeración líquida y la tecnología de tubos de calor se utilizan en escenarios con alto consumo de energía y gran generación de calor, como componentes electrónicos de alta potencia, como tubos de onda viajera, magnetrones y tubos amplificadores de potencia, servidores y equipos de alto consumo energético, así como en los sistemas de tres eléctricos de vehículos de nueva energía. Sus ventajas de aplicación únicas.
（lado izquierdo）Módulo de refrigeración por aire de la pila de carga
（lado derecho）Módulo de refrigeración líquida de pila de carga
Al elegir un método de refrigeración para componentes electrónicos, es necesario considerar exhaustivamente factores como la generación de calor y el flujo de calor, la temperatura ambiente y la temperatura de funcionamiento, las limitaciones de espacio y los requisitos de aislamiento térmico, y el costo y la viabilidad. Al utilizar la tecnología de refrigeración y los dispositivos de refrigeración adecuados para garantizar que los componentes funcionen a una temperatura adecuada, se puede reducir de manera efectiva el costo de reemplazo y mantenimiento del sistema. Además, la reutilización de proyectos históricos también es una estrategia eficaz para reducir los costos de desarrollo y fabricación y mejorar la confiabilidad.
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¿Cómo prevenir o reducir eficazmente el impacto de la deformación térmica de la soldadura de la bandeja de la batería?
Las bandejas de batería, también conocidas como cajas de batería o cajas PACK, se valoran cada vez más como un componente muy importante en el desarrollo de vehículos de nueva energía. El diseño de las bandejas de batería debe equilibrar la relación entre factores como el peso, la seguridad, el costo y el rendimiento del material. Las aleaciones de aluminio se utilizan ampliamente en la ingeniería ligera automotriz debido a su baja densidad y alta resistencia específica, lo que puede garantizar la rigidez al mismo tiempo que garantiza el rendimiento de la carrocería del vehículo.
1- Ubicación y selección del método de soldadura de la bandeja de la batería
Las bandejas de aluminio para baterías están hechas de perfiles de aluminio extruido y los distintos componentes se combinan en un todo mediante soldadura para formar una estructura de marco completa. Estructuras similares también se utilizan ampliamente en cajas de almacenamiento de energía.
Las partes soldadas de la bandeja de la batería generalmente incluyen la unión de la placa inferior, la conexión entre la placa inferior y el costado, la conexión entre el marco lateral, las vigas horizontales y verticales, la soldadura de los componentes del sistema de enfriamiento líquido y la soldadura de accesorios como soportes y orejas colgantes. Al seleccionar los métodos de soldadura, se seleccionarán diferentes métodos de soldadura de acuerdo con los diferentes requisitos estructurales y de material, consulte la siguiente tabla:
2-Análisis de la influencia de la deformación térmica de la soldadura
La soldadura es un método de procesamiento de calor local. Dado que la fuente de calor se concentra en la soldadura, la distribución de la temperatura en la soldadura es desigual, lo que finalmente conduce a la deformación de la soldadura y la tensión de soldadura dentro de la estructura soldada. La deformación térmica de la soldadura es el fenómeno por el cual la forma y el tamaño de las piezas soldadas cambian debido a la entrada y salida de calor desiguales durante el proceso de soldadura. Combinado con la experiencia real en proyectos de ingeniería, se resumen las piezas que son propensas a la deformación térmica de la soldadura y los factores que influyen:
a.Área de soldadura recta y larga
En la producción real, la placa inferior de la bandeja de la batería generalmente está hecha de 2 a 4 perfiles de aleación de aluminio empalmados entre sí mediante soldadura por fricción y agitación. Las soldaduras son largas y también hay soldaduras largas entre la placa inferior y la placa lateral, y entre la placa inferior y la viga espaciadora. Las soldaduras largas son propensas a sobrecalentamiento local en el área de soldadura debido a la entrada de calor concentrada, lo que resulta en deformación térmica.
Soldadura del marco de la bandeja de la batería
b.Uniones multicomponentes
Se produce por el calentamiento local a alta temperatura y el enfriamiento posterior durante el proceso de soldadura en la soldadura de múltiples componentes. Durante el proceso de soldadura, la soldadura se somete a una entrada de calor desigual, lo que da como resultado una diferencia de temperatura significativa entre el área de soldadura y el material original circundante, lo que provoca efectos de expansión y contracción térmica, lo que provoca la deformación de las piezas soldadas. El extremo de instalación eléctrica de la caja del paquete de almacenamiento de energía generalmente está equipado con una boquilla de agua, un soporte de mazo de cables, una viga, etc., y las soldaduras son densas y muy fáciles de deformar.
En el área intensiva en soldadura, el lado frontal del pallet está deformado y torcido.
c.Pared lateral del canal de placa fría
En la bandeja de la batería con diseño integrado de placa de refrigeración líquida, las piezas con menor rigidez estructural, como placas delgadas y estructuras de tuberías, no pueden resistir bien la deformación térmica durante la soldadura y son propensas a deformarse. Por ejemplo, la pared lateral del canal de flujo de la placa de refrigeración líquida es muy delgada, generalmente solo unos 2 mm. Al soldar vigas, soportes de mazos de cables y otras piezas en la superficie de montaje del módulo, es fácil provocar grietas y arrugas de deformación en la pared lateral del canal de flujo, lo que afecta el rendimiento general.
Defectos de grietas térmicas en la pared del canal de refrigeración líquida causados por la soldadura por haz
3-Método de control de deformación térmica de soldadura
a.Soldadura de segmentos, soldadura de doble cara
Para piezas con requisitos de resistencia relativamente bajos, se adopta la soldadura segmentada y el proceso de soldadura se divide en múltiples secciones pequeñas. Las soldaduras se disponen simétricamente y las soldaduras se disponen simétricamente cerca del eje neutro en la sección de construcción, de modo que las deformaciones causadas por las soldaduras puedan compensarse entre sí. Al mismo tiempo, se minimiza la longitud y el número de soldaduras y se evita la concentración excesiva o el cruce de soldaduras, lo que puede reducir el gradiente de temperatura de soldadura y, por lo tanto, reducir la deformación de la soldadura. Para piezas con altos requisitos de resistencia, como la placa inferior, la placa inferior y el marco lateral, se adopta la soldadura de doble cara para aumentar la resistencia y reducir la deformación por flexión causada por piezas grandes y soldaduras largas.
b.Optimización de la secuencia de soldadura
Controle la deformación de la soldadura, utilice uniones con menor rigidez, evite las soldaduras que se cruzan en dos o tres direcciones y evite las áreas de alta tensión. Optimice la secuencia de soldadura, suelde primero las áreas de menor rigidez y las de mayor rigidez al final, como soldar primero las soldaduras de filete, luego las soldaduras cortas y, por último, las soldaduras largas; suelde primero las soldaduras transversales y luego las soldaduras longitudinales. Una secuencia de soldadura razonable puede controlar eficazmente la deformación de la soldadura, controlando así las dimensiones de la soldadura.
c.Ajuste de parámetros de soldadura
Controle los parámetros y procesos de soldadura y establezca razonablemente la velocidad de soldadura, el número de capas de soldadura y el espesor de cada soldadura. Para soldaduras más gruesas, utilice métodos de soldadura multicapa y multicanal, y el espesor de cada capa de soldadura no debe superar los 4 mm. La soldadura multicapa puede reducir la microestructura estructural y mejorar el rendimiento de la unión. Controle con precisión los parámetros de soldadura y seleccione razonablemente parámetros como la corriente de soldadura, el voltaje, el modelo de electrodo y la velocidad de soldadura para garantizar una forma y un tamaño consistentes del baño de fusión, evitando así errores causados por una selección incorrecta de parámetros.
d.Mejora de las habilidades de soldadura
Mejorar las habilidades operativas del soldador (utilizar el procesamiento mecánico para componentes grandes o nodos con requisitos estrictos) para garantizar la consistencia y estandarización de las acciones durante la soldadura y reducir los problemas dimensionales causados por factores humanos.
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Por qué la aleación de aluminio se ha convertido en el material de primera elección para placas y radiadores de refrigeración líquida: análisis del principio de conductividad térmica de la aleación de aluminio
La aleación de aluminio es el material estructural no ferroso más utilizado en la industria, especialmente en escenarios donde la conductividad térmica de los materiales es de gran preocupación, y en situaciones donde se requiere una conducción de calor eficiente, como en la disipación de calor de equipos electrónicos, la disipación de calor de los tres sistemas de potencia de vehículos eléctricos y los sistemas de almacenamiento de energía en baterías. En los campos de la disipación de calor y la aeroespacial, se utiliza generalmente para fabricar equipos de transferencia de calor eficientes, como radiadores, placas de conducción de calor y componentes electrónicos.
La conductividad térmica, también llamada conductividad térmica, es un índice de parámetro que caracteriza la conductividad térmica de los materiales. Indica la conducción de calor por unidad de tiempo, unidad de área y gradiente de temperatura negativo. La unidad es W/m·K o W/m·℃. La aleación de aluminio es un material de aleación compuesto de aluminio y otros metales. Su conductividad térmica es muy excelente y el coeficiente de conductividad térmica suele estar entre 140-200 W/(m·K). Como el metal con mayor contenido en la corteza terrestre, el aluminio tiene un coeficiente de conductividad térmica relativamente bajo. Es favorecido por su gran altura, baja densidad y bajo precio.
1-Principio de conductividad térmica de los materiales de aleación de aluminio
Cuando hay una diferencia de temperatura entre áreas adyacentes de un material, el calor fluirá desde el área de alta temperatura al área de baja temperatura a través de la parte de contacto, lo que dará como resultado la conducción de calor. Hay una gran cantidad de electrones libres en los materiales metálicos. Los electrones libres pueden moverse rápidamente en el metal y pueden transferir calor rápidamente. La vibración reticular es otra forma de transferencia de calor del metal, pero queda relegada a un segundo plano en comparación con el método de transferencia de electrones libres.
Comparación de los métodos de conducción del calor entre metales y no metales
2-Factores que afectan la conductividad térmica de las aleaciones de aluminio
a.La aleación es uno de los principales factores que afectan la conductividad térmica. Los elementos de aleación existen en forma de átomos de solución sólida, fases precipitadas y fases intermedias. Estas formas traerán defectos cristalinos, como vacantes, dislocaciones y distorsión reticular. Estos defectos aumentarán la probabilidad de dispersión de electrones, lo que dará como resultado una reducción en el número de electrones libres, reduciendo así la conductividad térmica de las aleaciones. Diferentes elementos de aleación producen diferentes grados de distorsión reticular en la matriz de Al y tienen diferentes efectos en la conductividad térmica. Esta diferencia es el resultado de múltiples factores como la valencia de los elementos de aleación, las diferencias de volumen atómico, la disposición de los electrones extranucleares y el tipo de reacción de solidificación.
b.El tratamiento térmico es un paso muy importante en el procesamiento de aleaciones de aluminio. Al cambiar la microestructura y la transformación de fase de las aleaciones de aluminio, su conductividad térmica puede verse afectada significativamente. El tratamiento de solución sólida consiste en calentar la aleación de aluminio a una determinada temperatura para disolver completamente los átomos de soluto en la matriz y luego enfriarla rápidamente para obtener una solución sólida uniforme. Este tratamiento mejora las propiedades mecánicas del material, pero generalmente reduce su conductividad térmica. El tratamiento de envejecimiento se realiza mediante una deformación en frío adecuada y un recalentamiento después del tratamiento de solución sólida, lo que puede optimizar la microestructura de la aleación y mejorar su rendimiento general. El tratamiento de envejecimiento tiene en cuenta las propiedades mecánicas y la conductividad térmica de la aleación, de modo que la aleación mantenga una alta resistencia y al mismo tiempo tenga una buena conductividad térmica. El recocido mejora la microestructura de la aleación manteniéndola a una temperatura más baja para precipitar y redistribuir la segunda fase en la aleación. El tratamiento de recocido puede mejorar la plasticidad y la tenacidad de las aleaciones de aluminio, pero el efecto sobre la conductividad térmica varía según la situación específica.
Diagrama esquemático de los cambios en la estructura cristalina durante el proceso de envejecimiento de la aleación Al-Cu
c.Otros factores que influyen son las impurezas y las partículas de la segunda fase: Las impurezas y las partículas de la segunda fase (como óxidos, carburos, etc.) en las aleaciones de aluminio pueden dispersar los portadores calientes (electrones y fonones), reduciendo así la conductividad térmica. Cuanto mayor sea el contenido de impurezas, más gruesas serán las partículas de la segunda fase y, en general, menor será la conductividad térmica. El tamaño de grano de las aleaciones de aluminio también afecta a la conductividad térmica. En términos generales, cuanto menor sea el tamaño de grano, más límites de grano habrá y menor será la conductividad térmica. Además, el método de procesamiento de la aleación de aluminio (como laminado, extrusión, forjado, etc.) afectará a su microestructura y estado de tensión residual, lo que afectará a la conductividad térmica. El endurecimiento por deformación y las tensiones residuales reducen la conductividad térmica.
En resumen, la aleación de aluminio es una opción ideal para materiales con alta conductividad térmica. Factores como el tipo de elementos de aleación en las aleaciones de aluminio y sus formas, los métodos de tratamiento térmico, las impurezas, el tamaño del grano y los métodos de moldeo afectarán la conductividad térmica de los materiales de aleación de aluminio. Se deben tener en cuenta consideraciones exhaustivas al diseñar la composición del material y la planificación del proceso.
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Puntos clave de diseño de la estructura del paquete de almacenamiento con refrigeración por inmersión
La tecnología de refrigeración por inmersión para almacenamiento de energía es un método avanzado de enfriamiento de baterías. Utiliza las propiedades térmicas de los líquidos para enfriar rápida, directa y completamente las baterías, asegurando su funcionamiento en un entorno seguro y eficiente.El principio básico consiste en sumergir completamente las baterías de almacenamiento en un líquido aislante, no tóxico y capaz de disipar el calor.Esta tecnología permite el intercambio térmico directo entre el líquido y las baterías, absorbiendo rápidamente el calor generado durante los ciclos de carga y descarga, y trasladándolo a un sistema de enfriamiento externo.
Diagrama de principio de un sistema de enfriamiento por inmersión para almacenamiento de energía
El sistema de enfriamiento por inmersión para almacenamiento de energía actúa como soporte y protección para las celdas de la batería, desempeñando funciones clave como el soporte del paquete de baterías, el refrigerante, la seguridad y la transferencia de calor.Por lo tanto, en el diseño de la estructura del contenedor se deben considerar aspectos como la estanqueidad, la eficiencia de enfriamiento, la seguridad, la selección de materiales y el proceso de fabricación para garantizar un funcionamiento seguro, eficiente y confiable del sistema.El diseño de la estructura del contenedor es la base de todo el sistema de enfriamiento por líquido.
1-Carga uniforme
La caja inferior del paquete de almacenamiento de energía refrigerado por líquido sumergido se compone de una placa inferior y placas laterales. La placa inferior sirve como soporte básico y las placas laterales se fijan alrededor de la placa inferior, que juntas forman el marco principal de la caja. El tamaño de la caja debe ajustarse teniendo en cuenta las necesidades generales y las condiciones de carga del sistema de refrigeración por líquido. En el diseño de cajas de mayor tamaño, se pueden configurar razonablemente particiones internas o estructuras de soporte para dividir el espacio grande en múltiples espacios pequeños. área de fuerza para mejorar la capacidad de carga uniforme. En la estructura interna, la capacidad de carga local se puede mejorar agregando nervaduras de soporte y nervaduras de refuerzo, y también se puede configurar una estructura de distribución de carga dentro de la caja para equilibrar la carga en cada esquina.
Al mismo tiempo, para reducir el impacto de la deformación plástica en la carga uniforme, se pueden diseñar superficies de procesamiento de diferentes alturas en un mismo plano, lo que puede reducir la frecuencia de ajustes de la máquina herramienta y evitar deformaciones causadas por diferencias de altura; también se puede aumentar el ancho o la altura del contenedor para dispersar la carga y reducir la deformación.
Además, el diseño integrado del canal de enfriamiento por líquido y la placa base del contenedor, realizado mediante soldadura por fricción agitada o soldadura láser, mejora significativamente la resistencia estructural de todo el sistema.
Esquema de la estructura de la caja inferior del Pack de almacenamiento de energía de enfriamiento por inmersión
2-Diseño de intercambio de calor
La conductividad térmica es un aspecto importante de la tecnología de refrigeración líquida por inmersión. El objetivo del diseño es garantizar que la batería pueda disipar el calor de manera efectiva en un entorno de alta temperatura, manteniendo así su rendimiento y seguridad.
Los materiales del contenedor deben tener una alta conductividad térmica. Los materiales comúnmente utilizados incluyen aleaciones de aluminio, cobre y compuestos a base de aluminio.El diseño del contenedor también debe considerar el impacto de las variaciones de temperatura ambiental. Un grosor de aislamiento adecuado puede garantizar que la temperatura interna del contenedor se mantenga dentro de un rango relativamente constante, mejorando así la eficiencia general del sistema.
El diseño estructural del contenedor afecta directamente su conductividad térmica. Una disposición adecuada de los canales de líquido garantiza un flujo fluido dentro del contenedor y maximiza la superficie de contacto, siendo esta la principal estrategia para mejorar la conductividad térmica del contenedor.Se pueden establecer varios canales dentro del contenedor para aumentar las rutas de circulación del líquido refrigerante, mejorando así el efecto de disipación de calor.
（lado izquierdo）Opción 1: Inmersión total + Unitaria + Intercambiador de placas
（lado derecho）Opción 2: Inmersión total + Unitaria + Intercambiador de caja
El sistema de refrigeración líquida incluye medio refrigerante, estructuras de conducción térmica, tuberías de refrigeración y estructuras de soporte.
En la Opción 1, se puede llenar los canales del intercambiador de calor y la cavidad de la caja con el mismo líquido refrigerante o diferentes líquidos, y ambas cavidades están selladas y son independientes entre sí.En la cavidad de la caja, el líquido refrigerante sumerge completamente el módulo de batería, asegurando un contacto total. El refrigerante permanece estático y utiliza la buena conductividad térmica del líquido para absorber el calor de la superficie de la batería, reduciendo así el aumento de temperatura.En el intercambiador de calor, el líquido refrigerante se divide en varios canales que entran en paralelo en el panel de refrigeración, y luego se reúnen en el colector de salida, siendo el principal responsable de la eliminación del calor para lograr la refrigeración.
En la Opción 2, el líquido refrigerante de baja temperatura entra desde la parte inferior o lateral, mientras que el líquido de alta temperatura sale desde arriba. El refrigerante circula dentro del paquete de baterías, lo que permite distribuir la temperatura de manera uniforme y efectiva, mejorando la eficiencia de enfriamiento general y manteniendo la coherencia de la temperatura de la celda o del paquete de baterías.
Para mejorar aún más el efecto de refrigeración, se pueden tomar diversas medidas de optimización, como optimizar el flujo de líquido y los métodos de circulación, elegir refrigerantes de alta capacidad térmica y mejorar la distribución de temperatura del líquido.Estas medidas pueden reducir la acumulación de calor y la pérdida de energía, asegurando que la batería funcione en un estado de enfriamiento eficiente.
3-Diseño de sellado
Para la caja de refrigeración líquida, se realiza un diseño de sellado completo utilizando materiales y estructuras de sellado avanzados. El diseño del sellado no solo debe considerar la estanqueidad al aire, sino también la estanqueidad del medio líquido para garantizar que no haya fugas en ninguna dirección de las celdas de la batería.
El diseño debe seleccionar la forma y el tipo de sellado adecuados según las necesidades específicas de la aplicación, considerando factores como el grado de libertad de las fugas de los sellos, la resistencia al desgaste, la compatibilidad con el medio y la temperatura, y la baja fricción. Según las especificaciones detalladas, se deben elegir tipos y materiales de sellado adecuados.
Además, la elección del proceso de soldadura tiene un gran impacto en el rendimiento del sellado. Elegir el método de soldadura adecuado para diferentes materiales y grosores puede mejorar eficazmente la calidad de las juntas de soldadura, garantizando así la resistencia y estanqueidad global del sistema.
Imagen del producto terminado del cuerpo inferior del pack de almacenamiento de energía por inmersión líquida unitaria
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Riesgos de contaminación de los canales y técnicas de control de limpieza en el proceso de fabricación de placas de refrigeración líquida
A medida que la densidad de potencia y la generación de calor de diversos productos electrónicos sigue aumentando, la gestión térmica se enfrenta a desafíos cada vez mayores,La refrigeración líquida se está convirtiendo gradualmente en la solución predominante debido a su alta eficiencia de refrigeración, bajo consumo de energía, bajo ruido y alta fiabilidad.
El sistema de refrigeración líquida funciona uniendo la placa fría con el grupo de baterías (u otra fuente de calor) y haciendo circular un refrigerante en el interior para disipar el calor generado por la fuente de calor,Este calor se transfiere luego a través de uno o varios circuitos de refrigeración y, en última instancia, se disipa al ambiente exterior.
Como componente central de un sistema de refrigeración líquida, la placa de refrigeración líquida es un elemento de disipación de calor altamente eficiente, cuya función principal es eliminar el calor generado durante el funcionamiento de la batería (u otras fuentes de calor) mediante la circulación del líquido refrigerante, permitiendo que el equipo funcione dentro de un rango de temperatura seguro.Si los canales de la placa de refrigeración líquida no están limpios, esto puede afectar la uniformidad del flujo del líquido refrigerante. Las partículas extrañas de gran tamaño pueden provocar obstrucciones o un flujo irregular, lo que impide una transmisión eficaz del calor y afecta la eficiencia de disipación de calor y el rendimiento general de los dispositivos electrónicos.
Si quedan impurezas en los canales, estas pueden dañar la capa protectora de óxido en las paredes metálicas, provocando corrosión o erosión en la placa de refrigeración líquida. Además, las impurezas en los canales pueden causar un contacto deficiente entre los componentes, lo que puede llevar al envejecimiento o daño de los sellos, aumentando así el riesgo de fugas y afectando la estabilidad a largo plazo del sistema.
1-Requisitos de limpieza de los canales de las placas de refrigeración líquida
Las soluciones actuales de cajas de refrigeración líquida para almacenamiento de energía generalmente requieren que los canales estén libres de cuerpos extraños, virutas de aluminio, restos de aceite y líquidos. En algunos casos, se establecen requisitos específicos sobre la masa de impurezas y el tamaño de las partículas duras y blandas.
2-Etapas de alto riesgo de contaminación de los canales durante la fabricación de placas de refrigeración líquida
Durante el proceso de fabricación de componentes de placas de refrigeración, como los canales internos y las estructuras de las interfaces de refrigeración, residuos de aceite, refrigerante de corte, virutas de metal y otros cuerpos extraños pueden entrar fácilmente en los canales durante las etapas de corte, perfilado de canales, etc. Las áreas de mecanizado se encuentran en la entrada de los canales, lo que dificulta la protección, y las virutas que ingresan son difíciles de eliminar.
Procesamiento de componentes de placas de refrigeración líquida: limpieza de canales y desbarbado
Después del mecanizado de los canales de las placas de refrigeración, se sueldan tapones, boquillas y otros componentes para formar canales cerrados. La estructura de los canales suele ser no lineal, creando zonas difíciles de limpiar.
En el proceso de mecanizado posterior a la soldadura de las placas de refrigeración, se utiliza una gran cantidad de refrigerante de corte para enfriar las herramientas y las piezas, lo que genera una gran cantidad de virutas metálicas. Esta fase implica un alto riesgo de que el refrigerante y las virutas contaminen los canales, y que sean difíciles de eliminar por completo, lo cual representa un riesgo importante de contaminación del canal.
3-Limpieza y protección de los canales de la placa de refrigeración líquida
Para asegurar la fiabilidad y el rendimiento de los componentes de las placas de refrigeración líquida, generalmente se llevan a cabo operaciones de limpieza rigurosas.Enjuague: Se usa una pistola de agua a alta presión para enjuagar los canales internos de la placa de refrigeración líquida, eliminando posibles residuos, partículas u otras impurezas.Después del enjuague, los componentes de la placa de refrigeración líquida deben secarse para asegurar que no quede humedad residual en los canales.
Procesamiento de componentes de la placa de refrigeración líquida: enjuague y desengrasado
Las placas de refrigeración líquida, como las placas de enfriamiento, pueden contaminarse fácilmente durante el proceso de fabricación si no están debidamente protegidas. Virutas metálicas, aceite y líquidos de corte pueden entrar en el proceso de fabricación. Además, en el proceso de transporte, es fácil que ingresen cuerpos extraños.Generalmente, se considera de antemano la protección de los canales, como adhesivos antipolvo y manguitos protectores en los accesorios de agua.
Por lo tanto, la limpieza de los canales internos de las placas de refrigeración es una medida esencial para eliminar las contaminaciones y mejorar la limpieza de los canales. En la práctica, se requiere un control completo del proceso. Basándose en esto, se proponen medidas de control de contaminación específicas para controlar eficazmente la contaminación en los canales internos de las placas de refrigeración.
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Diseño del proceso de soldadura del cuerpo inferior para el almacenamiento de energía de las baterías
El cuerpo de la batería de almacenamiento de energía desempeña un papel clave en el sistema de almacenamiento, con funciones principales como protección de carga, transmisión de calor uniforme, instalación eléctrica y sellado a prueba de agua.
Con el aumento de los requisitos de densidad de energía de las baterías, el aluminio, con su alta conductividad térmica y baja densidad, se convierte en una solución eficaz para mejorar la eficiencia del sistema de baterías.El diseño integrado de los canales de flujo y las paredes laterales del cuerpo puede ahorrar trabajo de soldadura en los puntos clave de soporte de carga, mejorando la resistencia estructural. Esto garantiza la seguridad y estabilidad de la estructura en condiciones de carga estática, levantamiento y vibración aleatoria, mejorando en cierta medida la hermeticidad del cuerpo.
Además, el diseño integrado ayuda a reducir el número de piezas y el peso del cuerpo. Fabricado mediante un proceso de extrusión, ofrece costos de molde bajos, fácil procesamiento y flexibilidad para satisfacer diferentes volúmenes de producción.
1-Tipos principales del cuerpo inferior de almacenamiento de energía en aluminio extruido y soldado
La anchura del cuerpo inferior enfriado por líquido para el almacenamiento de energía generalmente varía entre 790 y 810 mm, y la altura entre 40 y 240 mm. Se divide en tipo plano y tipo brida (ver ilustración a continuación). La longitud del cuerpo enfriado por líquido está relacionada con la capacidad del producto de almacenamiento de energía, y hay soluciones comunes como 48s, 52s, 104s y otras especificaciones.
Cuerpo inferior enfriado por líquido de tipo plano
Cuerpo inferior enfriado por líquido de tipo brida
2-Formas estructurales del cuerpo inferior de almacenamiento de energía en aluminio extruido y soldado
El cuerpo enfriado por líquido es la estructura básica de todo el paquete de baterías, compuesto por una estructura de marco rectangular soldada a partir de un panel de base avec canales, juntas, boquillas, marco, vigas, soportes y orejas de elevación. Todas las piezas son de aleación de aluminio.
Diagrama de montaje de las piezas del cuerpo enfriado por líquido
El cuerpo enfriado por líquido necesita tener una capacidad de carga y una resistencia estructural suficientes, lo que impone altos requisitos de calidad de soldadura, incluyendo el proceso de soldadura, el control de la clasificación de las soldaduras y las habilidades de los soldadores, para garantizar la seguridad y la fiabilidad en la aplicación práctica.
La tecnología de enfriamiento por líquido tiene altos requisitos de hermeticidad para el cuerpo enfriado por líquido, incluyendo la hermeticidad del cuerpo inferior y de los canales de enfriamiento por líquido. Además, los canales de enfriamiento por líquido deben soportar la presión del flujo del refrigerante, lo que aumenta aún más los requisitos de hermeticidad de los canales de enfriamiento por líquido.
3-Requisitos de calidad de soldadura
Se requiere generalmente que el panel inferior enfriado por líquido se suelde mediante soldadura por fricción, y los tapones del cuerpo enfriado por líquido de tipo plano también se sueldan de esta manera. Normalmente, la hendidura de la soldadura por fricción debe ser ≤ 0.5, y no se permiten metales sueltos o que puedan desprenderse debido a vibraciones.
Los canales de enfriamiento por líquido, los marcos, las boquillas, las orejas de elevación, las vigas transversales y otros accesorios suelen soldarse mediante TIG o CMT. Teniendo en cuenta las diferentes exigencias de rendimiento de las piezas, los canales de enfriamiento, los marcos, las boquillas y las orejas de elevación se sueldan completamente, mientras que las vigas transversales y los accesorios se sueldan por secciones. La planitud en la zona de las vigas del módulo de batería delantero y trasero debe ser inferior a 1,5 mm para un solo módulo y inferior a 2 mm para el total; la planitud del marco debe cumplir con ± 0,5 mm por cada aumento de longitud de 500 mm.
En la superficie de la soldadura no se permiten defectos como grietas, falta de penetración, falta de fusión, porosidad superficial, escoria expuesta o soldaduras incompletas. En general, se exige que la altura de la soldadura de la boquilla sea ≤ 6 mm; las soldaduras en otras posiciones no deben sobresalir de la superficie inferior del cuerpo, y las soldaduras en el interior de las vigas de los módulos delanteros y traseros no deben sobresalir de la superficie interna.
La profundidad de la soldadura debe cumplir con los requisitos de los estándares pertinentes. La resistencia a la tracción de las uniones de soldadura por arco no debe ser inferior al 60 % del valor mínimo de resistencia a la tracción del material base; para las uniones de soldadura láser y por fricción, la resistencia a la tracción no debe ser inferior al 70 % del valor mínimo de resistencia a la tracción del material base.
Además, la soldadura del cuerpo inferior también debe cumplir con los estándares de hermeticidad IP67, por lo que, para el tratamiento posterior a la soldadura, se exige generalmente que las escorias y las soldaduras en el área de las vigas del módulo delantero y trasero se pulan; las soldaduras en el exterior de la bandeja no deben pulirse, y las soldaduras en las superficies de sellado deben estar pulidas uniformemente, sin diferencias de altura significativas con el marco.
Tabla: Selección de procesos de soldadura para cajas inferiores de refrigeración líquida para almacenamiento de energía y aplicaciones típicas
Actualizaremos periódicamente la información y las tecnologías relacionadas con el diseño térmico y la reducción de peso. Gracias por su interés en Walmate.
Diseño de disipador de calor con aletas rectangulares
El propósito de un disipador de calor es aumentar el área de transferencia de calor dentro de un espacio de volumen determinado. Mejorando la forma de la estructura, se puede aumentar la eficiencia de transferencia de calor desde la superficie hacia el fluido circundante. Mediante tratamientos de superficie, entre otras técnicas, se aumenta el área efectiva de transferencia, logrando así mejorar la disipación de calor y controlar la temperatura.
En aplicaciones donde la densidad de potencia de volumen y la densidad de flujo térmico no son altas, los disipadores con aletas rectas y rectangulares son populares entre los ingenieros debido a su estructura simple, su costo de fabricación razonable y su buen rendimiento de disipación de calor.
Comparación de diferentes métodos de transferencia de calor
1-Diseño de aletas de disipador de calor
Un disipador de calor actúa como una superficie de disipación extendida, centrándose principalmente en parámetros como la altura, la forma, el espaciado de las aletas y el grosor de la placa base.
Dimensiones del disipador de calor de aletas planas
Según el diagrama anterior, se puede calcular el área de disipación extendida del disipador de calor:
Área de una sola aleta:Af = 2L（h+t/2），
Área de espacios：Ab= Lh，
Área total de disipación de calor: At=nAf +(n±1)Ab (n es el número de aletas).
Vista seccional de la aleta
La función principal de las aletas es aumentar la superficie para mejorar la eficiencia de la transferencia de calor.El espaciado, el grosor y la altura de las aletas son factores clave para determinar la cantidad, distribución y superficie de las aletas.Como se muestra en la imagen, cuando h↑ o t↓, las aletas son más altas, delgadas y densas, lo que permite una mayor superficie de disipación.
Cuando aumenta la superficie de las aletas, su contacto con el aire también aumenta, lo que facilita la disipación de calor.Los ingenieros también pueden aumentar la superficie de disipación optimizando la forma de las aletas, como onduladas o dentadas.
Aunque una mayor superficie de las aletas mejora la disipación de calor, no significa necesariamente que más grande siempre sea mejor.Ya sea con disipación natural o refrigeración forzada, el espaciado de las aletas es un factor importante para el coeficiente de transferencia de calor del aire.
Impacto del espacio y la altura de las aletas en la eficiencia de disipación de calor.
En condiciones de disipación natural, las variaciones de temperatura en la superficie del disipador generan convección natural y flujo de la capa límite de aire en las paredes de las aletas. Un espaciado demasiado estrecho puede obstaculizar este proceso.En condiciones de refrigeración forzada, el grosor de la capa límite en las aletas se comprime, permitiendo un espaciado más estrecho, pero está limitado por los métodos de fabricación y la fuerza motriz. Por lo tanto, es crucial equilibrar el grosor y la altura de las aletas.
2-Diseño de la base del disipador de calor
El grosor de la base es un factor importante que afecta la eficiencia del disipador de calor. Cuando la base es delgada, la resistencia térmica hacia las aletas alejadas de la fuente de calor es mayor, lo que provoca una distribución desigual de la temperatura y reduce la resistencia del disipador a los choques térmicos.
Aumentar el grosor de la base puede corregir la distribución desigual de la temperatura y mejorar la resistencia a los choques térmicos, aunque una base demasiado gruesa puede causar acumulación de calor y reducir la capacidad de conducción térmica.
Esquema del principio de funcionamiento del disipador térmico
Como se muestra en la imagen:
Cuando la superficie de la fuente de calor es menor que la de la placa base, el calor debe difundirse desde el centro hacia los bordes, formando una resistencia térmica de difusión. La ubicación de la fuente de calor también influye en esta resistencia. Si la fuente está cerca del borde del disipador, el calor se puede transferir más fácilmente por el borde, reduciendo así la resistencia de difusión.
Nota: La resistencia térmica de difusión se refiere a la resistencia que se encuentra en el diseño de un disipador de calor cuando el calor se difunde desde el centro de la fuente de calor hacia los bordes. Este fenómeno suele ocurrir cuando hay una gran diferencia entre el área de la fuente de calor y el área de la base, lo que hace que el calor deba difundirse de una zona más pequeña a una zona más grande.
3-Proceso de conexión entre las aletas y la placa base
El proceso de conexión entre las aletas y la placa base del disipador generalmente involucra varios métodos para asegurar una buena conductividad térmica y estabilidad mecánica. Se divide principalmente en dos categorías: integrado y no integrado.
En los disipadores integrados, las aletas y la placa base forman una sola pieza, sin resistencia térmica de contacto. Los métodos principales son los siguientes:
l Moldeo por inyección de aluminio: Al fundir el lingote de aluminio en estado líquido, se introduce a alta presión en un molde metálico, permitiendo que el disipador se forme directamente en la máquina de inyección, creando aletas con formas complejas.
l Extrusión de aluminio: Luego de calentar el aluminio, se coloca en un cilindro de extrusión y se aplica presión para que fluya a través de un molde específico, obteniendo un material bruto con la forma y tamaño de sección deseado, y se somete a procesos adicionales de corte y acabado.
l El tratamiento de forjado en frío tiene la ventaja de poder crear aletas de disipación finas con un alto coeficiente de conductividad térmica, aunque a un costo relativamente mayor. Es más adecuado para formas especiales en comparación con la extrusión de aluminio.
l Los disipadores con aletas fabricadas por fresado pueden ser de cobre, con alta conductividad térmica, y las aletas pueden ser muy finas. Las aletas se levantan directamente de la placa base con una herramienta, aunque altas tensiones pueden causar deformación si son muy largas o altas.
En la fabricación no integrada, las aletas de refrigeración y la placa base se procesan por separado y luego se ensamblan mediante soldadura, remachado o pegado. Los principales métodos son:
l Soldadura: Las aletas y la placa base se conectan mediante un material de soldadura, que incluye soldadura a alta temperatura y soldadura con pasta de estaño a baja temperatura;
La soldadura tiene buenas propiedades de transferencia de calor; al soldar sustratos de Al y aletas, se requiere un recubrimiento de níquel, lo que aumenta el costo y no es adecuado para disipadores de gran tamaño; al usar soldadura, no se necesita recubrimiento de níquel, pero el costo de soldadura sigue siendo alto.
l Remachado: Las aletas se insertan en la ranura de la placa base, luego la ranura se presiona hacia el centro mediante un molde, asegurando así un ajuste firme y una conexión sólida con las aletas de refrigeración.
La ventaja del remachado es su buena capacidad de transferencia de calor, pero los productos remachados tienen riesgo de generar espacios y aflojamientos tras un uso repetido; se puede mejorar el proceso de remachado para aumentar la fiabilidad, pero esto también incrementa los costos. Por lo tanto, los disipadores remachados se utilizan comúnmente en situaciones donde no se requieren altos niveles de fiabilidad.
l Adhesión: Generalmente se utiliza resina epóxica conductora de calor para pegar firmemente las aletas de refrigeración a la placa base, asegurando así la conducción de calor.
La adhesión utiliza resina epóxica conductora de calor, cuyo coeficiente de conductividad térmica es mucho más bajo que el de las soldaduras, pero es adecuada para aletas más altas, altas proporciones y disipadores de pequeño espaciado. Se puede utilizar en situaciones donde las exigencias de rendimiento térmico no son altas.
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Escenarios de aplicación
Condiciones de trabajo:Escenario de alto flujo de calor
Diseño de instalación:Instalación de un solo lado
Aplicación típica: Para ser personalizado por los clientes
Características: Buen efecto de disipación de calor
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Simulación de fluidos
Utilice software de simulación para analizar el rendimiento térmico de disipadores de calor y placas frías
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Escenarios de aplicación
Tecnología:Soldadura a medida de perfiles de aluminio
Diseño e instalación:Refrigeración líquida inferior
Aplicación típica: Para ser personalizado por los clientes
Características: Peso ligero y buen efecto refrescante
Refrigeración líquida de la batería
En un sistema de refrigeración líquida, la placa fría se coloca directamente en la parte inferior de la batería o se inserta en el espacio entre las celdas.Una vez que el refrigerante circula, se enfría a través del intercambiador de calor y luego circula de regreso al sistema.
Bandeja de batería de aluminio extruido
La carcasa del paquete de baterías de aleación de aluminio se compone principalmente de un marco de perfil de aleación de aluminio y una placa inferior de perfil de aleación de aluminio, que se suelda utilizando perfiles extruidos de 6 series.Para garantizar la resistencia y el sellado de la soldadura, a menudo se utiliza la soldadura por fricción y agitación con baja tensión y pequeña deformación. Las piezas estándar adecuadas para perfiles de aleación de aluminio generalmente incluyen manguitos de rosca de alambre, tuercas remachables y tuercas remachables a presión.A excepción de las piezas estándar, el resto está fabricado 100% de aleación de aluminio. La carcasa tiene alta resistencia, peso ligero y buena resistencia a la corrosión.
Vehículos Eléctricos (EV)
Los vehículos de nueva energía se refieren a vehículos que utilizan combustibles para vehículos no convencionales como fuentes de energía (o utilizan combustibles para vehículos convencionales y nuevos dispositivos de energía montados en vehículos), integran tecnologías avanzadas en el control y la conducción de la potencia del vehículo y formulan principios de tecnología avanzada con nuevas tecnologías y nuevas estructuras.
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Sugerencias de optimización de DFM
Ayudarle a reducir posibles errores y defectos en el proceso de producción y garantizar que el producto cumpla con los estándares de calidad requeridos por el diseño durante la producción
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Escenarios de aplicación
Condiciones de trabajo:Escenario de alto flujo de calor
Diseño de instalación:Instalación de un solo lado
Aplicación típica: Para ser personalizado por los clientes
Características: Buen efecto de disipación de calor
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Escenarios de aplicación
Tecnología:Soldadura a medida de perfiles de aluminio
Diseño e instalación:Refrigeración líquida inferior
Aplicación típica: Para ser personalizado por los clientes
Características: Peso ligero y buen efecto refrescante
Tendencia técnica y empresarial
Uso de energía limpia:
El clima, el medio ambiente, los recursos y la energía están estrechamente relacionados con la economía nacional y los medios de vida de las personas.Manejar bien estas cuestiones relacionadas determina si la sociedad humana puede desarrollarse de manera sostenible.Bajo la presión de la escasez de energía y la contaminación ambiental, las dos rutas técnicas de los vehículos con baterías de almacenamiento de energía y las pilas de combustible se han convertido en las principales direcciones de desarrollo de la industria de vehículos de nueva energía.
Automóvil ligero:
Teniendo en cuenta que el 75% del consumo de energía está relacionado con el peso del vehículo, el aligeramiento es un medio técnico importante para que los vehículos de nueva energía ahorren energía, reduzcan el consumo y amplíen la autonomía. El diseño liviano es uno de los factores clave para reducir el consumo de energía del vehículo.El uso de nuevos materiales ligeros, la optimización estructural y la mejora de procesos son los caminos clave para conseguir vehículos ligeros.
Gestión térmica:
Para los vehículos eléctricos con almacenamiento de energía, la gestión térmica se convertirá en una tecnología clave para lograr una carga rápida y aumentar la autonomía.Para los vehículos de pila de combustible de hidrógeno, la gestión térmica y del agua son tecnologías centrales clave en la investigación y el desarrollo de sistemas de energía de pilas de combustible, que tienen un impacto decisivo en el rendimiento, la seguridad y la vida útil del sistema de energía del vehículo.
Enfriamiento de virutas
Por lo general, el aire exterior se utiliza como disipador de calor para transferir el calor generado por el funcionamiento del chip al disipador de calor a través de diferentes medios e interfaces, y disipar el calor.
Carcasa del tren motriz todo en uno
Gracias a una alta integración, se ha logrado reducir los costos y el peso de los sistemas de propulsión eléctrica. Los principales fabricantes de automóviles a nivel nacional e internacional han adoptado diversas configuraciones de integración para sus sistemas de propulsión eléctrica, incluyendo soluciones "tres en uno", "cuatro en uno", "seis en uno", "siete en uno" y "ocho en uno".En el campo de los sistemas de propulsión de vehículos de nueva energía, Walmate desarrolla y fabrica piezas estructurales de ensamblajes de propulsión de vehículos de nueva energía que integran controles electrónicos, motores, controladores de vehículos, cajas reductoras y productos de carga.
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Pruebas de producto
Proporcionamos procedimientos de prueba personalizados para cumplir con los requisitos del cliente
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Escenarios de aplicación
Condiciones de trabajo:Escenario de alto flujo de calor
Diseño de instalación:Instalación de un solo lado
Aplicación típica: Para ser personalizado por los clientes
Características: Buen efecto de disipación de calor
Artículo intermedio: Diseño hermético de la caja del paquete de refrigeración líquida para almacenamiento de energía
La posible falla de la hermeticidad del paquete de enfriamiento líquido del almacenamiento de energía involucra múltiples aspectos, tales como: fugas, corrosión y deposición, agua de condensación y otros modos de falla.
1- Interconexión y composición de fluidos
En el sistema de refrigeración líquida para almacenamiento de energía, la interconexión de fluidos es la encargada de transferir el refrigerante entre los distintos componentes. Mediante una interconexión de fluidos eficaz, se garantiza que el refrigerante circule de manera eficiente en el sistema, eliminando así el exceso de calor generado durante el proceso de carga y descarga de la batería.
Un sistema bien sellado puede prevenir eficazmente las fugas de refrigerante. Las fugas no solo provocarán la pérdida de refrigerante y requerirán una reposición frecuente, sino que también afectarán el rendimiento de disipación de calor y la estabilidad del sistema. En el almacenamiento de energía, las fugas de refrigerante también pueden provocar cortocircuitos en la batería, lo que provoca problemas de seguridad.
2-Diseño hermético del sistema de interconexión de fluidos
El diseño hermético del sistema de interconexión de fluidos es el vínculo clave para garantizar que el sistema mantenga el sellado y evite fugas de fluidos en diversas condiciones de operación.
Figura 1: Implementación típica de un sistema de refrigeración líquida para almacenamiento de energía
(1) Analizar posibles fuentes de fuga y puntos de riesgo en el sistema:
l La propiedad de autosellado del conjunto de refrigeración líquida. Por ejemplo, en el diseño integrado del sistema de canal de refrigeración líquida y la caja de empaque, los componentes están conectados mediante soldadura. Los defectos de calidad de la soldadura, la soldadura deficiente, los poros, las grietas, etc. pueden provocar problemas de filtración de líquido.
l El diseño estructural no es razonable. Por ejemplo, los orificios de posicionamiento o los orificios roscados de la caja de refrigeración por líquido están demasiado cerca del canal de flujo y las piezas mal soldadas pueden convertirse fácilmente en canales de filtración de líquido.
l Piezas de conexión: Las conexiones de tuberías, válvulas y juntas del sistema de refrigeración líquida son puntos de fuga habituales. Si la estructura de conexión no está diseñada correctamente o el proceso de fabricación no es sofisticado, pueden aparecer pequeños defectos en el interior de las juntas y el refrigerante también puede filtrarse por estos defectos.
l Fugas causadas por una instalación incorrecta, envejecimiento o daños del material, etc.
(2) Diseño de la estructura de sellado:
l El PACK refrigerado por líquido utiliza un método de refrigeración por placa fría separada por vía seca y húmeda. En condiciones normales de funcionamiento, las celdas de la batería no tienen contacto con el refrigerante, lo que puede garantizar el funcionamiento normal de las celdas de la batería. Una solución para el enfriador de líquido de almacenamiento de energía es formarlo mediante un proceso de extrusión, integrar el canal de flujo directamente en la placa fría y luego utilizar un procesamiento mecánico para abrir la ruta de circulación de refrigeración. En este proceso, la elección del proceso de soldadura adecuado es un paso importante para garantizar el sellado. Para obtener más información, consulte "Diseño del proceso de soldadura para la caja inferior para almacenamiento de energía".
l Las tuberías de refrigeración líquida se utilizan principalmente para conexiones de tuberías blandas (duras) de transición entre fuentes de refrigeración líquida y equipos, entre equipos y entre equipos y tuberías. Los principales métodos de conexión son:
Conexión rápida: Uno de los métodos de conexión para los sistemas de refrigeración líquida de almacenamiento de energía es utilizar la conexión rápida VDA o CQC.
Conexión roscada: Ambos extremos de la estructura de conexión están conectados de forma deslizante con tuberías, y la conexión roscada entre el anillo de rosca interno y el manguito roscado aumenta la firmeza de la conexión.
Conexión de la tubería limitadora y la tuerca: Se sujeta una tubería de conexión en un extremo de la tubería y se instalan tuberías limitadoras de forma fija en ambos lados de la tubería de conexión. Se instalan arandelas de goma y anillos convexos de forma fija dentro de las tuberías limitadoras, y se abre una ranura para el anillo limitador en la superficie de la cabeza de la tubería de conexión. Una tuerca se conecta de forma giratoria a la parte superior del tubo limitador y se conecta de forma giratoria al tubo limitador a través de roscas.
Conexión del anillo de sellado: un anillo de sellado se adhiere a la pared interior del manguito roscado mediante un pegamento fuerte, y la pared interior del anillo de sellado está conectada de forma móvil a la superficie exterior de la tubería para evitar fugas durante el uso.
(3) La placa de refrigeración líquida PACK, la interfaz de la cabina, la tubería de la cabina, etc. están diseñadas con protección contra la corrosión a largo plazo en condiciones de refrigerante, temperatura y caudal comunes para garantizar un funcionamiento a largo plazo sin corrosión. Efecto de las condiciones de funcionamiento en la hermeticidad del líquido:
l Temperatura. Influencia de las altas temperaturas: A medida que aumenta la temperatura, la viscosidad del líquido generalmente disminuye, lo que puede hacer que el rendimiento de sellado del líquido disminuya, afectando así la hermeticidad del líquido. Por ejemplo, ciertos materiales de sellado pueden deformarse o deteriorarse a altas temperaturas, provocando fugas. Influencia de las bajas temperaturas: En un entorno de bajas temperaturas, el líquido puede volverse viscoso, aumentando la dificultad de flujo, pero también puede mejorar el rendimiento del material de sellado, mejorando así la hermeticidad del líquido hasta cierto punto.
l Presión. Entorno de alta presión: bajo alta presión, la densidad y la viscosidad del líquido pueden aumentar, mejorando así el rendimiento de sellado del líquido. Sin embargo, una presión excesiva también puede dañar el material de sellado y provocar fugas. Entorno de baja presión: bajo baja presión, el rendimiento de sellado del líquido puede ser relativamente débil, especialmente si el material de sellado en sí es defectuoso o viejo, es más probable que haya fugas.
l Caudal. Caudal alto: cuando el líquido fluye a alta velocidad, puede producir una gran fuerza de impacto en la superficie de sellado, lo que provoca desgaste o deformación del material de sellado, lo que afecta la hermeticidad del líquido. Caudal bajo: a un caudal bajo, el rendimiento de sellado del líquido es relativamente bueno, pero esto también puede ocultar algunos posibles problemas de sellado, como defectos menores en el material.
3-Problemas de corrosión y deposición
l El impacto del bloqueo en la hermeticidad del aire:
El refrigerante, los depósitos o el crecimiento de la caldera pueden provocar bloqueos internos, un flujo deficiente del refrigerante y una reducción de la eficiencia de enfriamiento.
Incrustaciones y incrustaciones: los minerales presentes en el refrigerante pueden formar depósitos en la pared interior de la tubería después de un funcionamiento prolongado, lo que se denomina "incrustaciones". Las incrustaciones también pueden formarse debido a la precipitación de partículas sólidas, la cristalización, la corrosión o la actividad microbiana. Esta suciedad obstruirá las tuberías y las placas de refrigeración, aumentará la resistencia al flujo y reducirá la eficiencia de la transferencia de calor.
Problema de espuma: se puede generar espuma en el sistema de refrigeración líquida. La espuma se adherirá a la superficie de la placa fría, lo que provocará una disminución del efecto de transferencia de calor y puede aumentar la resistencia en el funcionamiento del sistema, provocar corrosión por cavitación en la bomba, etc., y dañar el equipo.
l La influencia de las corrientes de Foucault en la hermeticidad del aire:
Cuando un fluido fluye por una tubería o un hueco, los cambios de velocidad pueden provocar la formación de remolinos, especialmente cuando el fluido pasa por partes estrechas u obstáculos, es más probable que se formen remolinos. La viscosidad y la densidad del fluido también afectan la generación de vórtices. Los fluidos con mayor viscosidad tienen más probabilidades de formar vórtices, mientras que los fluidos con mayor densidad pueden debilitar la formación de vórtices.
Caminos de fuga: Las corrientes de Foucault forman vórtices en las superficies de contacto, que pueden generar pequeños caminos de fuga en espacios o superficies irregulares, lo que provoca fugas de gas o líquido.
Desgaste de la superficie: el flujo en remolino puede provocar el desgaste de las superficies de contacto, especialmente en condiciones de flujo de alta velocidad. Este desgaste puede reducir aún más la hermeticidad del aire porque las superficies desgastadas tienen más probabilidades de formar nuevos canales de fuga.
Efectos térmicos: El flujo de corrientes de Foucault genera calor, lo que puede provocar deformación o expansión térmica del material de la superficie de contacto, afectando así la hermeticidad, especialmente en sistemas con grandes cambios de temperatura.
4-Problema de agua de condensación
En determinadas condiciones, puede formarse condensación en las líneas de refrigeración líquida, lo que puede provocar daños en el equipo o reducir la eficiencia. Falla del aislamiento: si el material de aislamiento de la tubería está dañado o envejecido, se perderá calor y se verá afectado el efecto de refrigeración. Especialmente en entornos de baja temperatura, la falla del aislamiento puede provocar la formación de escarcha o hielo en la superficie de la tubería. Agrietamiento por escarcha: en entornos fríos, si no se toman las medidas anticongelantes adecuadas, el refrigerante de las tuberías puede congelarse y provocar la rotura de las mismas.
Soluciones
l Medidas de sellado: Asegúrese de que la entrada y la salida de la tubería de refrigeración líquida estén completamente bloqueadas para evitar que el aire húmedo externo ingrese al compartimiento de la batería.
l Equipo de deshumidificación: Instale un acondicionador de aire deshumidificador o utilice la función de deshumidificación para mantener la humedad en el compartimiento de la batería dentro de un rango apropiado.
l Control de temperatura: Mediante la instalación de sistemas de aire acondicionado o ventilación, se puede controlar la temperatura y la humedad del ambiente donde se ubica el armario de almacenamiento de energía. Por ejemplo, se puede mantener la temperatura a 20-25 grados centígrados y la humedad relativa se puede controlar a un 40%-60%.
l Medidas de aislamiento: Aislamiento simple de los racks de baterías vacíos para evitar que la humedad entre en el compartimento que contiene el grupo de baterías.
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Paquete de almacenamiento de energía con diseño completamente sellado丨Artículo anterior
El diseño completamente sellado del paquete de almacenamiento de energía es la clave para garantizar su seguridad y un funcionamiento estable a largo plazo. El sellado es esencialmente el uso de un dispositivo para cerrar (sellar) un espacio o hacer que una junta sea a prueba de fugas. El diseño completamente sellado puede prevenir eficazmente la fuga de líquido y gas dentro de la celda de la batería, lo que es crucial para garantizar el funcionamiento seguro y estable del sistema de almacenamiento de energía. Por lo tanto, al diseñar, se deben considerar tanto la hermeticidad del aire como el sellado del medio líquido.
En la práctica, el diseño del sellado de los paquetes de almacenamiento de energía debe tener en cuenta de manera integral múltiples factores, como materiales, procesos, equipos de prueba, condiciones ambientales y procesos de fabricación, para garantizar que su rendimiento de sellado pueda cumplir con los estándares esperados. Este artículo explica la práctica de aplicación y los puntos clave del diseño del sellado de los paquetes de almacenamiento de energía en la ingeniería real desde los aspectos de hermeticidad de la caja del paquete, hermeticidad del líquido del ciclo de enfriamiento del líquido y medio de enfriamiento del líquido.
Artículo anterior: Diseño hermético de la caja del paquete de almacenamiento de energía
El diseño de sellado ayuda a mantener estable la temperatura y la presión dentro del paquete de almacenamiento de energía, lo que desempeña un papel clave en el funcionamiento y el rendimiento normales de la batería; y el diseño de sellado puede reducir el impacto del entorno externo en la batería interna, como la humedad, el polvo y otros contaminantes, etc., mejorando así la confiabilidad y la vida útil del sistema. Además, el uso de materiales y estructuras de sellado adecuados puede mejorar de manera efectiva la resistencia al desgaste y al envejecimiento de los sellos, mejorar la durabilidad de todo el sistema de almacenamiento de energía y reducir los costos de mantenimiento.
La idea general del diseño hermético es analizar la estructura de la caja para descubrir las áreas clave donde pueden existir fugas y luego tomar medidas específicas de acuerdo con el rendimiento específico y los requisitos funcionales de las diferentes áreas.
1-Análisis de la estructura de la caja
La caja no es solo el soporte físico de los módulos de batería y los componentes eléctricos, sino también una garantía importante para el funcionamiento seguro y fiable de todo el sistema de almacenamiento de energía. Es el "esqueleto" del paquete de almacenamiento de energía, que generalmente está compuesto por una tapa superior, una caja inferior, componentes de soporte y piezas de sellado y pernos, etc.
Figura 1: Diagrama esquemático de la caja del paquete de almacenamiento de energía y áreas clave de enfoque en el diseño de sellado (por ejemplo, marcadas con flechas rojas)
Como se muestra en la figura anterior, averigüe dónde pueden ocurrir posibles fugas:
l Puntos de conexión de múltiples piezas, como: la interfaz de ensamblaje entre la cubierta superior y la caja inferior, la interfaz de instalación entre los conectores de alto y bajo voltaje y la caja, la interfaz de instalación entre los componentes expuestos y la caja de la batería, etc.
l Si se utilizan pernos para la conexión, también puede haber riesgo de fugas en el punto de instalación y fijación, como la interfaz eléctrica y la interfaz de instalación del panel frontal de la caja.
l No debe haber agujeros ni espacios en la tapa superior ni en el cuerpo inferior de la caja para garantizar el sellado y el rendimiento protector de la caja.
Figura 2: Caja inferior de refrigeración líquida por inmersión (marco de chapa metálica + placa inferior de refrigeración líquida de aluminio)
2- Diseño de sellado de la interfaz de instalación entre la tapa superior y la caja inferior
La cubierta superior generalmente se puede dividir en dos tipos: tipo plano y tipo de forma especial. Sus características estructurales también son diferentes. Por ejemplo, material compuesto SMC, aluminio, sin importar qué material, para reducir la complejidad de la estructura autosellante, la cubierta superior de la carcasa de la batería La cubierta generalmente tiene un diseño de una sola pieza. Además, los requisitos de apertura de la cubierta superior también deben cumplir con los requisitos de la interfaz y deben ser independientes de la interfaz de sellado para reducir el impacto en el sellado del paquete de baterías. El diseño del sello de la cubierta superior generalmente sigue los siguientes principios:
l Se adopta el diseño de piezas integradas para evitar el diseño de piezas separadas, garantizando así la estabilidad del rendimiento de "autosellado" de la cubierta superior.
l Los orificios de posicionamiento y las características de posicionamiento están diseñados en el borde de la cubierta superior (fuera de la interfaz de sellado entre la cubierta superior y la bandeja inferior).
l La interfaz de sellado entre la cubierta superior y el cuerpo de la caja inferior requiere una superficie coincidente para cumplir con los requisitos de sellado "uniforme" y "continuo".
En la actualidad, las principales soluciones para la caja inferior del paquete de almacenamiento de energía son: caja de chapa metálica + placa de refrigeración líquida, caja de fundición a presión + placa de refrigeración líquida, caja integrada de perfil, caja integrada de fundición a presión, etc. Entre ellas, la caja integrada de perfil y otras soluciones Por el contrario, tiene las ventajas de una buena capacidad de carga del canal de flujo y un bajo coste de apertura del molde, y es ampliamente utilizada. La elección del proceso de soldadura tiene una gran influencia en el rendimiento del sellado. Para soldaduras de diferentes materiales y espesores, la elección de un método de soldadura adecuado puede mejorar eficazmente la calidad de la soldadura para garantizar la resistencia general y el rendimiento de sellado del sistema.
Además, el diseño de sellado de la caja inferior debe seguir los siguientes principios de sellado:
l Para la construcción del marco se utilizan perfiles de sección cerrada y en las juntas se utiliza tecnología de conexión lineal autosellante, como la tecnología de soldadura CMT.
l Las bandejas de batería hechas de perfiles de aluminio deben diseñarse con una o más capas continuas de coloide de sellado.
l En el caso de una placa de refrigeración líquida integrada en la caja inferior, es necesario considerar el uso de sellos coloidales o tecnologías de conexión lineal autosellantes, como la tecnología de soldadura por fricción y agitación FSW.
l La interfaz de sellado entre la tapa superior y el cuerpo de la caja inferior necesita una superficie que coincida con los requisitos de sellado "uniforme" y "continuo". Si es necesario, la interfaz de sellado debe mecanizarse y pulirse.
Figura 3: Formas de sellado comunes entre la tapa superior y la caja inferior
Por lo general, la cubierta superior y la caja inferior de la caja del paquete de almacenamiento de energía adoptan un diseño de brida doblada y junta de sellado, como se muestra en la Figura 2. La cubierta superior, el cuerpo de la caja inferior y la junta de sellado están completamente compactados y acoplados mediante pernos de fijación para garantizar que la caja del paquete cumpla con los requisitos relevantes de IP67.
3- Diseño de sellado de las interfaces eléctricas y de comunicación y de la interfaz de instalación del panel frontal de la caja inferior
El panel frontal de la caja (como se muestra en la Figura 3) está mecanizado con agujeros en el perfil extruido para instalar interfaces eléctricas y de comunicación para lograr funciones tales como transmisión de corriente, interacción de comunicación y control de seguridad.
Figura 4: Interfaz de instalación eléctrica, de comunicación y del panel frontal del gabinete inferior
La hermeticidad de la interfaz de instalación entre la caja y las interfaces eléctricas, de comunicación y otras, deberá seguir los siguientes principios:
l La forma de la interfaz está diseñada para ser aerodinámica para reducir la posibilidad de acumulación y penetración de gas y líquido en la interfaz.
l La alineación precisa evita espacios causados por la desalineación de las interfaces durante la instalación.
l Selle previamente la interfaz antes de la instalación y agregue almohadillas antivibración o selladores para mejorar el efecto de sellado inicial o reducir la falla de sellado causada por la vibración.
Además, en cuanto a la selección de elementos de fijación, se utilizan elementos de fijación de alta resistencia y alto par, que se aprietan varias veces durante el proceso de instalación para garantizar la estanqueidad de la interfaz. Por ejemplo, si se utiliza una tuerca de soldadura a tope, su característica es que se puede conectar directamente al orificio de la pared de la parte conectada (el panel frontal de la caja) para la soldadura a tope. Este diseño estructural puede mejorar significativamente la hermeticidad de la parte de conexión.
Figura 5: Uso de tuercas soldadas a tope para aumentar la hermeticidad
4-Seleccionar Sello
El diseño y la selección de los sellos son fundamentales, ya que afectan directamente la confiabilidad y la vida útil del sistema. A continuación, se indican los factores clave que se deben tener en cuenta al diseñar y seleccionar sellos para sistemas de refrigeración líquida con almacenamiento de energía:
l El material de sellado debe tener cierta compatibilidad química y de presión, y ser capaz de soportar el rango de temperatura de funcionamiento del sistema, incluidos entornos de alta y baja temperatura. La selección del material del sello depende del entorno de uso y los requisitos de vida útil. Los materiales de sellado comunes incluyen caucho, politetrafluoroetileno (PTFE), nailon, metal, etc.
l Libre de fugas: el sello debe poder adaptarse a la ligera deformación que pueda ocurrir en el sistema durante el funcionamiento para garantizar un buen efecto de sellado en diversas condiciones de trabajo. Generalmente, la deformación de la junta debe ser mayor al 30% y menor al 60%, y la presión de la interfaz de sellado debe ser mayor a 30 kPa.
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Diseño y desarrollo de paquetes de baterías livianos de múltiples materiales
En los vehículos eléctricos puros, el peso del paquete de baterías representa aproximadamente el 30% del peso en vacío. El peso ligero del paquete de baterías es de gran importancia para mejorar la autonomía de crucero del vehículo. Por lo tanto, la investigación sobre la alta energía específica de los paquetes de baterías es una de las principales direcciones de investigación actuales para los vehículos de nueva energía, y también es la principal forma de lograr vehículos eléctricos livianos. El aligeramiento de los paquetes de baterías de potencia se puede llevar a cabo en dos direcciones: mejorando las celdas individuales Se optimiza la densidad energética del paquete de baterías y se optimizan los accesorios relacionados con el paquete de baterías.
El desarrollo de paquetes de baterías ligeros de múltiples materiales tiene como objetivo reducir el peso del paquete de baterías, aumentar la densidad energética y la autonomía de crucero, al tiempo que se garantiza la seguridad y la fiabilidad mediante el uso de una variedad de materiales ligeros. Entre los componentes principales del paquete de baterías, el cuerpo de la celda de la batería tiene la mayor masa, seguido de la caja inferior del paquete, la cubierta superior y los componentes integrados del BMS.
1-Diseño liviano de la cubierta del paquete de batería
La tapa superior de la caja de la batería se encuentra por encima de la caja de la batería de potencia y no se ve afectada por los lados de la caja de la batería de potencia y no afectará la calidad de todo el paquete de baterías. Sus funciones incluyen principalmente el sellado y la protección. Para mejorar la eficiencia energética de todo el vehículo, también se considerarán materiales livianos en el diseño. El uso de materiales livianos, como aleaciones de aluminio y materiales compuestos (SMC, FRP, etc.), puede reducir significativamente el peso del paquete de baterías.
Además, el diseño estructural de la cubierta superior también debe tener en cuenta la eficiencia de fabricación y los requisitos de producción en masa. Cuando la estructura es muy irregular, puede resultar difícil utilizar el estampado, el doblado y la soldadura a medida. El diseño de la cubierta superior también debe tener en cuenta la conexión y la cooperación con otros componentes, como la caja inferior y las piezas estructurales de sellado, para garantizar la estabilidad estructural y la fiabilidad de toda la caja de la batería.
2-Diseño liviano de la carcasa inferior del paquete de baterías
La aleación de aluminio es un material ideal para las carcasas de los paquetes de baterías debido a su baja densidad, alta resistencia específica, buena estabilidad térmica, fuerte resistencia a la corrosión, buena conductividad térmica, no es magnética, es fácil de moldear y tiene un alto valor de reciclaje. Los materiales de aleación de aluminio más utilizados son 6061-T6, 6005A-T6 y 6063-T6. Estos materiales tienen diferentes límites de elasticidad y resistencias a la tracción y pueden satisfacer diferentes necesidades estructurales.
La carcasa del paquete de baterías generalmente está compuesta por un marco de perfil de aleación de aluminio y una placa inferior, que se suelda utilizando perfiles extruidos de aleación de aluminio de la serie 6. Durante el diseño, se deben tener en cuenta factores como el tamaño y la complejidad de la sección del perfil, el espesor de la pared, etc. para adaptarse a diferentes requisitos estructurales y funcionales. Por ejemplo, los componentes como marcos, particiones intermedias, paneles de piso, vigas, etc. pueden adoptar diferentes diseños de sección transversal.
A través de un diseño estructural y métodos de conexión razonables, se puede garantizar de manera efectiva la resistencia general de la carcasa, se puede reducir la dificultad de procesamiento y se puede reducir el peso de la carcasa:
l lParedes delgadas: al adoptar un diseño de paredes delgadas y usar refuerzos para cumplir con los requisitos de resistencia, se puede reducir de manera efectiva el peso del material.
l Vaciado: Introducción de perfiles huecos en el diseño estructural para reducir la densidad del material.
l Optimización del tamaño: optimice el tamaño de la batería para reducir el uso innecesario de material.
l Optimización de la topología: reduce el espacio ocupado por los materiales optimizando la disposición de los componentes internos del paquete de baterías.
l Diseño modular integrado: integre placas de enfriamiento, orejetas de elevación del paquete de baterías y otros componentes en la caja para reducir la cantidad y el peso de los componentes individuales.
3-Fabricación de tecnología ligera
l Modelado de materiales
En la actualidad, existen tres categorías principales de procesos de formación de material de caja de batería: estampado, fundición a presión de aleación de aluminio y extrusión de aleación de aluminio. El flujo de proceso general de la caja de batería de potencia incluye procesos de moldeo y conexión de material, entre los cuales el proceso de moldeo de material es el proceso clave de la caja de batería de potencia. En la actualidad, la carcasa superior se estampa principalmente, y los principales procesos de la carcasa inferior son el moldeo por extrusión y la fundición a presión de aleación de aluminio.
l Tecnología de conexión
El proceso de conexión de la caja de la batería es crucial en la fabricación de vehículos de nueva energía e involucra una variedad de tecnologías y métodos para garantizar la resistencia estructural y el sellado de la caja de la batería.
La soldadura es el principal proceso de conexión en el procesamiento de cajas de baterías y se utiliza ampliamente. Incluye principalmente los siguientes métodos:
① Soldadura por fusión tradicional: como TIG (soldadura con gas inerte de tungsteno) y MIG (soldadura con gas inerte de metal). La soldadura TIG tiene baja velocidad y alta calidad. Es adecuada para soldadura por puntos y soldadura de trayectoria compleja. Se utiliza a menudo para soldadura a medida de marcos y soldadura de piezas pequeñas de vigas laterales. La soldadura MIG tiene alta velocidad y fuerte capacidad de penetración, y es adecuada para soldadura de círculo completo dentro del conjunto de placa inferior del marco.
② Soldadura por fricción y agitación: La soldadura se logra generando calor a través de la fricción. Tiene las características de una buena calidad de unión y una alta eficiencia de producción.
③Tecnología de transferencia de metal en frío: es adecuada para materiales de placas delgadas. No hay aporte de calor durante el proceso de soldadura, lo que reduce la deformación.
④Soldadura láser: alta precisión, alta velocidad, adecuada para soldadura de estructuras complejas.
⑤ Soldadura por pernos y soldadura por proyección: se utilizan para la conexión rápida de piezas específicas. La soldadura por pernos se fija mediante pernos y tuercas, y la soldadura por proyección se conecta mediante protuberancias de presión.
El método de conexión mecánica resuelve principalmente los problemas de fácil soldadura y deslizamiento de la rosca de materiales de placa delgada durante la soldadura, incluyendo:
① Tuerca remachable ciega: se utiliza para conectar la superficie de sellado del marco de la caja y la placa inferior de la cavidad interna. Tiene las ventajas de una alta eficiencia de fijación y un bajo costo de uso. Adecuada para conexiones roscadas entre placas delgadas y otros componentes.
②Inserto de rosca de alambre: se utiliza para reforzar los orificios de los tornillos de aluminio u otros cuerpos de baja resistencia, mejorar la capacidad de carga de los tornillos y la distribución de la fuerza de las roscas, y es adecuado para orificios de montaje de módulos de batería y orificios de montaje de superficies de sellado. En comparación con las tuercas remachables ciegas, los insertos de rosca de alambre son más fuertes y más fáciles de reparar, pero generalmente no son adecuados para instalaciones de paredes delgadas.
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Plataformas de baterías y desarrollo de cajas de baterías
Para hacer frente a las demandas del mercado, como grandes extensiones, iteraciones rápidas y líneas de productos ricas, al mismo tiempo que se garantiza la reducción de costos, la mejora de la eficiencia y el control de calidad, para la industria automotriz, la estandarización de productos (plataformatización de vehículos) es, sin duda, una buena estrategia. A través de la plataformatización de baterías, se puede combinar la misma solución de paquete de baterías para diferentes modelos, o se pueden combinar soluciones de paquetes de baterías compuestas por el mismo tipo de celdas de batería y estructuras similares. Esto significa que se pueden estandarizar tantas piezas como sea posible, lo que puede acortar el ciclo de desarrollo, ahorrar costos, agilizar las líneas de producción y mejorar la eficiencia de la producción.
Primero:Plataformatización de baterías
La solución de la plataforma de baterías favorece la planificación general de los productos, la reducción de costes y la optimización de la capacidad de producción. De acuerdo con la estrategia de la plataforma de baterías de la plataforma del vehículo, es necesario considerar la intersección y el ancho de banda de los requisitos de cada modelo de la plataforma, y utilizar la menor cantidad posible de baterías y soluciones de baterías para que sean compatibles con la mayor cantidad posible de modelos. En el desarrollo de la arquitectura de los proyectos eléctricos puros, es crucial organizar razonablemente el paquete de baterías de energía integrado. Los elementos de trabajo específicos incluyen los requisitos de potencia y rendimiento de potencia, seguridad contra colisiones, ubicación y espacio de diseño, etc.
1- Límites de tamaño espacial y estandarización de celdas de batería
l Ubicaciones de paquetes de baterías disponibles
En la actualidad, la disposición de la batería de alimentación principal se encuentra debajo del piso, incluso debajo de los asientos delanteros, debajo de los asientos traseros, en el canal central y en el reposapiés. Esta disposición puede maximizar el área disponible, ayudar a bajar el centro de gravedad del vehículo, mejorar la estabilidad de manejo del vehículo y optimizar la trayectoria de transmisión de la fuerza de colisión.
Figura 1: Disposición del paquete de baterías durante el desarrollo de vehículos eléctricos
l Evolución de la distribución del espacio de los paquetes de baterías
Paquete de batería dividido: se adopta un diseño de espacio de paquete de batería dividido, como en la serie JAC Tongyue. El módulo de energía consta de dos paquetes de baterías, uno ubicado en la posición del tanque de combustible original y el otro ubicado en el maletero donde se almacena la llanta de repuesto.
Además, los ingenieros están explorando continuamente el espacio utilizable dentro de la arquitectura original de los vehículos de combustible, lo que da como resultado diseños de paquetes de baterías que aparecen en formas de "工" , "T" y "土"
Este tipo de diseño es una modificación menor de un vehículo de combustible tradicional. El espacio es muy limitado, y el volumen y el peso del paquete de baterías que se puede cargar son muy limitados, por lo que la capacidad es difícil de aumentar y la autonomía de crucero no es alta.
Paquete de baterías integrado: se trata de un nuevo concepto de diseño de producto. El diseño de todo el vehículo gira en torno al componente principal: el paquete de baterías. El paquete de baterías tiene un diseño modular y se coloca de forma plana sobre el chasis del vehículo para maximizar el espacio disponible.
l Disposición de los puntos de instalación del paquete de baterías
La disposición razonable del paquete de baterías es crucial, y los factores limitantes en el diseño son la distancia al suelo, la transitabilidad, la seguridad en caso de colisión, los requisitos de energía y muchos otros aspectos.
Figura 2: Restricciones de diseño del tamaño del paquete de baterías
La plataforma del vehículo debe definir la categoría, el nivel y la posición de cada modelo de vehículo dentro de la plataforma, y luego determinar el tamaño y la distancia entre ejes del vehículo. El diseño del vehículo descompone la envolvente de tamaño del paquete de baterías en las direcciones X, Y y Z de acuerdo con el espacio del vehículo. La batería debe estar dispuesta dentro de la envolvente dada del vehículo para garantizar que no haya interferencias entre los diversos sistemas del vehículo. El índice de peso en vacío puede descomponer los requisitos de calidad del sistema del paquete de baterías.
En términos de tamaño de la batería, el diseño de los paquetes de baterías de potencia no puede evitar indicadores de referencia rígidos como el espacio del vehículo y el peso en vacío, lo que significa que existe un umbral para el diseño de las celdas de la batería. Limitado por este umbral, el tamaño de la celda de la batería se concentrará en un rango determinado, como: la longitud de las celdas de batería cuadradas varía de 150 a 220 mm, el ancho varía de 20 a 80 mm y la altura varía alrededor de 100 mm. La tendencia cambiante de las especificaciones del tamaño de las celdas de la batería es el resultado de la relación complementaria entre la plataforma del vehículo y la estandarización de la batería.
Sin embargo, las estrategias de plataformas de baterías, los modelos de vehículos y la comprensión de la estandarización de los distintos fabricantes de automóviles son diferentes, lo que da como resultado diferencias significativas en las soluciones de productos actuales. Por ejemplo, la estrategia de estandarización de BYD es reemplazar por completo la batería de cuchillas, cuyo tamaño está fijado en 960*13,5 (14)*90 (102) mm, y el voltaje de celda única es 3,2/3,3 V.
2- Desarrollo de límites de resistencia y soluciones de capacidad de batería
La batería de potencia proporciona energía para que el vehículo se desplace: la capacidad de la batería, la profundidad de descarga y la densidad de energía afectan la cantidad de energía disponible. Para satisfacer las necesidades de los diferentes modelos, la diferencia en el consumo de energía de los modelos se ha convertido en una preocupación importante. La autonomía de crucero del vehículo se verá afectada por factores como la propulsión eléctrica, la batería, el peso en vacío, la resistencia al viento, la resistencia mecánica, el consumo de energía de bajo voltaje y la recuperación de energía. La posibilidad de compartir soluciones de batería entre modelos con grandes diferencias en el consumo de energía es débil, por lo que es necesario desarrollar soluciones de energía de batería personalizadas, que incluyan el tamaño de la batería, la calidad, la potencia y la optimización del rendimiento de la energía para cumplir con los requisitos del rendimiento de crucero.
En el marco de las limitaciones de la autonomía eléctrica pura de la plataforma de fabricación de vehículos, la descarga neta requerida por la batería se verá afectada por el consumo de energía de los diferentes modelos. Es necesario confirmar la distribución del consumo de energía de cada modelo en la plataforma para convertir aún más el ancho de banda del consumo de energía en la distribución de la demanda de la batería y, a continuación, determinar el plan de energía de la batería requerido por la plataforma.
3-Límite de rendimiento de 3 potencias
La potencia del vehículo completo incluye el rendimiento de potencia en diferentes estados de carga (SOC) y temperaturas ambientales, como aceleración, velocidad constante y modo de ahorro de energía. Esto se traduce en las características de potencia-voltaje de la batería en diferentes SOC y temperaturas, donde la potencia de la batería corresponde a los requisitos de potencia del sistema de propulsión del vehículo y el voltaje corresponde a los requisitos de voltaje nominal del motor de tracción.
Generalmente, la evaluación de soluciones de batería para toda la plataforma del vehículo comienza desde el tiempo de aceleración de 100 kilómetros a temperatura normal y alta potencia y su descomposición del indicador de batería, y se extiende gradualmente hasta la descomposición del indicador de batería en todo el rango y bajo todas las condiciones de operación.
SEGUNDO: Desarrollo de la caja de batería
1- Integración y modularización de baterías
Optimizar el diseño de los módulos de batería, mejorar la integración y modularidad de los paquetes de baterías, reducir los componentes inactivos y aumentar la densidad energética de los paquetes de baterías.
Las tecnologías de integración de paquetes de baterías más populares en la actualidad incluyen CTP, CTB, CTC y otras formas. La forma, el material y la combinación de piezas han cambiado con el avance de la tecnología de integración. La dirección general es la integración y la integración. Al reducir la cantidad de piezas independientes y usar una pieza grande para reemplazar varias piezas, se forman componentes más grandes y más funcionales.
2-Diseño de caja de batería
La caja de la batería es el portador del conjunto del sistema de batería de potencia, desempeña un papel clave en el funcionamiento seguro y la protección del producto, y afecta directamente a la seguridad de todo el vehículo. El diseño estructural de la caja de la batería incluye principalmente la selección de materiales de carcasa para la carcasa superior, la carcasa inferior y otros componentes de la caja de la batería, y la selección de soluciones de proceso de fabricación. La cubierta superior de la caja de la batería desempeña principalmente una función de sellado y no está sujeta a mucha fuerza; la carcasa inferior de la caja de la batería es el portador de todo el producto del sistema de batería de potencia, y el módulo de batería está dispuesto principalmente en la carcasa inferior. Por lo tanto, debe haber medidas estructurales como ranuras incrustadas y deflectores dentro de la caja de la batería para garantizar que el módulo de batería esté fijado de manera confiable cuando el vehículo está conduciendo, y no haya movimiento en las direcciones delantera, trasera, izquierda, derecha, arriba y abajo, para evitar el impacto en las paredes laterales y la cubierta superior y afectar la vida útil de la caja de la batería.
Figura 3: Solución de caja inferior de batería, marco a-skin, soldadura b-FSW + marco, soldadura c-FSW + marco
l Diseño de la estructura del punto de instalación del paquete de baterías y fijación de la conexión
El punto de instalación del paquete de baterías generalmente adopta una estructura de viga de montaje, que se extiende a través de la parte delantera y trasera, y el extremo delantero está conectado a la viga longitudinal de la cabina delantera para formar una estructura de viga cerrada eficaz y coherente. Los puntos de instalación están razonablemente dispuestos de acuerdo con la distribución del peso del paquete de baterías. El paquete de baterías y el vehículo se fijan de varias maneras, incluida la fijación con pernos, la fijación mecánica + conexión híbrida de unión adhesiva, conexión a presión, etc.
Figura 4: Disposición del paquete de baterías y sección de instalación
El paquete de baterías de potencia se instala generalmente en el vehículo mediante múltiples estructuras de argollas de elevación. Además del gran peso del propio paquete de baterías de potencia, las argollas de elevación también deben soportar la excitación de la carretera provocada por el movimiento del vehículo, como caminos de piedra y baches profundos. Estas condiciones de trabajo duraderas y las condiciones de uso indebido imponen mayores requisitos a la resistencia de la estructura de las argollas de elevación.
Figura 5: Diferentes soluciones de conexión de orejetas de elevación: a Orejeta de elevación soldada b Orejeta de elevación de marco de aluminio extruido
l Estructura de seguridad y protección de la caja de batería
Resistencia mecánica y protección: La caja de la batería debe tener suficiente resistencia mecánica para proteger las baterías en su interior de golpes e impactos mecánicos. La caja de la batería debe poder soportar vibraciones, extrusiones y golpes mecánicos para garantizar la seguridad de la batería en diversas condiciones.
Protección contra colisiones: el diseño de la caja de la batería debe tener en cuenta la seguridad contra colisiones, especialmente en caso de colisiones laterales y colisiones en la parte inferior. Por lo general, está hecha de aluminio o acero y se conecta a la bandeja inferior a través de un marco exterior para proporcionar rigidez estructural y mejorar las capacidades de absorción de energía de colisión. Además, se deben diseñar estructuras de absorción de colisiones adecuadas para evitar la deformación de la caja de la batería y daños a las celdas de la batería.
Resistente al agua, al polvo y a la corrosión: la caja de la batería debe ser resistente al agua y al polvo, y normalmente utiliza juntas de sellado de nivel IP67 para garantizar la hermeticidad. Además, también se deben considerar medidas anticorrosión, como rociar un revestimiento de PVC en el exterior para mejorar la resistencia a la corrosión.
Diseño a prueba de explosiones y con alivio de presión: cuando una batería explota, la energía debe liberarse de manera concentrada y direccional a través de dispositivos como válvulas antideflagrantes balanceadas para evitar que ingrese a la cabina del cliente. Además, se deben tomar medidas a prueba de explosiones (como la destrucción estructural parcial) para evitar la ruptura total del equipo.
l Diseño de sellado
El diseño de la superficie de sellado entre la tapa superior y la carcasa inferior de la caja de la batería desempeña un papel importante en el rendimiento del sellado, y su diseño debe diseñarse junto con la estructura de la caja de la batería y el anillo de sellado. La superficie de sellado debe mantenerse en el mismo plano tanto como sea posible para evitar demasiadas estructuras curvas. Dado que la tapa superior y la carcasa inferior están conectadas por pernos, se utiliza una gran cantidad de pernos, por lo que es particularmente importante asegurar la coaxialidad de los orificios. Al organizar las posiciones de los orificios de los pernos de manera razonable, las dimensiones de la posición deben ser lo más redondas posible y estar dispuestas simétricamente en las direcciones X e Y. La selección del número de pernos de conexión debe considerarse de manera integral en función del nivel de sellado y la cantidad de carga de trabajo de desmontaje y montaje.
Figura 6: Diseño de sellado de la caja superior e inferior, 1-cubierta superior de la batería 2-junta de sellado 3-cubierta inferior de la batería 4-conducto de metal
l Seguridad eléctrica y protección contra cortocircuitos
Fiabilidad de la conexión: Los conectores dentro de la caja de la batería deben tener la conexión de polaridad correcta para garantizar la capacidad de sobrecorriente de la caja de la batería y la confiabilidad de las conexiones eléctricas/mecánicas, incluidas las medidas de relajación, etc.
Diseño de aislamiento eléctrico y resistencia al voltaje: El diseño del módulo adopta una protección de doble aislamiento. La celda de la batería en sí tiene una capa de película azul y un parche superior para cumplir con los requisitos de aislamiento y resistencia al voltaje. La protección de aislamiento y resistencia al voltaje se establece entre la placa del extremo/lateral y la celda de la batería, y entre la celda de la batería y la superficie de montaje inferior.
l Diseño de gestión térmica
El desarrollo de la gestión térmica de la batería abarca todo el ciclo de diseño y desarrollo del sistema de paquete de baterías, incluido el diseño del control de temperatura de la batería, la placa fría, el sistema de tuberías, etc. El objetivo principal del diseño del sistema de gestión térmica de la batería es garantizar que el sistema de batería funcione a una temperatura de funcionamiento relativamente adecuada a través del control de calefacción o refrigeración, teniendo en cuenta la distribución del espacio, el coste del diseño, el peso ligero, etc., al tiempo que se reduce la diferencia de temperatura entre las celdas para garantizar la coherencia.
Actualizaremos periódicamente la información y las tecnologías relacionadas con el diseño térmico y la reducción de peso. Gracias por su interés en Walmate.
Innovación y desarrollo de la tecnología de integración de baterías
El paquete de baterías es la fuente de energía principal de los vehículos de nueva energía y proporciona la potencia necesaria para impulsar todo el vehículo. Por lo general, evaluamos las ventajas y desventajas de la tecnología de paquetes de baterías desde el punto de vista de la eficiencia (densidad energética), la seguridad, los costos de fabricación y mantenimiento.
En el diseño de baterías, el voltaje de una sola celda es de solo 3-4 V, mientras que el voltaje requerido por los vehículos eléctricos es de al menos 100 V. Los autos nuevos ahora tienen un voltaje de 700 V/800 V, y la potencia de salida es generalmente de 200 W, por lo que la batería necesita ser reforzada. Para cumplir con los requisitos de corriente y voltaje de los vehículos eléctricos, se deben conectar diferentes celdas en serie o en paralelo.
El paquete de baterías está compuesto de celdas de batería, sistemas electrónicos y eléctricos, sistemas de gestión térmica, etc., que están encerrados por una estructura de marco de batería: placa base (bandeja), marco (marco de metal), placa de cubierta superior, pernos, etc. Cómo "empaquetar" estos componentes y sistemas en un todo de manera más eficiente y segura siempre ha sido un tema de investigación y exploración continua para toda la industria.
Artículo anterior: Innovación y desarrollo de la tecnología de integración de baterías
El origen de la tecnología de grupos de baterías de potencia se remonta a la década de 1950 y se originó en la ex Unión Soviética y algunos países europeos. Esta tecnología se utilizó originalmente como un concepto de ingeniería y fabricación para determinar las similitudes físicas de las piezas (rutas de proceso universales) y establecer su producción eficiente.
El núcleo de la tecnología de grupo (GT) es identificar y explorar las similitudes de cosas relacionadas en las actividades de producción, clasificar problemas similares en grupos y buscar soluciones óptimas relativamente unificadas para resolver este grupo de problemas para lograr beneficios económicos. En el campo de las baterías de energía, la tecnología de grupo involucra principalmente la tecnología de integración de baterías de celdas individuales en paquetes de baterías (Packs), incluida la estructura, la gestión térmica, el diseño de conexión eléctrica y la tecnología del sistema de gestión de baterías (BMS).
La tecnología de agrupación anterior en el campo automotriz es MTP (Module To Pack), lo que significa que las celdas se integran primero en módulos y luego los módulos se integran en paquetes. Esta tecnología se caracteriza por módulos desmontables y reemplazables, que tienen una buena capacidad de mantenimiento, pero la eficiencia de agrupación es baja. Con el desarrollo de la tecnología, la tecnología de agrupación ha experimentado una transformación de MTP a CTP (Cell To Pack). La tecnología CTP se refiere a la tecnología de integración directa de celdas en paquetes, eliminando la estructura modular tradicional y mejorando la eficiencia de agrupación y la eficiencia de producción. En los últimos años, la industria también está explorando tecnologías de agrupación como CTC (Cell To Chassis), CTB (Cell To Body & Bracket) y MTB (Module To Body) con mayor eficiencia de integración.
En el campo de las baterías de energía y el almacenamiento de energía electroquímica, los principales avances tecnológicos de las baterías de litio provienen de la innovación estructural y la innovación de materiales. El primero es optimizar la estructura del "paquete de baterías de celdas-módulos" a nivel físico para lograr el objetivo de mejorar la densidad de energía del volumen del paquete de baterías y reducir los costos; el segundo es explorar los materiales de las baterías a nivel químico para lograr el objetivo de mejorar el rendimiento de las celdas individuales y reducir los costos. Este artículo se centra en el impacto de diferentes tecnologías de integración estructural en la tecnología de fabricación de paquetes de baterías y la dirección del desarrollo innovador desde la perspectiva de la integración estructural de los paquetes de baterías. Las tecnologías clave actuales para la integración de baterías de energía se muestran en la siguiente figura:
1- MTP que ha sido eliminado1- MTP que ha sido eliminado
Al comienzo de la actual ola de desarrollo de vehículos eléctricos, se han lanzado muchos modelos de vehículos de nueva energía que utilizan petróleo como combustible. Estos modelos siguen la disposición espacial y el diseño de estilo de los vehículos de gasolina tradicionales. Los ingenieros han ensamblado un módulo de celdas de batería relativamente grande conectando una cierta cantidad de celdas de batería individuales en serie/paralelo y luego han colocado varios de esos módulos de celdas de batería en el paquete de baterías, que es el conocido paquete de baterías "MTP". Dado que el paquete de baterías debe "envasarse" más de dos veces, la cantidad de componentes necesarios es extremadamente grande y el paquete de baterías aparece como "tres capas internas y tres capas externas", con demasiadas partes redundantes que ocupan más volumen y peso del sistema, lo que resulta en una densidad de energía volumétrica y densidad de energía gravimétrica deficientes del paquete de baterías "MTP". Además, dado que el diseño de los vehículos de gasolina no reservó específicamente espacio para la batería, el sistema de baterías solo se puede "apretar donde quepa", lo que conduce a una mala competitividad del producto y una mala experiencia del usuario.
Desde el lanzamiento de las nuevas plataformas de vehículos eléctricos inteligentes representadas por Tesla, los vehículos eléctricos puros nativos han permitido instalar los paquetes de baterías en ubicaciones espaciales ideales de una manera más eficiente y regular, los sistemas trieléctricos se pueden distribuir de manera más razonable y la arquitectura electrónica y eléctrica del vehículo y el diseño de gestión térmica se pueden integrar de manera más eficiente. La solidez del producto del vehículo en términos de eficiencia energética, resistencia e inteligencia se ha mejorado enormemente.
2-Era de la tecnología integrada 2.0—CTP
El paquete de baterías con estructura MTP tiene un problema de utilización del espacio significativo. La utilización del espacio de la celda de batería al módulo es del 80%, la utilización del espacio del módulo al paquete de baterías es del 50% y la utilización del espacio total es solo del 40%. El costo del hardware del módulo representa aproximadamente el 14% del costo total de la batería. Esta estructura de baja utilización del espacio no puede satisfacer los requisitos de desarrollo de los vehículos de nueva energía. En el marco de la idea de integración de celda de batería → módulo → paquete de baterías → carrocería, si el vehículo quiere cargar la mayor cantidad de energía posible en el espacio limitado del chasis y mejorar la utilización del volumen, es necesario considerar la estandarización de cada paso de integración. A medida que la demanda del mercado de autonomía de conducción continúa aumentando, el volumen de un solo módulo de batería continúa aumentando, lo que indirectamente conduce al surgimiento de la solución CTP.
La tecnología de estructura CTP nació teniendo en cuenta la seguridad, la complejidad del empaquetado, la reducción de costos, etc. Bajo la premisa de garantizar la seguridad de la celda de la batería, la tecnología CTP reduce los cables internos y las piezas estructurales. En comparación con la tecnología MTP, la tecnología CTP no tiene estructura modular y empaqueta directamente la celda de la batería en un paquete de baterías antes de instalarlo en el vehículo.
Actualmente, existen dos ideas principales: una es considerar el Pack como un gran módulo completo que reemplaza la estructura de múltiples módulos pequeños en su interior, representados por CATL; la otra es considerar el uso de una solución sin módulos durante el diseño y diseñar la propia batería como el participante de la potencia, como la batería Blade de BYD.
El punto central de la tecnología CTP es la eliminación del diseño modular, combinando directamente las celdas de batería con la carcasa, lo que reduce el uso de placas terminales y separadores. Los problemas que surgen a continuación son la fijación del paquete de baterías y la gestión térmica.
De hecho, el producto original del paquete de baterías CTP no era un diseño puro sin módulos, sino un diseño que fusionaba los módulos pequeños originales en tres módulos grandes y dos módulos medianos, y también había placas de aluminio en ambos extremos, por lo que en teoría sigue siendo MTP, pero de hecho hay grandes mejoras en la estructura.
Tras la introducción de CTP 3.0, CATL presentó un método de fabricación más avanzado, logrando un diseño completamente libre de módulos. Las celdas de la batería han cambiado de una orientación vertical a lo largo de la altura a una posición horizontal. Además, se ha implementado una nueva solución de refrigeración entre las celdas de la batería, que no solo disipa el calor sino que también proporciona funciones de soporte, amortiguación, aislamiento y control de temperatura. La carcasa inferior también se ha diseñado con una característica de fijación limitante.
Figura 1: Comparación entre la batería CATL Kirin CTP2.0 y CTP3.0
3-Era de la tecnología integrada 3.0: CTB, CTC
l Tecnología CTB
La tecnología CTP es un gran paso adelante en la innovación de la estructura de la batería, pero no ha supuesto un gran avance en el propio paquete de baterías. En la tecnología CTP, el paquete de baterías sigue siendo un componente independiente. En comparación con la estrategia simplificada de CTP para los paquetes de baterías, la tecnología CTB combina el panel del suelo de la carrocería y la cubierta del paquete de baterías en uno. La superficie de sellado plana formada por la cubierta de la batería, el umbral de la puerta y las vigas delantera y trasera sella el habitáculo con sellador, y la parte inferior se ensambla con la carrocería a través del punto de instalación. Al diseñar y fabricar el paquete de baterías, el sistema de baterías se integra con la carrocería como un todo, se pueden cumplir los requisitos de sellado e impermeabilidad de la propia batería, y el sellado de la batería y del habitáculo es relativamente sencillo, y los riesgos son controlables.
De esta manera, la estructura sándwich original de "cubierta del paquete de baterías-celda de batería-bandeja" se transforma en una estructura sándwich de "cubierta del paquete de baterías integrada en los bajos de la carrocería-celda de batería-bandeja", reduciendo la pérdida de espacio causada por la conexión entre la carrocería y la cubierta de la batería. En este modo estructural, el paquete de baterías no solo es una fuente de energía, sino que también participa en la fuerza y la transmisión de todo el vehículo como estructura.
Figura 2: Diagrama esquemático de la estructura de la tecnología CTB
l Tecnología CTC
Después de adoptar el método CTC, el paquete de baterías ya no es un conjunto independiente, sino que se integra en la carrocería del vehículo, lo que optimiza el diseño del producto y el proceso de producción, reduce el número de piezas del vehículo, especialmente reduce las piezas estructurales internas y los conectores de la batería, tiene la ventaja inherente de ser liviano, maximiza la utilización del espacio y proporciona espacio para aumentar el número de baterías y mejorar la autonomía de conducción. Con la condición de que el sistema electroquímico en sí permanezca sin cambios, la autonomía de conducción se puede aumentar aumentando el número de baterías.
Figura 3: Diagrama de la estructura de la tecnología CTC de Tesla
Por ejemplo, Tesla y otros fabricantes de automóviles han lanzado sucesivamente modelos de tecnología CTC. A nivel de celda, pueden utilizar estructuras sándwich elásticas multifuncionales y tecnología de refrigeración por agua de gran superficie, y superponer la tecnología de reutilización del espacio anticolisión en la parte inferior del paquete de baterías aportada por el desarrollo integrado, teniendo en cuenta la eficiencia de agrupación, la disipación de calor y la seguridad, y promoviendo la aplicación de la tecnología CTC desde las dos dimensiones de optimización de celdas y protección de la estructura del vehículo. A nivel de desarrollo integrado del vehículo, la celda de la batería se integra directamente en el chasis, eliminando los vínculos de los módulos y los paquetes de baterías. Se realiza la integración de los tres sistemas eléctricos principales (motor, control electrónico, batería), los tres sistemas eléctricos secundarios (CC/CC, OBC, PDU), el sistema de chasis (sistema de transmisión, sistema de conducción, sistema de dirección, sistema de frenado) y los módulos relacionados con la conducción autónoma, y se optimiza la distribución de energía y se reduce el consumo de energía a través del controlador de dominio de energía inteligente.
4-Cambios en los requisitos específicos para cajas de baterías para tecnologías CTP, CTB y CTC
En la estructura tradicional de los paquetes de baterías, el módulo de batería cumple la función de soportar, fijar y proteger la celda de la batería, mientras que el cuerpo de la caja de la batería soporta principalmente la fuerza de extrusión externa. La aplicación de las tecnologías CTP, CTB y CTC plantea nuevos requisitos para las cajas de baterías, que se reflejan específicamente en:
Se mejoran los requisitos de resistencia del cuerpo de la caja de la batería: dado que el enlace del módulo se reduce o se elimina en las estructuras CTP, CTB y CTC, el cuerpo de la caja de la batería no solo debe soportar la fuerza de extrusión externa, sino también la fuerza de expansión de la celda de la batería que originalmente soporta el módulo. Por lo tanto, los requisitos de resistencia del cuerpo de la caja de la batería son más altos.
Capacidad de protección contra colisiones: después de utilizar la tecnología CTP para quitar las vigas laterales del paquete de baterías, la batería soportará directamente el impacto de la colisión, por lo que el paquete de baterías CTP debe tener suficiente resistencia a las colisiones.
Requisitos de aislamiento, aislamiento y disipación de calor: las estructuras CTP o CTB y CTC cambian el perfil de la placa inferior a una placa refrigerada por agua basada en la caja estructural que soporta el chasis. La caja de la batería no solo soporta el peso de las celdas de la batería, sino que también proporciona gestión térmica y otras funciones para la batería. La estructura es más compacta, el proceso de fabricación está optimizado y el grado de automatización es mayor.
Menor capacidad de mantenimiento: el diseño altamente integrado hace que sea complicado reemplazar el paquete de baterías. Por ejemplo, en la estructura CTC, las celdas de la batería están rellenas de material de resina, lo que dificulta su reemplazo y hace casi imposible su reparación.
5- Impacto de la integración de paquetes de baterías en la infraestructura de carga de vehículos eléctricos
La elección de diferentes tecnologías de integración de paquetes de baterías también implica la elección de diferentes métodos de compensación. La CTP tiende a ser la sustitución de la batería, mientras que la CTB/CTC, más integrada, tiende a ser la carga rápida.
Un alto nivel de integración significa que se pueden alojar más baterías en el mismo espacio, lo que aumenta la autonomía de los vehículos eléctricos. Es posible que los usuarios ya no necesiten cargar con frecuencia para distancias cortas, sino que prefieran cargar rápidamente durante viajes largos. Por lo tanto, la planificación de la infraestructura de carga debe tener en cuenta estos cambios para garantizar que pueda satisfacer las necesidades de los usuarios.
A medida que aumenta la integración de los paquetes de baterías, el tamaño físico y la estructura de los paquetes de baterías pueden cambiar, lo que puede afectar el diseño de la interfaz de carga y la compatibilidad del equipo de carga.
Además, la mayor integración de los paquetes de baterías también puede afectar la velocidad y la eficiencia de la carga. Es posible que sea necesario desarrollar e implementar sistemas de gestión de baterías y tecnologías de carga más eficientes para garantizar un proceso de carga rápido y seguro.
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Tecnologías comunes de tratamiento de superficies para bandejas de baterías de vehículos de nueva energía/cajas frías de líquido para almacenamiento de energía
En el proceso de producción de bandejas de batería y cajas de refrigeración líquidas de almacenamiento de energía para vehículos de nueva energía, el tratamiento de superficie necesario y apropiado es un paso clave, como: usar revestimiento, tratamiento de oxidación, etc. para formar una capa protectora sobre la superficie metálica para resistir la erosión de medios corrosivos; Los componentes que requieren aislamiento eléctrico, como celdas de batería, placas de refrigeración por agua, paredes de módulos, etc., necesitan establecer una película protectora aislante. El aislamiento generalmente se logra rociando polvo aislante o pintura aislante. La elección de la tecnología de tratamiento de superficie adecuada no solo puede mejorar el rendimiento de la bandeja/caja de refrigeración líquida, sino que también puede satisfacer las necesidades de diferentes escenarios de aplicación. Este artículo resume las tecnologías de tratamiento de superficie comunes como referencia.
1-Limpieza y pulido
Durante el proceso de producción, las impurezas como aceite de procesamiento, residuos de aceite de motor, polvo y polvo pueden acumularse en la superficie del palé. Estas impurezas no solo afectan la vida útil de la bandeja de la batería, sino que también pueden afectar negativamente el rendimiento y la seguridad de la batería. Mediante la limpieza y el pulido, estas impurezas se pueden eliminar de manera efectiva para garantizar la limpieza de la superficie del palé. La limpieza y el pulido pueden eliminar de manera efectiva las impurezas de la superficie, las rebabas y la escoria de soldadura, haciendo que la superficie sea lisa y plana, mejorando así la calidad general de la bandeja/caja de la batería.
l limpieza química
Limpieza alcalina: La limpieza alcalina utiliza principalmente soluciones alcalinas (como hidróxido de sodio, carbonato de sodio, etc.) para eliminar la grasa, la suciedad y otra materia orgánica de la superficie de las aleaciones de aluminio. El lavado alcalino elimina la grasa mediante saponificación, emulsificación y penetración y humectación, y al mismo tiempo genera precipitados solubles en agua, logrando así un efecto limpiador. La limpieza alcalina se utiliza generalmente para eliminar la grasa, el polvo y los contaminantes orgánicos de la superficie de las aleaciones de aluminio.
Decapado: El decapado utiliza soluciones ácidas (como ácido nítrico, ácido clorhídrico, etc.) para eliminar las incrustaciones de óxido, óxido y otros depósitos inorgánicos de la superficie de las aleaciones de aluminio. El decapado convierte los óxidos de la superficie del metal en sales solubles mediante la reacción del ácido con los óxidos de la superficie del metal, eliminando así las impurezas de la superficie. El decapado se utiliza principalmente para eliminar la película de óxido, el óxido y las incrustaciones de sal inorgánica de la superficie de las aleaciones de aluminio. El decapado se utiliza a menudo para el tratamiento final de las superficies metálicas para mejorar su acabado y planitud.
l Rectificado mecánico
Durante la producción, el proceso de rectificado puede eliminar tolerancias de procesamiento, corregir errores de forma, garantizar la suavidad y precisión de la superficie del palé/caja, cumplir con los requisitos de ensamblaje y, por lo tanto, mejorar el rendimiento general y la vida útil.
La superficie limpiada y pulida puede mejorar el tratamiento de materiales de recubrimiento u otros materiales, lo cual es muy importante para la aplicación de recubrimientos posteriores como la protección contra la corrosión, el sellado, la conductividad térmica, el aislamiento y la conservación del calor. Esto juega un papel clave en la adhesión firme de estos materiales a la bandeja/caja.
2-Establecimiento de recubrimiento y película protectora
Además de la limpieza y el pulido básicos, la producción de pallets/cajas utiliza un proceso de pulverización para el tratamiento de la superficie para formar una capa protectora para evitar la oxidación y la corrosión y satisfacer las necesidades de diferentes escenarios como aislamiento térmico, aislamiento y resistencia al voltaje.
l Aislamiento térmico
La anticondensación y el aislamiento térmico de las bandejas de baterías se pueden lograr mediante un diseño integral de sistemas de aislamiento térmico, el uso de materiales de aislamiento térmico de alta eficiencia, la aplicación de aerogeles, el diseño de aislamiento de paquetes de baterías y la pulverización de materiales de aislamiento de espuma.
Superficie inferior rociada con PVC y material de espuma.
l Tensión soportada de aislamiento
El aislamiento de la carcasa de la batería y de los componentes de refrigeración líquida tiene como objetivo principal evitar fugas de corriente, proteger al personal de descargas eléctricas y garantizar el funcionamiento normal del sistema de batería. El aislamiento se consigue normalmente mediante dos métodos principales: pulverización de polvo y laminación de película. Los principales procesos de laminación de película incluyen laminación a temperatura ambiente, prensado en caliente y exposición a rayos UV.
Pulverización interna de polvo aislante y pintura aislante
3-Logos and Signage
Una placa o etiqueta se coloca en una posición destacada en la bandeja de la batería, generalmente mediante láser, grabado mecánico, etc. Estos logotipos suelen estar hechos de medios resistentes al desgaste y a la corrosión para garantizar que no se borren fácilmente durante toda su vida útil.
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Cambios en los requisitos de disipación de calor de los convertidores de almacenamiento de energía y comparación de soluciones comunes de disipación de calor
Como equipo central del sistema de almacenamiento de energía, el convertidor de almacenamiento de energía es una herramienta importante para la conversión de energía, la gestión de energía, la garantía de la estabilidad de la red, la mejora de la eficiencia energética, etc. A medida que la unidad de potencia del convertidor de almacenamiento de energía avanza hacia una alta integración y alta eficiencia, el desarrollo de la frecuencia y la gran capacidad impone requisitos cada vez más altos en la disipación de calor.
1-Cambios en los requerimientos de refrigeración
l A juego con la cabina de CC más grande, la capacidad del convertidor continúa aumentando y la tecnología de disipación de calor eficiente garantiza la confiabilidad del equipo.
A medida que la capacidad de las celdas de almacenamiento de energía se hace cada vez mayor, la capacidad de los sistemas de almacenamiento de energía también se está expandiendo simultáneamente. A principios de 2023, la capacidad estándar de la batería de una sola celda de 20 pies en el mercado era de solo 3,35 MWh. En la segunda mitad del año, muchas empresas de celdas de batería lanzaron productos de almacenamiento de energía de 310+Ah, y la capacidad de la batería de una sola celda de 20 pies también se amplió a 5 MWh. Sin embargo, menos de medio año después de que se actualizara el modelo de 5 MWh, algunos sistemas de almacenamiento de energía líderes lanzaron sistemas de 6 MWh y 8 MWh. Según la experiencia general, el convertidor de almacenamiento de energía está configurado a 1,2 veces la capacidad de carga. La capacidad de una sola unidad de un sistema de almacenamiento de energía de 5 MWh debe ser superior a 2,5 MW. La alta potencia requiere una tecnología de refrigeración más eficiente para garantizar un funcionamiento estable del equipo bajo cargas elevadas sostenidas.
Evolución iterativa del esquema topológico de integración del sistema de almacenamiento de energía
l La aplicación de tecnología de alto voltaje de CC requiere que los dispositivos tengan niveles de voltaje soportado y resistencia de aislamiento más elevados, y la disipación de calor de los dispositivos de potencia es grave.
Para adaptarse al sistema de almacenamiento de energía de gran capacidad, la tecnología de alto voltaje de CC se ha convertido en una tendencia técnica. A través del aumento del nivel de voltaje, se puede lograr ahorro de energía, eficiencia y mejora del rendimiento. La actualización de voltaje de 1500 V se originó a partir de la energía fotovoltaica, y ahora la energía fotovoltaica está involucrada en el almacenamiento de energía. Sin embargo, la evolución de alto voltaje de los PCS de almacenamiento de energía aún tiene un largo camino por recorrer, y algunos fabricantes han comenzado a optimizarlo y llevarlo a 2000 V. La aplicación de la tecnología de alto voltaje de CC obliga a los dispositivos electrónicos de potencia en los convertidores de almacenamiento de energía a tener niveles de voltaje de resistencia más altos y mayor resistencia de aislamiento para adaptarse a entornos de trabajo de alto voltaje. En entornos de alto voltaje, el diseño de disipación de calor de los dispositivos de potencia se vuelve más importante. La temperatura de la unión pn de los dispositivos de potencia generalmente no puede superar los 125 °C, y la temperatura de la carcasa del paquete no supera los 85 °C.
l Los sistemas de almacenamiento de energía en red requieren algoritmos de control complejos, diseños de circuitos y convertidores de almacenamiento de energía de alta densidad de potencia.
A diferencia de las características esenciales de las fuentes de corriente en los sistemas de almacenamiento de energía que forman la red, los sistemas de almacenamiento de energía que forman la red son esencialmente fuentes de voltaje que pueden establecer internamente parámetros de voltaje para generar un voltaje y una frecuencia estables. Por lo tanto, se requiere que los convertidores que forman la red simulen las características de los generadores sincrónicos, proporcionando soporte para el voltaje y la frecuencia para mejorar la estabilidad del sistema de energía. Esta estrategia de control requiere que los convertidores posean una mayor densidad de potencia y algoritmos de control más complejos, así como dispositivos de potencia de mayor rendimiento y diseños de circuitos más intrincados para implementar la estrategia de control. La gestión eficaz del calor generado por la alta densidad de potencia y las estrategias de control complejas, al tiempo que se reduce el tamaño y el costo del sistema de enfriamiento sin comprometer el rendimiento, se ha convertido en un nuevo desafío en el diseño térmico.
2- Comparación de soluciones de refrigeración habituales
La solución de refrigeración para inversores de almacenamiento de energía ha experimentado una importante evolución iterativa en los últimos años, reflejada principalmente en la transición de la tecnología de refrigeración del enfriamiento por aire tradicional a la tecnología de enfriamiento por líquido.
l Solución de refrigeración por aire
El enfriamiento por aire es la forma de control de temperatura utilizada en la etapa inicial de los convertidores de almacenamiento de energía. Utiliza aire como medio y disipa el calor a través de ventiladores y radiadores. La solución de enfriamiento por aire mejora la eficiencia de disipación de calor al reducir continuamente el consumo de energía, optimizar la estructura y mejorar los materiales de disipación de calor. En el nivel de potencia de 2,5 MW, el enfriamiento por aire aún puede cumplir con los requisitos.
l Solución de refrigeración líquida
A medida que la densidad de potencia y la densidad energética de los sistemas de almacenamiento de energía siguen aumentando, los PCS refrigerados por líquido utilizan un refrigerante con alta conductividad térmica como medio. El refrigerante es impulsado por una bomba de agua para circular en la placa fría y no se ve afectado por factores como la altitud y la presión del aire. El sistema de refrigeración por líquido tiene una eficiencia de disipación de calor más eficiente que el sistema de refrigeración por aire. La solución de refrigeración por líquido tiene un mayor grado de coincidencia y ha comenzado a explorarse y popularizarse en los últimos uno o dos años.
Además de la solución de almacenamiento de energía con refrigeración líquida completa, algunos fabricantes han lanzado máquinas de refrigeración directa con almacenamiento de energía, que utilizan refrigeración directa por cambio de fase y sin circulación de agua. Las soluciones de refrigeración directa también están entrando en el campo del almacenamiento de energía.
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Puntos clave en el diseño de perfiles de aluminio utilizados en vehículos de nueva energía y baterías de almacenamiento de energía
El paquete de baterías es un componente clave de los vehículos de nueva energía, los armarios de almacenamiento de energía y los contenedores. Es una fuente de energía a través de la envoltura de la carcasa, que proporciona energía a los vehículos eléctricos y proporciona capacidad de consumo a los armarios de almacenamiento de energía y los contenedores. En combinación con las necesidades de ingeniería reales, este artículo resume los puntos clave del diseño de perfiles para paquetes de baterías mediante el análisis de los requisitos de resistencia mecánica, seguridad, gestión térmica y peso ligero de los paquetes de baterías.
1-Requisitos de diseño de la carcasa del paquete de baterías
l Resistencia mecánica, resistencia a la vibración y resistencia al impacto. Después de la prueba, no debe haber daños mecánicos, deformaciones ni aflojamiento de la fijación, y el mecanismo de bloqueo no debe estar dañado.
l Sellado: El sellado del paquete de baterías afecta directamente la seguridad de funcionamiento del sistema de baterías. Por lo general, se requiere alcanzar el nivel de protección IP67 para garantizar que el paquete de baterías esté sellado y sea impermeable.
l El diseño de la carcasa del paquete de baterías debe tener en cuenta el rendimiento de la gestión térmica y garantizar que la batería funcione dentro de un rango apropiado a través de un diseño de gestión térmica apropiado.
l Para su instalación y fijación, la carcasa debe tener espacio para la placa de identificación y las señales de seguridad, y reservar suficiente espacio y una base fija para la instalación de líneas de adquisición, varios elementos sensores, etc.
l Todos los conectores, terminales y contactos eléctricos con aislamiento básico no polar deben cumplir los requisitos de nivel de protección correspondientes cuando se combinan.
l Aligeramiento: el aligeramiento de la carcasa es de gran importancia para mejorar la densidad energética del paquete de baterías. La aleación de aluminio es liviana y de alta calidad, lo que la convierte en la opción más viable en la actualidad. El nivel de aligeramiento se puede mejorar mediante un diseño extremo apropiado en combinación con aplicaciones reales.
l Durabilidad: La vida útil de la carcasa del paquete de baterías no debe ser inferior a la vida útil del producto en general. No debe producirse ninguna deformación plástica evidente durante el ciclo de uso. No debe reducirse el nivel de protección ni el rendimiento del aislamiento. La estructura debe ser fácil de mantener, incluida la disposición de las placas de identificación y las señales de seguridad, y la protección de los conectores.
Figura 1. Carcasa típica de paquete de batería soldada de aleación de aluminio
2-Solución típica de carcasa de batería de aleación de aluminio
Los materiales de aleación de aluminio que se utilizan comúnmente para las carcasas de los paquetes de baterías incluyen 6061-T6, 6005A-T6 y 6063-T6, etc. Estos materiales tienen diferentes límites de elasticidad y resistencia a la tracción para cumplir con diferentes requisitos estructurales. La resistencia de estos materiales es: 6061-T6＞6005A-T6＞6063-T6.
En la actualidad, las soluciones de formación de carcasas de baterías incluyen soldadura de perfiles de aluminio, fundición de aleación de aluminio, aluminio fundido más perfil de aluminio, soldadura de placas de aluminio estampadas, etc. La solución de soldadura de perfiles de aluminio se ha convertido en la opción principal debido a su flexibilidad y conveniencia de procesamiento. Como se muestra en la Figura 1, la carcasa se compone principalmente de un marco de perfil de aleación de aluminio y una placa inferior de perfil de aleación de aluminio, que se sueldan utilizando perfiles extruidos de aleación de aluminio de la serie 6. La solución de fundición de aleación de aluminio se considera como la dirección de desarrollo futura debido a su proceso simplificado y potencial de reducción de costos.
3- Diseño de la sección del perfil
l Tamaño de la sección y complejidad: El tamaño de la sección del perfil se mide por el círculo circunscrito. Cuanto mayor sea el círculo circunscrito, mayor será la presión de extrusión requerida. La sección del perfil suele estar compuesta por múltiples cavidades para mejorar la rigidez y la resistencia estructural. Por lo general, el marco, la partición intermedia, la placa inferior, la viga, etc. adoptan diferentes diseños de sección para adaptarse a diferentes requisitos estructurales y funcionales.
Figura 2 Sección típica de perfil de aleación de aluminio
l Espesor de pared del perfil de aluminio: El espesor mínimo de pared de un perfil de aluminio específico está relacionado con el radio del círculo circunscrito del perfil, la forma y la composición de la aleación. Por ejemplo, cuando el espesor de pared de la aleación de aluminio 6063 es de 1 mm, el espesor de pared de la aleación de aluminio 6061 debe ser de aproximadamente 1,5 mm. La dificultad de extrusión de la misma sección es: 6061-T6＞6005A-T6＞6063-T6. En el diseño de perfiles de paquetes de baterías, el perfil del marco generalmente está hecho de material de aleación de aluminio 6061-T6, y su sección típica está compuesta de múltiples cavidades, y el espesor de pared más delgado es de aproximadamente 2 mm; el perfil de la placa inferior también está compuesto de múltiples cavidades, y el material es generalmente 6061-T6, 6065A-T6, y el espesor de pared más delgado también es de aproximadamente 2 mm; Además, en el diseño de la bandeja de carga de la placa inferior y la integración de enfriamiento líquido de la placa inferior, la placa inferior generalmente adopta una estructura de doble cara, el espesor de la placa inferior es generalmente de 10 mm y el espesor de la pared y la pared interna de la cavidad son de aproximadamente 2 mm.
l Tolerancia de las dimensiones de la sección transversal del perfil: La tolerancia de las dimensiones de la sección transversal debe determinarse en función de la tolerancia de procesamiento del perfil de aluminio, las condiciones de uso, la dificultad de la extrusión del perfil y la forma del perfil. Para algunos perfiles de aluminio que son difíciles de extruir, se puede cambiar la forma o se puede aumentar la tolerancia de procesamiento y la tolerancia dimensional para reducir la dificultad de la extrusión y extruir productos de perfil de aluminio que se acerquen a los requisitos, y luego se pueden remodelar o procesar para cumplir con los requisitos de uso.
Además, al diseñar la sección del perfil, es necesario considerar los requisitos específicos de los diferentes procesos de soldadura para juntas, ranuras, espesor de pared, etc.
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La placa de enfriamiento líquido pasó la prueba de hermeticidad, entonces ¿por qué aún ocurren fugas?
La hermeticidad del paquete de baterías es un factor clave para garantizar la calidad y la seguridad del paquete de baterías. Está relacionada con la seguridad, la fiabilidad y la vida útil del paquete de baterías. La prueba de hermeticidad del paquete de baterías debe realizarse no solo durante el proceso de producción, sino también durante el mantenimiento y la inspección de la batería.
1- Requisitos de hermeticidad del paquete de baterías
En la producción real, la hermeticidad del paquete de baterías debe cumplir los siguientes requisitos:
Rendimiento de sellado:la carcasa, la interfaz y los conectores del paquete de baterías deben tener un buen rendimiento de sellado para evitar que el polvo, el vapor de agua y otras impurezas externas ingresen al paquete de baterías, lo que se puede lograr mediante soldadura, selladores, materiales impermeables, etc.
Rendimiento a prueba de agua: para evitar que la humedad ingrese a la batería, lo que provoca cortocircuitos, corrosión y otros problemas. De acuerdo con la norma nacional GB38031-2020 "Requisitos de seguridad para baterías de energía para vehículos eléctricos", el rendimiento de sellado de las baterías y sus componentes debe cumplir con el estándar IP67. La mayoría de los vehículos de nueva energía tienen requisitos de rendimiento de sellado más altos para las baterías y sus componentes, y deben cumplir con el estándar IP68, es decir, el paquete de baterías puede evitar que el agua ingrese dentro de la profundidad de agua y el tiempo de inmersión especificados.
Los métodos tradicionales de prueba de hermeticidad incluyen el método de presión y el método de inmersión (prueba de agua). El método de inmersión consiste en sumergir la placa de refrigeración líquida en agua y observar si se generan burbujas para evaluar el sellado.
Tanque de prueba de hermeticidad del canal de agua de la placa de enfriamiento líquido
Aunque el estándar IP68 es más estricto, en aplicaciones reales, el método de caída de presión se utiliza a menudo como el principal método de detección para cumplir con los requisitos IP68 estableciendo estándares de detección de hermeticidad adecuados. El método de caída de presión determina la hermeticidad del paquete de baterías midiendo el cambio de presión dentro del paquete de baterías. Al realizar pruebas de hermeticidad, se debe prestar atención a múltiples parámetros, como la presión de inflado, el tiempo de inflado, el tiempo de estabilización de la presión y la tasa de fuga.
（lado izquierdo）Diagrama del principio básico de la presión diferencial
（lado derecho）Diagrama del principio básico de la presión directa
2-Análisis del problema de fugas en la placa de refrigeración líquida
Con la mejora continua de la demanda del mercado de vehículos con baterías eléctricas, sistemas de almacenamiento de energía con baterías, etc., se utilizan ampliamente los paquetes de baterías con mayor densidad de energía y densidad de potencia. Debido a las características térmicas de las baterías, para garantizar el funcionamiento estable de los equipos centrales como las baterías y mejorar la eficiencia de utilización de la energía, la tecnología de refrigeración líquida es una de las principales rutas técnicas para la gestión térmica del almacenamiento de energía, y la prueba de hermeticidad del sistema de refrigeración líquida se ha convertido en un vínculo clave.
La fuga de la placa de enfriamiento líquido es un problema grave: la fuga obstaculizará el flujo normal del refrigerante, afectará el efecto de disipación de calor de la placa de enfriamiento líquido y reducirá el rendimiento del equipo; la fuga también puede causar envejecimiento y daños a los componentes del sistema, reduciendo la confiabilidad del sistema; la fuga también puede corroer los componentes y circuitos electrónicos, aumentando el riesgo de fallas del equipo e incendio.
¿Por qué sigue ocurriendo el problema de fugas después de realizar rigurosas pruebas de hermeticidad durante el proceso de producción y fabricación de la placa de enfriamiento líquido?
Proceso de prueba de hermeticidad del sistema de refrigeración líquida
La filtración de líquido puede ser causada por una variedad de factores:
l Pequeñas grietas y defectos,Las pruebas de hermeticidad del paisaje pueden detectar grandes canales de fuga, pero aún pueden existir pequeñas grietas y defectos. Estas pequeñas grietas pueden expandirse bajo presión de líquido o en un entorno de alta temperatura, lo que provoca filtraciones de líquido.
l Diferencias en la tensión superficial y la humectabilidad del refrigerante: cuando la tensión superficial del refrigerante es baja, es más fácil que penetre a través de pequeños huecos. Si el diseño de la tensión superficial de la placa de refrigeración de líquido no es razonable o el refrigerante no se selecciona correctamente, el problema de filtración de líquido puede agravarse.
Diferencias de humectabilidad: los distintos refrigerantes tienen distinta humectabilidad en superficies sólidas. Si la rugosidad de la superficie del material de la placa de enfriamiento de líquidos es alta o existen defectos microestructurales, el refrigerante puede penetrar con mayor facilidad.
l Problemas de instalación o proceso: si el proceso de instalación de la placa de enfriamiento de líquido no es lo suficientemente fino, o hay defectos en la soldadura, la conexión y otros procesos, también puede provocar un sellado deficiente y aumentar la posibilidad de filtración de líquido.
l Condiciones ambientales: Los cambios de temperatura, especialmente en entornos de alta presión, pueden afectar la permeabilidad del refrigerante. Aunque estos factores ambientales pueden no tenerse en cuenta durante las pruebas de hermeticidad, en la operación real, las fluctuaciones de temperatura pueden provocar fallas en los sellos.
l Envejecimiento o fatiga del material: si el material de la placa de enfriamiento de líquido se utiliza durante demasiado tiempo, puede envejecer o fatigarse, lo que provocará que su rendimiento de sellado se deteriore, aumentando así el riesgo de fugas de líquido.
3-Medidas preventivas para fugas de líquido en la placa de refrigeración
l Mejorar el diseño de la placa de refrigeración líquida: Al optimizar la estructura y el diseño de la placa de refrigeración líquida, se reducen las pequeñas grietas y defectos y se mejora su rendimiento de sellado. Por ejemplo, al soldar la viga de instalación del módulo en la superficie del canal de flujo, se deben tomar medidas antifugas para evitar fugas de refrigerante.
l Mejorar el nivel del proceso de fabricación: en el proceso de producción de la placa de refrigeración líquida, se utilizan procesos y materiales de soldadura de alta calidad para garantizar que el refrigerante no penetre fácilmente. Al mismo tiempo, durante el proceso de montaje, siga estrictamente los procedimientos operativos para evitar que se aflojen o se instalen incorrectamente.
l Optimice la combinación de métodos de detección para garantizar la eficiencia de detección al tiempo que mejora la precisión de detección y reduce la tasa de detección fallida. El método de inmersión y el método de caída de presión se utilizan para la detección de hermeticidad, que es simple de operar, económico y eficiente, y es adecuado para necesidades de detección de rutina a gran escala. Sin embargo, la precisión de detección de los dos métodos es baja. La precisión de detección del método de caída de presión es generalmente una tasa de fuga de 1×10-4Pa·m³/s, y la precisión de los resultados de detección se ve fácilmente interferida por factores como la temperatura, la humedad, la limpieza y la presión. Utilice equipos de detección con mayor precisión de detección y mejor efecto para aumentar la precisión de detección a 1×10-6Pa·m³/s, mejorando así el efecto de detección.
Además de las medidas preventivas para la propia placa de enfriamiento líquido, también es necesario adoptar estrategias de respuesta adecuadas en múltiples aspectos, como la selección del refrigerante, la selección del sello y el entorno de trabajo del equipo.
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En el diseño térmico, ¿qué elementos de diseño pueden optimizar los ingenieros para lograr una reducción de costos efectiva?
En el diseño de disipación de calor, la adopción de métodos efectivos de reducción de costos puede mejorar la confiabilidad y la eficiencia del sistema general y, al mismo tiempo, reducir costos innecesarios.
1-El diseño de reducción de potencia reduce los costos
El diseño de reducción de potencia es un método de diseño que reduce intencionalmente las tensiones eléctricas, térmicas y mecánicas a las que se ven sometidos los componentes o productos durante su funcionamiento. En escenarios reales de producción y uso, la estabilidad de los equipos electrónicos se puede mejorar reduciendo la tensión que soportan los componentes.
Diagrama esquemático de las rutas de disipación de calor para empaquetado 2D y 3D
l Reducir el estrés laboral: durante el diseño y el funcionamiento del producto, el estrés laboral de los componentes se puede reducir reduciendo la carga de trabajo, controlando la frecuencia de funcionamiento, limitando la corriente y el voltaje, etc.
l Reducir el estrés ambiental: Reducir el estrés ambiental seleccionando tipos de componentes, diseños y formas de embalaje adecuados, como seleccionar componentes con un amplio margen de temperatura o utilizar formas de embalaje con buen sellado para reducir los efectos de la temperatura la humedad y la presión sobre los componentes.
l Aplicación de ingeniería de confiabilidad: diseño redundante razonable, detección y aislamiento de fallas, etc., reducen aún más el riesgo de falla de los componentes.
Al reducir la tensión de los componentes durante su funcionamiento, se puede reducir su consumo de energía y la generación de calor. Cuando los dispositivos de potencia funcionan en condiciones de tensión inferiores a su tensión nominal, se puede reducir su consumo de energía y la generación de calor, lo que ayuda a mejorar la eficiencia energética y la fiabilidad del sistema. A largo plazo, el diseño de reducción de potencia aumenta eficazmente la vida útil de los componentes, reduce las tasas de fallos, reduce la carga de trabajo de mantenimiento y, por tanto, reduce los costes.
2-Optimizar el diseño
La eficiencia de trabajo del radiador se puede mejorar significativamente a través de una disposición razonable de los componentes térmicos, y una estrategia de disposición de componentes razonable puede lograr un equilibrio entre el rendimiento y el costo del producto.
l Distribuir los componentes de disipación de calor: dispersar los componentes que generan grandes cantidades de calor para reducir la carga de calor por unidad de área.
l Ubicación propicia para la disipación del calor: coloque el elemento calefactor en una ubicación propicia para la disipación del calor, como cerca de un respiradero o en el borde del dispositivo.
l Disposición escalonada: durante el diseño, escalone los componentes de calefacción con otros componentes generales e intente hacer que los componentes de calefacción sean componentes sensibles a la temperatura para reducir su impacto en los componentes sensibles al calor.
l Mejora el flujo de aire: al cambiar el diseño de dirección y la disposición de los componentes, se optimiza la ruta del flujo de aire, se aumenta el caudal y se mejora el coeficiente de transferencia de calor.
Recomendaciones de espaciado entre componentes
3-Elección del método de enfriamiento
A medida que mejora el rendimiento de los componentes electrónicos y aumenta el grado de integración, la densidad de potencia continúa aumentando, lo que da como resultado un aumento significativo del calor generado por los componentes electrónicos durante el funcionamiento. Al elegir un método de disipación de calor para los componentes electrónicos, los requisitos de control de temperatura incluyen principalmente los siguientes aspectos:
l Rango de temperatura: los distintos componentes tienen distintos rangos de tolerancia a la temperatura. Por ejemplo, los chips de alto rendimiento, como las CPU, tienen requisitos de temperatura de funcionamiento de entre 85 y 100 °C, mientras que algunos dispositivos de bajo consumo pueden tolerar temperaturas más altas, por lo que el sistema de refrigeración debe garantizar que los componentes funcionen dentro de un rango de temperatura seguro.
l Precisión del control de temperatura: en algunos escenarios con requisitos estrictos de control de temperatura, es necesario adoptar una solución de disipación de calor que pueda controlar con precisión la temperatura para evitar la degradación del rendimiento del componente o incluso daños causados por temperaturas excesivamente altas o bajas.
l Temperatura ambiente: el efecto de disipación de calor de los equipos electrónicos no solo depende de la capacidad de disipación de calor del propio dispositivo, sino que también se ve afectado por la temperatura ambiente circundante. El diseño de la disipación de calor debe tener en cuenta los cambios en la temperatura ambiente y tratar de mantener el dispositivo dentro de un rango de temperatura adecuado mediante medios de disipación de calor.
l Consumo de energía y fiabilidad: Algunos componentes electrónicos de bajo consumo pueden utilizar la disipación de calor natural cuando generan poco calor. Para equipos de alto consumo, es necesario recurrir a la tecnología de disipación de calor avanzada para garantizar que mantenga un rendimiento normal y prolongar su vida útil bajo alta carga.
l Sellado y densidad: En dispositivos ensamblados sellados y de alta densidad, si la generación de calor no es alta, se puede confiar en la disipación natural del calor. Cuando los componentes están empaquetados de manera densa y generan grandes cantidades de calor, se necesitan tecnologías de disipación de calor más efectivas, como la disipación de calor forzada o la refrigeración líquida. La refrigeración líquida y la tecnología de tubos de calor se utilizan en escenarios con alto consumo de energía y gran generación de calor, como componentes electrónicos de alta potencia, como tubos de onda viajera, magnetrones y tubos amplificadores de potencia, servidores y equipos de alto consumo energético, así como en los sistemas de tres eléctricos de vehículos de nueva energía. Sus ventajas de aplicación únicas.
（lado izquierdo）Módulo de refrigeración por aire de la pila de carga
（lado derecho）Módulo de refrigeración líquida de pila de carga
Al elegir un método de refrigeración para componentes electrónicos, es necesario considerar exhaustivamente factores como la generación de calor y el flujo de calor, la temperatura ambiente y la temperatura de funcionamiento, las limitaciones de espacio y los requisitos de aislamiento térmico, y el costo y la viabilidad. Al utilizar la tecnología de refrigeración y los dispositivos de refrigeración adecuados para garantizar que los componentes funcionen a una temperatura adecuada, se puede reducir de manera efectiva el costo de reemplazo y mantenimiento del sistema. Además, la reutilización de proyectos históricos también es una estrategia eficaz para reducir los costos de desarrollo y fabricación y mejorar la confiabilidad.
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¿Cómo prevenir o reducir eficazmente el impacto de la deformación térmica de la soldadura de la bandeja de la batería?
Las bandejas de batería, también conocidas como cajas de batería o cajas PACK, se valoran cada vez más como un componente muy importante en el desarrollo de vehículos de nueva energía. El diseño de las bandejas de batería debe equilibrar la relación entre factores como el peso, la seguridad, el costo y el rendimiento del material. Las aleaciones de aluminio se utilizan ampliamente en la ingeniería ligera automotriz debido a su baja densidad y alta resistencia específica, lo que puede garantizar la rigidez al mismo tiempo que garantiza el rendimiento de la carrocería del vehículo.
1- Ubicación y selección del método de soldadura de la bandeja de la batería
Las bandejas de aluminio para baterías están hechas de perfiles de aluminio extruido y los distintos componentes se combinan en un todo mediante soldadura para formar una estructura de marco completa. Estructuras similares también se utilizan ampliamente en cajas de almacenamiento de energía.
Las partes soldadas de la bandeja de la batería generalmente incluyen la unión de la placa inferior, la conexión entre la placa inferior y el costado, la conexión entre el marco lateral, las vigas horizontales y verticales, la soldadura de los componentes del sistema de enfriamiento líquido y la soldadura de accesorios como soportes y orejas colgantes. Al seleccionar los métodos de soldadura, se seleccionarán diferentes métodos de soldadura de acuerdo con los diferentes requisitos estructurales y de material, consulte la siguiente tabla:
2-Análisis de la influencia de la deformación térmica de la soldadura
La soldadura es un método de procesamiento de calor local. Dado que la fuente de calor se concentra en la soldadura, la distribución de la temperatura en la soldadura es desigual, lo que finalmente conduce a la deformación de la soldadura y la tensión de soldadura dentro de la estructura soldada. La deformación térmica de la soldadura es el fenómeno por el cual la forma y el tamaño de las piezas soldadas cambian debido a la entrada y salida de calor desiguales durante el proceso de soldadura. Combinado con la experiencia real en proyectos de ingeniería, se resumen las piezas que son propensas a la deformación térmica de la soldadura y los factores que influyen:
a.Área de soldadura recta y larga
En la producción real, la placa inferior de la bandeja de la batería generalmente está hecha de 2 a 4 perfiles de aleación de aluminio empalmados entre sí mediante soldadura por fricción y agitación. Las soldaduras son largas y también hay soldaduras largas entre la placa inferior y la placa lateral, y entre la placa inferior y la viga espaciadora. Las soldaduras largas son propensas a sobrecalentamiento local en el área de soldadura debido a la entrada de calor concentrada, lo que resulta en deformación térmica.
Soldadura del marco de la bandeja de la batería
b.Uniones multicomponentes
Se produce por el calentamiento local a alta temperatura y el enfriamiento posterior durante el proceso de soldadura en la soldadura de múltiples componentes. Durante el proceso de soldadura, la soldadura se somete a una entrada de calor desigual, lo que da como resultado una diferencia de temperatura significativa entre el área de soldadura y el material original circundante, lo que provoca efectos de expansión y contracción térmica, lo que provoca la deformación de las piezas soldadas. El extremo de instalación eléctrica de la caja del paquete de almacenamiento de energía generalmente está equipado con una boquilla de agua, un soporte de mazo de cables, una viga, etc., y las soldaduras son densas y muy fáciles de deformar.
En el área intensiva en soldadura, el lado frontal del pallet está deformado y torcido.
c.Pared lateral del canal de placa fría
En la bandeja de la batería con diseño integrado de placa de refrigeración líquida, las piezas con menor rigidez estructural, como placas delgadas y estructuras de tuberías, no pueden resistir bien la deformación térmica durante la soldadura y son propensas a deformarse. Por ejemplo, la pared lateral del canal de flujo de la placa de refrigeración líquida es muy delgada, generalmente solo unos 2 mm. Al soldar vigas, soportes de mazos de cables y otras piezas en la superficie de montaje del módulo, es fácil provocar grietas y arrugas de deformación en la pared lateral del canal de flujo, lo que afecta el rendimiento general.
Defectos de grietas térmicas en la pared del canal de refrigeración líquida causados por la soldadura por haz
3-Método de control de deformación térmica de soldadura
a.Soldadura de segmentos, soldadura de doble cara
Para piezas con requisitos de resistencia relativamente bajos, se adopta la soldadura segmentada y el proceso de soldadura se divide en múltiples secciones pequeñas. Las soldaduras se disponen simétricamente y las soldaduras se disponen simétricamente cerca del eje neutro en la sección de construcción, de modo que las deformaciones causadas por las soldaduras puedan compensarse entre sí. Al mismo tiempo, se minimiza la longitud y el número de soldaduras y se evita la concentración excesiva o el cruce de soldaduras, lo que puede reducir el gradiente de temperatura de soldadura y, por lo tanto, reducir la deformación de la soldadura. Para piezas con altos requisitos de resistencia, como la placa inferior, la placa inferior y el marco lateral, se adopta la soldadura de doble cara para aumentar la resistencia y reducir la deformación por flexión causada por piezas grandes y soldaduras largas.
b.Optimización de la secuencia de soldadura
Controle la deformación de la soldadura, utilice uniones con menor rigidez, evite las soldaduras que se cruzan en dos o tres direcciones y evite las áreas de alta tensión. Optimice la secuencia de soldadura, suelde primero las áreas de menor rigidez y las de mayor rigidez al final, como soldar primero las soldaduras de filete, luego las soldaduras cortas y, por último, las soldaduras largas; suelde primero las soldaduras transversales y luego las soldaduras longitudinales. Una secuencia de soldadura razonable puede controlar eficazmente la deformación de la soldadura, controlando así las dimensiones de la soldadura.
c.Ajuste de parámetros de soldadura
Controle los parámetros y procesos de soldadura y establezca razonablemente la velocidad de soldadura, el número de capas de soldadura y el espesor de cada soldadura. Para soldaduras más gruesas, utilice métodos de soldadura multicapa y multicanal, y el espesor de cada capa de soldadura no debe superar los 4 mm. La soldadura multicapa puede reducir la microestructura estructural y mejorar el rendimiento de la unión. Controle con precisión los parámetros de soldadura y seleccione razonablemente parámetros como la corriente de soldadura, el voltaje, el modelo de electrodo y la velocidad de soldadura para garantizar una forma y un tamaño consistentes del baño de fusión, evitando así errores causados por una selección incorrecta de parámetros.
d.Mejora de las habilidades de soldadura
Mejorar las habilidades operativas del soldador (utilizar el procesamiento mecánico para componentes grandes o nodos con requisitos estrictos) para garantizar la consistencia y estandarización de las acciones durante la soldadura y reducir los problemas dimensionales causados por factores humanos.
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Por qué la aleación de aluminio se ha convertido en el material de primera elección para placas y radiadores de refrigeración líquida: análisis del principio de conductividad térmica de la aleación de aluminio
La aleación de aluminio es el material estructural no ferroso más utilizado en la industria, especialmente en escenarios donde la conductividad térmica de los materiales es de gran preocupación, y en situaciones donde se requiere una conducción de calor eficiente, como en la disipación de calor de equipos electrónicos, la disipación de calor de los tres sistemas de potencia de vehículos eléctricos y los sistemas de almacenamiento de energía en baterías. En los campos de la disipación de calor y la aeroespacial, se utiliza generalmente para fabricar equipos de transferencia de calor eficientes, como radiadores, placas de conducción de calor y componentes electrónicos.
La conductividad térmica, también llamada conductividad térmica, es un índice de parámetro que caracteriza la conductividad térmica de los materiales. Indica la conducción de calor por unidad de tiempo, unidad de área y gradiente de temperatura negativo. La unidad es W/m·K o W/m·℃. La aleación de aluminio es un material de aleación compuesto de aluminio y otros metales. Su conductividad térmica es muy excelente y el coeficiente de conductividad térmica suele estar entre 140-200 W/(m·K). Como el metal con mayor contenido en la corteza terrestre, el aluminio tiene un coeficiente de conductividad térmica relativamente bajo. Es favorecido por su gran altura, baja densidad y bajo precio.
1-Principio de conductividad térmica de los materiales de aleación de aluminio
Cuando hay una diferencia de temperatura entre áreas adyacentes de un material, el calor fluirá desde el área de alta temperatura al área de baja temperatura a través de la parte de contacto, lo que dará como resultado la conducción de calor. Hay una gran cantidad de electrones libres en los materiales metálicos. Los electrones libres pueden moverse rápidamente en el metal y pueden transferir calor rápidamente. La vibración reticular es otra forma de transferencia de calor del metal, pero queda relegada a un segundo plano en comparación con el método de transferencia de electrones libres.
Comparación de los métodos de conducción del calor entre metales y no metales
2-Factores que afectan la conductividad térmica de las aleaciones de aluminio
a.La aleación es uno de los principales factores que afectan la conductividad térmica. Los elementos de aleación existen en forma de átomos de solución sólida, fases precipitadas y fases intermedias. Estas formas traerán defectos cristalinos, como vacantes, dislocaciones y distorsión reticular. Estos defectos aumentarán la probabilidad de dispersión de electrones, lo que dará como resultado una reducción en el número de electrones libres, reduciendo así la conductividad térmica de las aleaciones. Diferentes elementos de aleación producen diferentes grados de distorsión reticular en la matriz de Al y tienen diferentes efectos en la conductividad térmica. Esta diferencia es el resultado de múltiples factores como la valencia de los elementos de aleación, las diferencias de volumen atómico, la disposición de los electrones extranucleares y el tipo de reacción de solidificación.
b.El tratamiento térmico es un paso muy importante en el procesamiento de aleaciones de aluminio. Al cambiar la microestructura y la transformación de fase de las aleaciones de aluminio, su conductividad térmica puede verse afectada significativamente. El tratamiento de solución sólida consiste en calentar la aleación de aluminio a una determinada temperatura para disolver completamente los átomos de soluto en la matriz y luego enfriarla rápidamente para obtener una solución sólida uniforme. Este tratamiento mejora las propiedades mecánicas del material, pero generalmente reduce su conductividad térmica. El tratamiento de envejecimiento se realiza mediante una deformación en frío adecuada y un recalentamiento después del tratamiento de solución sólida, lo que puede optimizar la microestructura de la aleación y mejorar su rendimiento general. El tratamiento de envejecimiento tiene en cuenta las propiedades mecánicas y la conductividad térmica de la aleación, de modo que la aleación mantenga una alta resistencia y al mismo tiempo tenga una buena conductividad térmica. El recocido mejora la microestructura de la aleación manteniéndola a una temperatura más baja para precipitar y redistribuir la segunda fase en la aleación. El tratamiento de recocido puede mejorar la plasticidad y la tenacidad de las aleaciones de aluminio, pero el efecto sobre la conductividad térmica varía según la situación específica.
Diagrama esquemático de los cambios en la estructura cristalina durante el proceso de envejecimiento de la aleación Al-Cu
c.Otros factores que influyen son las impurezas y las partículas de la segunda fase: Las impurezas y las partículas de la segunda fase (como óxidos, carburos, etc.) en las aleaciones de aluminio pueden dispersar los portadores calientes (electrones y fonones), reduciendo así la conductividad térmica. Cuanto mayor sea el contenido de impurezas, más gruesas serán las partículas de la segunda fase y, en general, menor será la conductividad térmica. El tamaño de grano de las aleaciones de aluminio también afecta a la conductividad térmica. En términos generales, cuanto menor sea el tamaño de grano, más límites de grano habrá y menor será la conductividad térmica. Además, el método de procesamiento de la aleación de aluminio (como laminado, extrusión, forjado, etc.) afectará a su microestructura y estado de tensión residual, lo que afectará a la conductividad térmica. El endurecimiento por deformación y las tensiones residuales reducen la conductividad térmica.
En resumen, la aleación de aluminio es una opción ideal para materiales con alta conductividad térmica. Factores como el tipo de elementos de aleación en las aleaciones de aluminio y sus formas, los métodos de tratamiento térmico, las impurezas, el tamaño del grano y los métodos de moldeo afectarán la conductividad térmica de los materiales de aleación de aluminio. Se deben tener en cuenta consideraciones exhaustivas al diseñar la composición del material y la planificación del proceso.
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Puntos clave de diseño de la estructura del paquete de almacenamiento con refrigeración por inmersión
La tecnología de refrigeración por inmersión para almacenamiento de energía es un método avanzado de enfriamiento de baterías. Utiliza las propiedades térmicas de los líquidos para enfriar rápida, directa y completamente las baterías, asegurando su funcionamiento en un entorno seguro y eficiente.El principio básico consiste en sumergir completamente las baterías de almacenamiento en un líquido aislante, no tóxico y capaz de disipar el calor.Esta tecnología permite el intercambio térmico directo entre el líquido y las baterías, absorbiendo rápidamente el calor generado durante los ciclos de carga y descarga, y trasladándolo a un sistema de enfriamiento externo.
Diagrama de principio de un sistema de enfriamiento por inmersión para almacenamiento de energía
El sistema de enfriamiento por inmersión para almacenamiento de energía actúa como soporte y protección para las celdas de la batería, desempeñando funciones clave como el soporte del paquete de baterías, el refrigerante, la seguridad y la transferencia de calor.Por lo tanto, en el diseño de la estructura del contenedor se deben considerar aspectos como la estanqueidad, la eficiencia de enfriamiento, la seguridad, la selección de materiales y el proceso de fabricación para garantizar un funcionamiento seguro, eficiente y confiable del sistema.El diseño de la estructura del contenedor es la base de todo el sistema de enfriamiento por líquido.
1-Carga uniforme
La caja inferior del paquete de almacenamiento de energía refrigerado por líquido sumergido se compone de una placa inferior y placas laterales. La placa inferior sirve como soporte básico y las placas laterales se fijan alrededor de la placa inferior, que juntas forman el marco principal de la caja. El tamaño de la caja debe ajustarse teniendo en cuenta las necesidades generales y las condiciones de carga del sistema de refrigeración por líquido. En el diseño de cajas de mayor tamaño, se pueden configurar razonablemente particiones internas o estructuras de soporte para dividir el espacio grande en múltiples espacios pequeños. área de fuerza para mejorar la capacidad de carga uniforme. En la estructura interna, la capacidad de carga local se puede mejorar agregando nervaduras de soporte y nervaduras de refuerzo, y también se puede configurar una estructura de distribución de carga dentro de la caja para equilibrar la carga en cada esquina.
Al mismo tiempo, para reducir el impacto de la deformación plástica en la carga uniforme, se pueden diseñar superficies de procesamiento de diferentes alturas en un mismo plano, lo que puede reducir la frecuencia de ajustes de la máquina herramienta y evitar deformaciones causadas por diferencias de altura; también se puede aumentar el ancho o la altura del contenedor para dispersar la carga y reducir la deformación.
Además, el diseño integrado del canal de enfriamiento por líquido y la placa base del contenedor, realizado mediante soldadura por fricción agitada o soldadura láser, mejora significativamente la resistencia estructural de todo el sistema.
Esquema de la estructura de la caja inferior del Pack de almacenamiento de energía de enfriamiento por inmersión
2-Diseño de intercambio de calor
La conductividad térmica es un aspecto importante de la tecnología de refrigeración líquida por inmersión. El objetivo del diseño es garantizar que la batería pueda disipar el calor de manera efectiva en un entorno de alta temperatura, manteniendo así su rendimiento y seguridad.
Los materiales del contenedor deben tener una alta conductividad térmica. Los materiales comúnmente utilizados incluyen aleaciones de aluminio, cobre y compuestos a base de aluminio.El diseño del contenedor también debe considerar el impacto de las variaciones de temperatura ambiental. Un grosor de aislamiento adecuado puede garantizar que la temperatura interna del contenedor se mantenga dentro de un rango relativamente constante, mejorando así la eficiencia general del sistema.
El diseño estructural del contenedor afecta directamente su conductividad térmica. Una disposición adecuada de los canales de líquido garantiza un flujo fluido dentro del contenedor y maximiza la superficie de contacto, siendo esta la principal estrategia para mejorar la conductividad térmica del contenedor.Se pueden establecer varios canales dentro del contenedor para aumentar las rutas de circulación del líquido refrigerante, mejorando así el efecto de disipación de calor.
（lado izquierdo）Opción 1: Inmersión total + Unitaria + Intercambiador de placas
（lado derecho）Opción 2: Inmersión total + Unitaria + Intercambiador de caja
El sistema de refrigeración líquida incluye medio refrigerante, estructuras de conducción térmica, tuberías de refrigeración y estructuras de soporte.
En la Opción 1, se puede llenar los canales del intercambiador de calor y la cavidad de la caja con el mismo líquido refrigerante o diferentes líquidos, y ambas cavidades están selladas y son independientes entre sí.En la cavidad de la caja, el líquido refrigerante sumerge completamente el módulo de batería, asegurando un contacto total. El refrigerante permanece estático y utiliza la buena conductividad térmica del líquido para absorber el calor de la superficie de la batería, reduciendo así el aumento de temperatura.En el intercambiador de calor, el líquido refrigerante se divide en varios canales que entran en paralelo en el panel de refrigeración, y luego se reúnen en el colector de salida, siendo el principal responsable de la eliminación del calor para lograr la refrigeración.
En la Opción 2, el líquido refrigerante de baja temperatura entra desde la parte inferior o lateral, mientras que el líquido de alta temperatura sale desde arriba. El refrigerante circula dentro del paquete de baterías, lo que permite distribuir la temperatura de manera uniforme y efectiva, mejorando la eficiencia de enfriamiento general y manteniendo la coherencia de la temperatura de la celda o del paquete de baterías.
Para mejorar aún más el efecto de refrigeración, se pueden tomar diversas medidas de optimización, como optimizar el flujo de líquido y los métodos de circulación, elegir refrigerantes de alta capacidad térmica y mejorar la distribución de temperatura del líquido.Estas medidas pueden reducir la acumulación de calor y la pérdida de energía, asegurando que la batería funcione en un estado de enfriamiento eficiente.
3-Diseño de sellado
Para la caja de refrigeración líquida, se realiza un diseño de sellado completo utilizando materiales y estructuras de sellado avanzados. El diseño del sellado no solo debe considerar la estanqueidad al aire, sino también la estanqueidad del medio líquido para garantizar que no haya fugas en ninguna dirección de las celdas de la batería.
El diseño debe seleccionar la forma y el tipo de sellado adecuados según las necesidades específicas de la aplicación, considerando factores como el grado de libertad de las fugas de los sellos, la resistencia al desgaste, la compatibilidad con el medio y la temperatura, y la baja fricción. Según las especificaciones detalladas, se deben elegir tipos y materiales de sellado adecuados.
Además, la elección del proceso de soldadura tiene un gran impacto en el rendimiento del sellado. Elegir el método de soldadura adecuado para diferentes materiales y grosores puede mejorar eficazmente la calidad de las juntas de soldadura, garantizando así la resistencia y estanqueidad global del sistema.
Imagen del producto terminado del cuerpo inferior del pack de almacenamiento de energía por inmersión líquida unitaria
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Riesgos de contaminación de los canales y técnicas de control de limpieza en el proceso de fabricación de placas de refrigeración líquida
A medida que la densidad de potencia y la generación de calor de diversos productos electrónicos sigue aumentando, la gestión térmica se enfrenta a desafíos cada vez mayores,La refrigeración líquida se está convirtiendo gradualmente en la solución predominante debido a su alta eficiencia de refrigeración, bajo consumo de energía, bajo ruido y alta fiabilidad.
El sistema de refrigeración líquida funciona uniendo la placa fría con el grupo de baterías (u otra fuente de calor) y haciendo circular un refrigerante en el interior para disipar el calor generado por la fuente de calor,Este calor se transfiere luego a través de uno o varios circuitos de refrigeración y, en última instancia, se disipa al ambiente exterior.
Como componente central de un sistema de refrigeración líquida, la placa de refrigeración líquida es un elemento de disipación de calor altamente eficiente, cuya función principal es eliminar el calor generado durante el funcionamiento de la batería (u otras fuentes de calor) mediante la circulación del líquido refrigerante, permitiendo que el equipo funcione dentro de un rango de temperatura seguro.Si los canales de la placa de refrigeración líquida no están limpios, esto puede afectar la uniformidad del flujo del líquido refrigerante. Las partículas extrañas de gran tamaño pueden provocar obstrucciones o un flujo irregular, lo que impide una transmisión eficaz del calor y afecta la eficiencia de disipación de calor y el rendimiento general de los dispositivos electrónicos.
Si quedan impurezas en los canales, estas pueden dañar la capa protectora de óxido en las paredes metálicas, provocando corrosión o erosión en la placa de refrigeración líquida. Además, las impurezas en los canales pueden causar un contacto deficiente entre los componentes, lo que puede llevar al envejecimiento o daño de los sellos, aumentando así el riesgo de fugas y afectando la estabilidad a largo plazo del sistema.
1-Requisitos de limpieza de los canales de las placas de refrigeración líquida
Las soluciones actuales de cajas de refrigeración líquida para almacenamiento de energía generalmente requieren que los canales estén libres de cuerpos extraños, virutas de aluminio, restos de aceite y líquidos. En algunos casos, se establecen requisitos específicos sobre la masa de impurezas y el tamaño de las partículas duras y blandas.
2-Etapas de alto riesgo de contaminación de los canales durante la fabricación de placas de refrigeración líquida
Durante el proceso de fabricación de componentes de placas de refrigeración, como los canales internos y las estructuras de las interfaces de refrigeración, residuos de aceite, refrigerante de corte, virutas de metal y otros cuerpos extraños pueden entrar fácilmente en los canales durante las etapas de corte, perfilado de canales, etc. Las áreas de mecanizado se encuentran en la entrada de los canales, lo que dificulta la protección, y las virutas que ingresan son difíciles de eliminar.
Procesamiento de componentes de placas de refrigeración líquida: limpieza de canales y desbarbado
Después del mecanizado de los canales de las placas de refrigeración, se sueldan tapones, boquillas y otros componentes para formar canales cerrados. La estructura de los canales suele ser no lineal, creando zonas difíciles de limpiar.
En el proceso de mecanizado posterior a la soldadura de las placas de refrigeración, se utiliza una gran cantidad de refrigerante de corte para enfriar las herramientas y las piezas, lo que genera una gran cantidad de virutas metálicas. Esta fase implica un alto riesgo de que el refrigerante y las virutas contaminen los canales, y que sean difíciles de eliminar por completo, lo cual representa un riesgo importante de contaminación del canal.
3-Limpieza y protección de los canales de la placa de refrigeración líquida
Para asegurar la fiabilidad y el rendimiento de los componentes de las placas de refrigeración líquida, generalmente se llevan a cabo operaciones de limpieza rigurosas.Enjuague: Se usa una pistola de agua a alta presión para enjuagar los canales internos de la placa de refrigeración líquida, eliminando posibles residuos, partículas u otras impurezas.Después del enjuague, los componentes de la placa de refrigeración líquida deben secarse para asegurar que no quede humedad residual en los canales.
Procesamiento de componentes de la placa de refrigeración líquida: enjuague y desengrasado
Las placas de refrigeración líquida, como las placas de enfriamiento, pueden contaminarse fácilmente durante el proceso de fabricación si no están debidamente protegidas. Virutas metálicas, aceite y líquidos de corte pueden entrar en el proceso de fabricación. Además, en el proceso de transporte, es fácil que ingresen cuerpos extraños.Generalmente, se considera de antemano la protección de los canales, como adhesivos antipolvo y manguitos protectores en los accesorios de agua.
Por lo tanto, la limpieza de los canales internos de las placas de refrigeración es una medida esencial para eliminar las contaminaciones y mejorar la limpieza de los canales. En la práctica, se requiere un control completo del proceso. Basándose en esto, se proponen medidas de control de contaminación específicas para controlar eficazmente la contaminación en los canales internos de las placas de refrigeración.
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Diseño del proceso de soldadura del cuerpo inferior para el almacenamiento de energía de las baterías
El cuerpo de la batería de almacenamiento de energía desempeña un papel clave en el sistema de almacenamiento, con funciones principales como protección de carga, transmisión de calor uniforme, instalación eléctrica y sellado a prueba de agua.
Con el aumento de los requisitos de densidad de energía de las baterías, el aluminio, con su alta conductividad térmica y baja densidad, se convierte en una solución eficaz para mejorar la eficiencia del sistema de baterías.El diseño integrado de los canales de flujo y las paredes laterales del cuerpo puede ahorrar trabajo de soldadura en los puntos clave de soporte de carga, mejorando la resistencia estructural. Esto garantiza la seguridad y estabilidad de la estructura en condiciones de carga estática, levantamiento y vibración aleatoria, mejorando en cierta medida la hermeticidad del cuerpo.
Además, el diseño integrado ayuda a reducir el número de piezas y el peso del cuerpo. Fabricado mediante un proceso de extrusión, ofrece costos de molde bajos, fácil procesamiento y flexibilidad para satisfacer diferentes volúmenes de producción.
1-Tipos principales del cuerpo inferior de almacenamiento de energía en aluminio extruido y soldado
La anchura del cuerpo inferior enfriado por líquido para el almacenamiento de energía generalmente varía entre 790 y 810 mm, y la altura entre 40 y 240 mm. Se divide en tipo plano y tipo brida (ver ilustración a continuación). La longitud del cuerpo enfriado por líquido está relacionada con la capacidad del producto de almacenamiento de energía, y hay soluciones comunes como 48s, 52s, 104s y otras especificaciones.
Cuerpo inferior enfriado por líquido de tipo plano
Cuerpo inferior enfriado por líquido de tipo brida
2-Formas estructurales del cuerpo inferior de almacenamiento de energía en aluminio extruido y soldado
El cuerpo enfriado por líquido es la estructura básica de todo el paquete de baterías, compuesto por una estructura de marco rectangular soldada a partir de un panel de base avec canales, juntas, boquillas, marco, vigas, soportes y orejas de elevación. Todas las piezas son de aleación de aluminio.
Diagrama de montaje de las piezas del cuerpo enfriado por líquido
El cuerpo enfriado por líquido necesita tener una capacidad de carga y una resistencia estructural suficientes, lo que impone altos requisitos de calidad de soldadura, incluyendo el proceso de soldadura, el control de la clasificación de las soldaduras y las habilidades de los soldadores, para garantizar la seguridad y la fiabilidad en la aplicación práctica.
La tecnología de enfriamiento por líquido tiene altos requisitos de hermeticidad para el cuerpo enfriado por líquido, incluyendo la hermeticidad del cuerpo inferior y de los canales de enfriamiento por líquido. Además, los canales de enfriamiento por líquido deben soportar la presión del flujo del refrigerante, lo que aumenta aún más los requisitos de hermeticidad de los canales de enfriamiento por líquido.
3-Requisitos de calidad de soldadura
Se requiere generalmente que el panel inferior enfriado por líquido se suelde mediante soldadura por fricción, y los tapones del cuerpo enfriado por líquido de tipo plano también se sueldan de esta manera. Normalmente, la hendidura de la soldadura por fricción debe ser ≤ 0.5, y no se permiten metales sueltos o que puedan desprenderse debido a vibraciones.
Los canales de enfriamiento por líquido, los marcos, las boquillas, las orejas de elevación, las vigas transversales y otros accesorios suelen soldarse mediante TIG o CMT. Teniendo en cuenta las diferentes exigencias de rendimiento de las piezas, los canales de enfriamiento, los marcos, las boquillas y las orejas de elevación se sueldan completamente, mientras que las vigas transversales y los accesorios se sueldan por secciones. La planitud en la zona de las vigas del módulo de batería delantero y trasero debe ser inferior a 1,5 mm para un solo módulo y inferior a 2 mm para el total; la planitud del marco debe cumplir con ± 0,5 mm por cada aumento de longitud de 500 mm.
En la superficie de la soldadura no se permiten defectos como grietas, falta de penetración, falta de fusión, porosidad superficial, escoria expuesta o soldaduras incompletas. En general, se exige que la altura de la soldadura de la boquilla sea ≤ 6 mm; las soldaduras en otras posiciones no deben sobresalir de la superficie inferior del cuerpo, y las soldaduras en el interior de las vigas de los módulos delanteros y traseros no deben sobresalir de la superficie interna.
La profundidad de la soldadura debe cumplir con los requisitos de los estándares pertinentes. La resistencia a la tracción de las uniones de soldadura por arco no debe ser inferior al 60 % del valor mínimo de resistencia a la tracción del material base; para las uniones de soldadura láser y por fricción, la resistencia a la tracción no debe ser inferior al 70 % del valor mínimo de resistencia a la tracción del material base.
Además, la soldadura del cuerpo inferior también debe cumplir con los estándares de hermeticidad IP67, por lo que, para el tratamiento posterior a la soldadura, se exige generalmente que las escorias y las soldaduras en el área de las vigas del módulo delantero y trasero se pulan; las soldaduras en el exterior de la bandeja no deben pulirse, y las soldaduras en las superficies de sellado deben estar pulidas uniformemente, sin diferencias de altura significativas con el marco.
Tabla: Selección de procesos de soldadura para cajas inferiores de refrigeración líquida para almacenamiento de energía y aplicaciones típicas
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Diseño de disipador de calor con aletas rectangulares
El propósito de un disipador de calor es aumentar el área de transferencia de calor dentro de un espacio de volumen determinado. Mejorando la forma de la estructura, se puede aumentar la eficiencia de transferencia de calor desde la superficie hacia el fluido circundante. Mediante tratamientos de superficie, entre otras técnicas, se aumenta el área efectiva de transferencia, logrando así mejorar la disipación de calor y controlar la temperatura.
En aplicaciones donde la densidad de potencia de volumen y la densidad de flujo térmico no son altas, los disipadores con aletas rectas y rectangulares son populares entre los ingenieros debido a su estructura simple, su costo de fabricación razonable y su buen rendimiento de disipación de calor.
Comparación de diferentes métodos de transferencia de calor
1-Diseño de aletas de disipador de calor
Un disipador de calor actúa como una superficie de disipación extendida, centrándose principalmente en parámetros como la altura, la forma, el espaciado de las aletas y el grosor de la placa base.
Dimensiones del disipador de calor de aletas planas
Según el diagrama anterior, se puede calcular el área de disipación extendida del disipador de calor:
Área de una sola aleta:Af = 2L（h+t/2），
Área de espacios：Ab= Lh，
Área total de disipación de calor: At=nAf +(n±1)Ab (n es el número de aletas).
Vista seccional de la aleta
La función principal de las aletas es aumentar la superficie para mejorar la eficiencia de la transferencia de calor.El espaciado, el grosor y la altura de las aletas son factores clave para determinar la cantidad, distribución y superficie de las aletas.Como se muestra en la imagen, cuando h↑ o t↓, las aletas son más altas, delgadas y densas, lo que permite una mayor superficie de disipación.
Cuando aumenta la superficie de las aletas, su contacto con el aire también aumenta, lo que facilita la disipación de calor.Los ingenieros también pueden aumentar la superficie de disipación optimizando la forma de las aletas, como onduladas o dentadas.
Aunque una mayor superficie de las aletas mejora la disipación de calor, no significa necesariamente que más grande siempre sea mejor.Ya sea con disipación natural o refrigeración forzada, el espaciado de las aletas es un factor importante para el coeficiente de transferencia de calor del aire.
Impacto del espacio y la altura de las aletas en la eficiencia de disipación de calor.
En condiciones de disipación natural, las variaciones de temperatura en la superficie del disipador generan convección natural y flujo de la capa límite de aire en las paredes de las aletas. Un espaciado demasiado estrecho puede obstaculizar este proceso.En condiciones de refrigeración forzada, el grosor de la capa límite en las aletas se comprime, permitiendo un espaciado más estrecho, pero está limitado por los métodos de fabricación y la fuerza motriz. Por lo tanto, es crucial equilibrar el grosor y la altura de las aletas.
2-Diseño de la base del disipador de calor
El grosor de la base es un factor importante que afecta la eficiencia del disipador de calor. Cuando la base es delgada, la resistencia térmica hacia las aletas alejadas de la fuente de calor es mayor, lo que provoca una distribución desigual de la temperatura y reduce la resistencia del disipador a los choques térmicos.
Aumentar el grosor de la base puede corregir la distribución desigual de la temperatura y mejorar la resistencia a los choques térmicos, aunque una base demasiado gruesa puede causar acumulación de calor y reducir la capacidad de conducción térmica.
Esquema del principio de funcionamiento del disipador térmico
Como se muestra en la imagen:
Cuando la superficie de la fuente de calor es menor que la de la placa base, el calor debe difundirse desde el centro hacia los bordes, formando una resistencia térmica de difusión. La ubicación de la fuente de calor también influye en esta resistencia. Si la fuente está cerca del borde del disipador, el calor se puede transferir más fácilmente por el borde, reduciendo así la resistencia de difusión.
Nota: La resistencia térmica de difusión se refiere a la resistencia que se encuentra en el diseño de un disipador de calor cuando el calor se difunde desde el centro de la fuente de calor hacia los bordes. Este fenómeno suele ocurrir cuando hay una gran diferencia entre el área de la fuente de calor y el área de la base, lo que hace que el calor deba difundirse de una zona más pequeña a una zona más grande.
3-Proceso de conexión entre las aletas y la placa base
El proceso de conexión entre las aletas y la placa base del disipador generalmente involucra varios métodos para asegurar una buena conductividad térmica y estabilidad mecánica. Se divide principalmente en dos categorías: integrado y no integrado.
En los disipadores integrados, las aletas y la placa base forman una sola pieza, sin resistencia térmica de contacto. Los métodos principales son los siguientes:
l Moldeo por inyección de aluminio: Al fundir el lingote de aluminio en estado líquido, se introduce a alta presión en un molde metálico, permitiendo que el disipador se forme directamente en la máquina de inyección, creando aletas con formas complejas.
l Extrusión de aluminio: Luego de calentar el aluminio, se coloca en un cilindro de extrusión y se aplica presión para que fluya a través de un molde específico, obteniendo un material bruto con la forma y tamaño de sección deseado, y se somete a procesos adicionales de corte y acabado.
l El tratamiento de forjado en frío tiene la ventaja de poder crear aletas de disipación finas con un alto coeficiente de conductividad térmica, aunque a un costo relativamente mayor. Es más adecuado para formas especiales en comparación con la extrusión de aluminio.
l Los disipadores con aletas fabricadas por fresado pueden ser de cobre, con alta conductividad térmica, y las aletas pueden ser muy finas. Las aletas se levantan directamente de la placa base con una herramienta, aunque altas tensiones pueden causar deformación si son muy largas o altas.
En la fabricación no integrada, las aletas de refrigeración y la placa base se procesan por separado y luego se ensamblan mediante soldadura, remachado o pegado. Los principales métodos son:
l Soldadura: Las aletas y la placa base se conectan mediante un material de soldadura, que incluye soldadura a alta temperatura y soldadura con pasta de estaño a baja temperatura;
La soldadura tiene buenas propiedades de transferencia de calor; al soldar sustratos de Al y aletas, se requiere un recubrimiento de níquel, lo que aumenta el costo y no es adecuado para disipadores de gran tamaño; al usar soldadura, no se necesita recubrimiento de níquel, pero el costo de soldadura sigue siendo alto.
l Remachado: Las aletas se insertan en la ranura de la placa base, luego la ranura se presiona hacia el centro mediante un molde, asegurando así un ajuste firme y una conexión sólida con las aletas de refrigeración.
La ventaja del remachado es su buena capacidad de transferencia de calor, pero los productos remachados tienen riesgo de generar espacios y aflojamientos tras un uso repetido; se puede mejorar el proceso de remachado para aumentar la fiabilidad, pero esto también incrementa los costos. Por lo tanto, los disipadores remachados se utilizan comúnmente en situaciones donde no se requieren altos niveles de fiabilidad.
l Adhesión: Generalmente se utiliza resina epóxica conductora de calor para pegar firmemente las aletas de refrigeración a la placa base, asegurando así la conducción de calor.
La adhesión utiliza resina epóxica conductora de calor, cuyo coeficiente de conductividad térmica es mucho más bajo que el de las soldaduras, pero es adecuada para aletas más altas, altas proporciones y disipadores de pequeño espaciado. Se puede utilizar en situaciones donde las exigencias de rendimiento térmico no son altas.
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Simulación de fluidos
Utilice software de simulación para analizar el rendimiento térmico de disipadores de calor y placas frías
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Escenarios de aplicación
Condiciones de trabajo:Escenario de alto flujo de calor
Diseño de instalación:Instalación de un solo lado
Aplicación típica: Para ser personalizado por los clientes
Características: Buen efecto de disipación de calor
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Escenarios de aplicación
Tecnología:Soldadura a medida de perfiles de aluminio
Diseño e instalación:Refrigeración líquida inferior
Aplicación típica: Para ser personalizado por los clientes
Características: Peso ligero y buen efecto refrescante
Intercambio de calor
El refrigerante circula a través de tuberías impulsadas por una bomba.Cuando el refrigerante fluye a través del intercambiador de calor dentro del servidor, intercambia calor con componentes de alta temperatura (como CPU, GPU, etc.) y lo elimina.
Lori Customer Cases
Lori is a heat sink manufacturer of design and manufacturing high power heat sink, we have provided innovative thermal solutions for many high power industry device such as Aerospace industry,Medical, Communication server, Consumer Electronics etc. Our solutions include high power heat pipe thermal mould, liquid cooling system, staked fin heat sink solution etc.
Lori Customer Cases
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Características de la tecnología de refrigeración líquida
Principio básico de la solución de refrigeración líquida: la refrigeración líquida utiliza líquido como refrigerante y utiliza el flujo de líquido para transferir el calor generado por los componentes internos del equipo de TI del centro de datos al exterior del equipo, de modo que los componentes de calefacción del equipo de TI puedan ser enfriado, garantizando así que la tecnología de TI para el funcionamiento seguro del equipo.
Ventajas de la refrigeración líquida: la refrigeración líquida tiene una eficiencia energética ultraalta, una densidad térmica ultraalta, puede disipar el calor de manera eficiente y no se ve afectada por la altitud, la región, la temperatura y otros entornos.
Solución de refrigeración líquida de placa fría de Walmate:El enfriamiento líquido con placa fría es un método que transfiere indirectamente el calor del dispositivo de calentamiento al líquido refrigerante encerrado en la tubería de circulación a través de una placa de enfriamiento líquido (generalmente una cavidad cerrada compuesta de metales conductores de calor como cobre y aluminio), y toma Elimina el calor a través del líquido refrigerante. Una forma de disipación de calor.La solución de refrigeración líquida de placa fría tiene la mayor madurez tecnológica y es una solución de aplicación eficaz para resolver la implementación de equipos de alto consumo de energía, mejorar la eficiencia energética, reducir los costos operativos de refrigeración y reducir el TCO.
Características de los requisitos de disipación de calor en los campos de la IA y la supercomputación
El alto consumo de energía y la alta densidad son el futuro de los centros de datos, y la refrigeración líquida se convertirá en la solución de refrigeración principal para los servidores de IA.
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Sugerencias de optimización de DFM
Ayudarle a reducir posibles errores y defectos en el proceso de producción y garantizar que el producto cumpla con los estándares de calidad requeridos por el diseño durante la producción
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Escenarios de aplicación
Condiciones de trabajo:Escenario de alto flujo de calor
Diseño de instalación:Instalación de un solo lado
Aplicación típica: Para ser personalizado por los clientes
Características: Buen efecto de disipación de calor
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Escenarios de aplicación
Tecnología:Soldadura a medida de perfiles de aluminio
Diseño e instalación:Refrigeración líquida inferior
Aplicación típica: Para ser personalizado por los clientes
Características: Peso ligero y buen efecto refrescante
¿Por qué los servidores refrigerados por líquido son cada vez más populares?
●La popularidad de los modelos grandes y AIGC ha provocado un aumento en la construcción de centros de computación inteligentes y centros de potencia informática en varias regiones.
●Con el avance continuo de la política de "carbono dual", el país ha planteado requisitos más altos para el PUE del centro de datos.Como infraestructura central de TI, los servidores deben soportar múltiples presiones, como la disipación de calor y las "pruebas duales de energía de carbono".
●La potencia térmica del chip ha alcanzado el límite de la refrigeración por aire.La aplicación de la tecnología de refrigeración líquida en servidores se ha convertido en uno de los métodos preferidos.
Tendencia técnica y empresarial
Con la comercialización de una serie de productos AIGC, como modelos grandes, la demanda de servidores de IA aumentará rápidamente y la gran cantidad de chips de CPU y GPU de alta potencia aumentará el consumo de energía de todo el servidor de IA.
En términos de CPU, a medida que aumenta el número de núcleos, el rendimiento del procesador continúa mejorando, lo que hace que la potencia del procesador siga aumentando. En escenarios especiales (como la computación en la nube de alto rendimiento), los procesadores utilizarán overclocking para mejorar el rendimiento informático y aumentar aún más. consumo de energía.
En términos de GPU, algunos de los productos más recientes tienen un consumo máximo de energía de hasta 700 W, lo que ha superado las capacidades de disipación de calor de los sistemas tradicionales refrigerados por aire.
En el futuro, se espera que la densidad de potencia informática de los clústeres de IA alcance 20-50 kW/gabinete. La tecnología de refrigeración por aire natural generalmente solo admite micromódulos de 8-10 kW con conductos de aire frío y caliente aislados más aire acondicionado refrigerado por agua. para refrigeración horizontal tienen una caída significativa en el rendimiento de costos después de que la potencia del gabinete supera los 15 kW. Las capacidades y ventajas económicas de las soluciones de refrigeración y refrigeración se destacan gradualmente.
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