Per far fronte alle richieste del mercato come grandi intervalli, iterazioni rapide e linee di prodotto ricche, garantendo al contempo riduzione dei costi, miglioramento dell'efficienza e garanzia della qualità, per l'industria automobilistica, la standardizzazione dei prodotti - la piattaforma dei veicoli è senza dubbio una buona strategia. Attraverso la piattaforma delle batterie, la stessa soluzione di pacco batteria può essere abbinata a modelli diversi, oppure possono essere abbinate soluzioni di pacchi batteria composte dallo stesso tipo di celle della batteria e strutture simili. Ciò significa che possono essere standardizzate quante più parti possibili, il che può accorciare il ciclo di sviluppo, risparmiare sui costi, semplificare le linee di produzione e migliorare l'efficienza della produzione.

Primo: piattaforma della batteria

La soluzione della piattaforma batteria è favorevole alla pianificazione complessiva dei prodotti, alla riduzione dei costi e all'ottimizzazione della capacità produttiva. In base alla strategia della piattaforma batteria della piattaforma del veicolo, è necessario considerare l'intersezione e la larghezza di banda dei requisiti di ciascun modello della piattaforma e utilizzare il minor numero possibile di batterie e soluzioni di batterie per essere compatibili con il maggior numero possibile di modelli. Nello sviluppo dell'architettura di progetti puramente elettrici, è fondamentale disporre ragionevolmente il pacco batteria di potenza integrato. Gli elementi di lavoro specifici includono requisiti di potenza e prestazioni di potenza, sicurezza in caso di collisione, posizione e spazio di layout, ecc.

1-Confini delle dimensioni spaziali e standardizzazione delle celle della batteria

l Posizioni disponibili per i pacchi batteria

Attualmente, la disposizione della batteria di alimentazione principale è sotto il pavimento, compresi sotto i sedili anteriori, sotto i sedili posteriori, nel canale centrale e nel poggiapiedi. Questa disposizione può massimizzare l'area disponibile, aiutare ad abbassare il baricentro del veicolo, migliorare la stabilità di guida del veicolo e ottimizzare il percorso di trasmissione della forza di collisione.

Figura 1: Disposizione del pacco batteria durante lo sviluppo dei veicoli elettrici

l Evoluzione della disposizione dello spazio del pacco batteria

Pacco batteria diviso: viene adottato un layout dello spazio del pacco batteria diviso, come la serie JAC Tongyue. Il modulo energetico è costituito da due pacchi batteria, uno posizionato nella posizione originale del serbatoio del carburante e l'altro posizionato nel bagagliaio dove è riposta la ruota di scorta.

Inoltre, gli ingegneri stanno esplorando costantemente lo spazio utilizzabile all'interno dell'architettura originale dei veicoli a carburante, con conseguenti disposizioni dei pacchi batteria che assumono le forme di "工" , "T" e "土" .

Questo tipo di design è una modifica minore di un veicolo a carburante tradizionale. Lo spazio è molto limitato e il volume e il peso del pacco batteria che può essere caricato sono molto limitati, quindi la capacità è difficile da aumentare e l'autonomia di crociera non è elevata.

Pacco batteria integrato: si tratta di un nuovo concetto di progettazione del prodotto. Il design dell'intero veicolo ruota attorno al componente principale, il pacco batteria. Il pacco batteria è progettato in modo modulare e disposto in piano sul telaio del veicolo per massimizzare lo spazio disponibile.

l Disposizione del punto di installazione del pacco batteria

La disposizione ragionevole del pacco batteria è fondamentale e i fattori limitanti nella progettazione sono l'altezza da terra, la percorribilità, la sicurezza in caso di collisione, i requisiti di potenza e molti altri aspetti.

Figura 2: Vincoli di progettazione delle dimensioni del pacco batteria

La piattaforma del veicolo deve definire la categoria, il livello e il posizionamento di ciascun modello di veicolo all'interno della piattaforma, quindi determinare le dimensioni e il passo del veicolo. Il layout del veicolo scompone l'involucro delle dimensioni del pacco batteria nelle direzioni X, Y e Z in base allo spazio del veicolo. La batteria deve essere disposta all'interno dell'involucro dato del veicolo per garantire che non vi siano interferenze tra i vari sistemi del veicolo. L'indice di peso a vuoto può scomporre i requisiti di qualità del sistema del pacco batteria.

In termini di dimensioni della batteria, la progettazione dei pacchi batteria di potenza non può evitare rigidi indicatori di riferimento come lo spazio del veicolo e il peso a vuoto, il che significa che esiste una soglia per la progettazione delle celle della batteria. Vincolata da questa soglia, la dimensione della cella della batteria sarà concentrata in un certo intervallo, come: la lunghezza delle celle della batteria quadrate varia da 150-220 mm, la larghezza varia da 20-80 mm e l'altezza varia intorno ai 100 mm. La tendenza mutevole delle specifiche delle dimensioni delle celle della batteria è il risultato della relazione complementare tra la piattaforma del veicolo e la standardizzazione della batteria.

Tuttavia, le strategie della piattaforma della batteria, i modelli dei veicoli e la comprensione della standardizzazione di vari produttori di automobili sono diversi, con conseguenti differenze significative nelle attuali soluzioni di prodotto. Ad esempio, la strategia di standardizzazione di BYD è quella di sostituire completamente la batteria blade, la cui dimensione è bloccata a 960*13,5 (14)*90 (102) mm e la tensione della singola cella è 3,2/3,3 V.

2- Sviluppo di limiti di resistenza e soluzioni di capacità della batteria

La batteria di potenza fornisce energia per il viaggio del veicolo: la capacità della batteria, la profondità di scarica e la densità di energia influenzano la quantità di potenza disponibile. Per soddisfare le esigenze di diversi modelli, la differenza nel consumo di energia dei modelli è diventata una preoccupazione importante. L'autonomia di crociera del veicolo sarà influenzata da fattori quali la trazione elettrica, la batteria, il peso a vuoto, la resistenza al vento, la resistenza meccanica, il consumo di energia a bassa tensione e il recupero di energia. La possibilità di condividere soluzioni di batteria tra modelli con grandi differenze nel consumo di energia è debole, quindi è necessario sviluppare soluzioni di alimentazione della batteria personalizzate, tra cui dimensioni della batteria, qualità, potenza e ottimizzazione delle prestazioni di potenza per soddisfare i requisiti delle prestazioni di crociera.

In base ai vincoli dell'autonomia elettrica pura della piattaforma di produzione del veicolo, la scarica netta richiesta dalla batteria sarà influenzata dal consumo di energia di diversi modelli. È necessario confermare la distribuzione del consumo di energia di ciascun modello sulla piattaforma per convertire ulteriormente la larghezza di banda del consumo di energia nella distribuzione della domanda della batteria, quindi determinare il piano di alimentazione della batteria richiesto dalla piattaforma.

3-Limite di prestazione di potenza

Le prestazioni dinamiche del veicolo completo includono le performance in termini di accelerazione, velocità costante e modalità di risparmio energetico a diversi livelli di SOC (State of Charge) e temperature ambientali.  Questo si traduce, a livello di batteria, nelle caratteristiche potenza-tensione della batteria stessa a diversi SOC e temperature. La potenza della batteria corrisponde alla richiesta di potenza del sistema di propulsione del veicolo, mentre la tensione corrisponde alla tensione nominale richiesta dal motore di trazione.

In genere, la valutazione delle soluzioni per le batterie per l'intera piattaforma del veicolo inizia dal tempo di accelerazione di 100 chilometri a temperatura normale e potenza elevata e dalla decomposizione dell'indicatore della batteria, e si estende gradualmente alla decomposizione dell'indicatore della batteria sull'intera autonomia e in tutte le condizioni operative.

SECONDO: Sviluppo della scatola della batteria

1-Integrazione e modularizzazione della batteria

Ottimizzare la progettazione dei moduli batteria, migliorare l'integrazione e la modularità dei pacchi batteria, ridurre i componenti inattivi e aumentare la densità energetica dei pacchi batteria.

Le tecnologie di integrazione dei pacchi batteria attualmente più diffuse includono CTP, CTB, CTC e altre forme. La forma, il materiale e la combinazione delle parti sono cambiati con l'avanzamento della tecnologia di integrazione. La direzione generale è integrazione e integrazione. Riducendo il numero di parti indipendenti e utilizzando una parte grande per sostituire più parti, si formano componenti più grandi e più funzionali.

2-Progettazione della scatola della batteria

La custodia della batteria è il supporto dell'assemblaggio del sistema di batterie di potenza, svolge un ruolo chiave nel funzionamento sicuro e nella protezione del prodotto e influisce direttamente sulla sicurezza dell'intero veicolo. La progettazione strutturale della custodia della batteria include principalmente la selezione dei materiali del guscio per il guscio superiore, il guscio inferiore e altri componenti della custodia della batteria e la selezione delle soluzioni del processo di fabbricazione. Il coperchio superiore della custodia della batteria svolge principalmente un ruolo di tenuta e non è soggetto a molta forza; la custodia inferiore della custodia della batteria è il supporto dell'intero prodotto del sistema di batterie di potenza e il modulo della batteria è principalmente disposto nella custodia inferiore. Pertanto, devono esserci misure strutturali come scanalature e deflettori incorporati all'interno della custodia della batteria per garantire che il modulo della batteria sia fissato in modo affidabile quando il veicolo è in marcia e non vi sia alcun movimento nelle direzioni anteriore, posteriore, sinistra, destra, su e giù, in modo da evitare impatti sulle pareti laterali e sul coperchio superiore e influire sulla durata della custodia della batteria.

Figura 3: Soluzione scatola inferiore batteria, telaio a-skin, saldatura b-FSW + telaio, saldatura c-FSW + telaio

l Progettazione della struttura del punto di installazione del pacco batteria e fissaggio della connessione

Il punto di installazione del pacco batteria di solito adotta una struttura a trave di montaggio, che attraversa la parte anteriore e posteriore, e l'estremità anteriore è collegata alla trave longitudinale della cabina anteriore per formare una struttura a trave chiusa efficace e coerente. I punti di installazione sono ragionevolmente disposti in base alla distribuzione del peso del pacco batteria. Il pacco batteria e il veicolo sono fissati in vari modi, tra cui fissaggio tramite bulloni, fissaggio meccanico + collegamento ibrido con giunto adesivo, collegamento a scatto, ecc.

Figura 4: Disposizione del pacco batteria e sezione di installazione

I pacchi batterie di potenza sono generalmente installati sul veicolo tramite più strutture di ganci. La lavorazione dei ganci deve sopportare non solo il peso considerevole del pacco batterie, ma anche le sollecitazioni generate dalla marcia dell'auto su strade irregolari, come ciottoli e buche profonde. Queste condizioni di durata e di uso improprio pongono requisiti più elevati sulla resistenza della struttura dei ganci.

Figura 5: Diverse soluzioni di collegamento del gancio di sollevamento: a Gancio di sollevamento saldato b Gancio di sollevamento con telaio estruso in alluminio

l Struttura di sicurezza e protezione della scatola della batteria

Resistenza meccanica e protezione: la scatola della batteria deve avere una resistenza meccanica sufficiente a proteggere le batterie al suo interno da urti e impatti meccanici. La scatola della batteria deve essere in grado di resistere a vibrazioni, estrusione e urti meccanici per garantire la sicurezza della batteria in varie condizioni.

Protezione dalle collisioni: la progettazione della custodia della batteria deve tenere in considerazione la sicurezza dalle collisioni, in particolare per le collisioni laterali e inferiori. Di solito è realizzata in alluminio o acciaio e collegata al vassoio inferiore tramite un telaio esterno per fornire rigidità strutturale e migliorare le capacità di assorbimento dell'energia di collisione. Inoltre, devono essere progettate strutture di assorbimento delle collisioni appropriate per prevenire la deformazione della custodia della batteria e danni alle celle della batteria.

Impermeabile, antipolvere e resistente alla corrosione: la scatola della batteria deve essere impermeabile e antipolvere e solitamente utilizza guarnizioni di tenuta di livello IP67 per garantire la tenuta stagna. Inoltre, dovrebbero essere prese in considerazione anche misure anticorrosione, come la spruzzatura di rivestimento in PVC all'esterno per migliorare la resistenza alla corrosione.

Progettazione antideflagrante e di scarico della pressione: quando una batteria esplode, l'energia deve essere rilasciata in modo concentrato e direzionale tramite dispositivi quali valvole antideflagranti bilanciate per evitare di entrare nella cabina del cliente. Inoltre, devono essere adottate misure antideflagranti (quali la parziale distruzione strutturale) per impedire la rottura complessiva dell'apparecchiatura.

l Design sigillato

Il design della superficie di tenuta tra il coperchio superiore e la cassa inferiore della scatola della batteria svolge un ruolo importante nelle prestazioni di tenuta e il suo design deve essere progettato insieme alla struttura della scatola della batteria e all'anello di tenuta. La superficie di tenuta deve essere mantenuta sullo stesso piano il più possibile per evitare troppe strutture curve. Poiché il coperchio superiore e la cassa inferiore sono collegati da bulloni, viene utilizzato un gran numero di bulloni, quindi è particolarmente importante garantire la coassialità dei fori. Mentre si dispongono ragionevolmente le posizioni dei fori dei bulloni, le dimensioni della posizione devono essere il più possibile rotonde e disposte simmetricamente nelle direzioni X e Y. La selezione del numero di bulloni di collegamento deve essere considerata in modo completo in base al livello di tenuta e alla quantità di carico di lavoro di smontaggio e montaggio.

Figura 6: Progettazione della tenuta della scatola superiore e inferiore, 1-coperchio superiore della batteria 2-guarnizione di tenuta 3-coperchio inferiore della batteria 4-condotto metallico

l Sicurezza elettrica e protezione da cortocircuito

Affidabilità della connessione: i connettori all'interno del vano batteria devono avere la corretta polarità per garantire la capacità di sovracorrente del vano batteria e l'affidabilità dei collegamenti elettrici/meccanici, comprese le misure di rilassamento, ecc.

Progettazione di isolamento elettrico e resistenza alla tensione: la progettazione del modulo adotta una doppia protezione di isolamento. La cella della batteria stessa ha uno strato di pellicola blu della cella della batteria e una toppa superiore della cella della batteria per soddisfare i requisiti di isolamento e resistenza alla tensione. La protezione di isolamento e resistenza alla tensione è impostata tra la piastra terminale/laterale e la cella della batteria e tra la cella della batteria e la superficie di montaggio inferiore.

l Progettazione della gestione termica

Lo sviluppo della gestione termica della batteria attraversa l'intero ciclo di progettazione e sviluppo del sistema del pacco batteria, inclusa la progettazione del controllo della temperatura della batteria, della piastra fredda, del sistema di tubazioni, ecc. L'obiettivo principale della progettazione del sistema di gestione termica della batteria è garantire che il sistema della batteria funzioni a una temperatura di esercizio relativamente adatta tramite il controllo del riscaldamento o del raffreddamento, tenendo conto della disposizione dello spazio, dei costi di progettazione, della leggerezza, ecc., riducendo al contempo la differenza di temperatura tra le celle per garantire la coerenza.

Condivideremo regolarmente aggiornamenti e informazioni su tecniche di progettazione termica e alleggerimento, per la vostra consultazione. Grazie per l'interesse verso Walmate.

Il pacco batteria è la fonte energetica principale dei nuovi veicoli energetici, che fornisce potenza motrice all'intero veicolo. In genere valutiamo i vantaggi e gli svantaggi della tecnologia del pacco batteria in base alle dimensioni di efficienza (densità energetica), sicurezza, costi di produzione e manutenzione.

Nella progettazione delle batterie, la tensione di una singola cella è di soli 3-4 V circa, mentre la tensione richiesta dai veicoli elettrici è di almeno 100 V. Le nuove auto ora hanno persino una tensione di 700 V/800 V e la potenza in uscita è generalmente di 200 W, quindi la batteria deve essere potenziata. Per soddisfare i requisiti di corrente e tensione dei veicoli elettrici, è necessario collegare celle diverse in serie o in parallelo.

Il pacco batteria è composto da celle, sistemi elettronici ed elettrici, sistemi di gestione termica, ecc., che sono racchiusi da una struttura del telaio della batteria: piastra di base (vassoio), telaio (telaio metallico), piastra di copertura superiore, bulloni, ecc. Come "confezionare" questi componenti e sistemi in un tutto in modo più efficiente e sicuro è sempre stato un argomento di continua ricerca ed esplorazione per l'intero settore.

Articolo precedente: Innovazione e sviluppo della tecnologia di integrazione delle batterie

L'origine della tecnologia dei gruppi di batterie di potenza può essere fatta risalire agli anni '50, e ha avuto origine nell'ex Unione Sovietica e in alcuni paesi europei. Questa tecnologia è stata originariamente utilizzata come concetto di ingegneria e produzione per determinare le somiglianze fisiche delle parti (percorsi di processo universali) e stabilire la loro produzione efficiente.

Il fulcro della Group Technology (GT) è identificare ed esplorare le somiglianze di cose correlate nelle attività di produzione, classificare problemi simili in gruppi e cercare soluzioni ottimali relativamente unificate per risolvere questo gruppo di problemi per ottenere benefici economici. Nel campo delle batterie di potenza, la group technology riguarda principalmente la tecnologia di integrazione delle batterie da singole celle in pacchi batteria (Pack), tra cui struttura, gestione termica, progettazione della connessione elettrica e tecnologia del sistema di gestione della batteria (BMS).

La prima tecnologia di raggruppamento nel campo automobilistico è MTP (Module To Pack), il che significa che le celle vengono prima integrate nei moduli e poi i moduli vengono integrati nei Pack. Questa tecnologia è caratterizzata da moduli staccabili e sostituibili, che hanno una buona manutenibilità, ma l'efficienza di raggruppamento è bassa. Con lo sviluppo della tecnologia, la tecnologia di raggruppamento ha subito una trasformazione da MTP a CTP (Cell To Pack). La tecnologia CTP si riferisce alla tecnologia di integrazione diretta delle celle nei Pack, eliminando la tradizionale struttura del modulo e migliorando l'efficienza di raggruppamento e l'efficienza di produzione. Negli ultimi anni, il settore sta anche esplorando tecnologie di raggruppamento come CTC (Cell To Chassis), CTB (Cell To Body & Bracket) e MTB (Module To Body) con maggiore efficienza di integrazione.

Nel campo delle batterie di potenza e dell'accumulo di energia elettrochimica, i principali progressi tecnologici delle batterie al litio derivano dall'innovazione strutturale e dall'innovazione dei materiali. Il primo consiste nell'ottimizzare la struttura di "cella-modulo-pacco batteria" a livello fisico per raggiungere l'obiettivo di migliorare sia la densità di energia del volume del pacco batteria sia la riduzione dei costi; il secondo consiste nell'esplorare i materiali delle batterie a livello chimico per raggiungere l'obiettivo di migliorare sia le prestazioni delle singole celle sia la riduzione dei costi. Questo articolo si concentra sull'impatto delle diverse tecnologie di integrazione strutturale sulla tecnologia di produzione del pacco batteria e sulla direzione dello sviluppo innovativo dal punto di vista dell'integrazione strutturale del pacco batteria. Le attuali tecnologie chiave per l'integrazione delle batterie di potenza sono illustrate nella figura seguente:

1-MTP è stato eliminato

All'inizio dell'attuale ondata di sviluppo di veicoli elettrici, sono stati lanciati molti modelli di veicoli a nuova energia da petrolio a elettrico. Essi continuano la disposizione spaziale e il design stilistico dei tradizionali veicoli a benzina. Gli ingegneri hanno assemblato un modulo di celle di batteria relativamente grande collegando un certo numero di singole celle di batteria in serie/parallelo, e poi hanno posizionato diversi di tali moduli di celle di batteria nel pacco batteria, che è il familiare pacco batteria "MTP". Poiché il pacco batteria deve essere "confezionato" più di due volte, il numero di componenti richiesti è estremamente elevato e il pacco batteria appare come "tre strati all'interno e tre strati all'esterno", con troppe parti ridondanti che occupano più volume e peso del sistema, con conseguente scarsa densità di energia volumetrica e densità di energia gravimetrica del pacco batteria "MTP". Inoltre, poiché la progettazione dei veicoli a benzina non ha specificamente riservato spazio per la batteria, il sistema di batterie può essere solo "schiacciato dove si adatta", con conseguente scarsa competitività del prodotto ed esperienza utente.

Dal lancio delle nuove piattaforme di veicoli elettrici intelligenti rappresentate da Tesla, i veicoli elettrici puri nativi hanno consentito di installare pacchi batteria in posizioni spaziali ideali in modo più efficiente e regolare, i sistemi tri-elettrici possono essere disposti in modo più ragionevole e l'architettura elettronica ed elettrica del veicolo e la progettazione della gestione termica possono essere integrate in modo più efficiente. La forza del prodotto del veicolo in termini di efficienza energetica, resistenza e intelligenza è stata notevolmente migliorata.

2-Era della tecnologia integrata 2.0——CTP

Il pacco batteria con struttura MTP presenta un problema significativo di utilizzo dello spazio. L'utilizzo dello spazio della cella della batteria rispetto al modulo è dell'80%, l'utilizzo dello spazio del modulo rispetto al pacco batteria è del 50% e l'utilizzo complessivo dello spazio è solo del 40%. Il costo dell'hardware del modulo rappresenta circa il 14% del costo totale della batteria. Questa struttura a basso utilizzo dello spazio non può soddisfare i requisiti di sviluppo dei nuovi veicoli energetici. Nell'ambito dell'idea di integrazione cella della batteria → modulo → pacco batteria → carrozzeria, se il veicolo desidera caricare quanta più potenza possibile nello spazio limitato del telaio e migliorare l'utilizzo del volume, è necessario considerare la standardizzazione di ogni fase di integrazione. Poiché la domanda di mercato per l'autonomia di guida continua ad aumentare, il volume di un singolo modulo batteria continua ad aumentare, il che porta indirettamente all'emergere della soluzione CTP.

La tecnologia della struttura CTP è nata per tenere in considerazione la sicurezza, la complessità del packaging, la riduzione dei costi, ecc. Con la premessa di garantire la sicurezza della cella della batteria, la tecnologia CTP riduce i cavi interni e le parti strutturali. Rispetto alla tecnologia MTP, la tecnologia CTP non ha una struttura modulare e confeziona direttamente la cella della batteria in un pacco batteria prima di installarlo sul veicolo.

Attualmente ci sono due idee principali. Una è quella di considerare il Pack come un grande modulo completo che sostituisce la struttura di più piccoli moduli al suo interno, rappresentata da CATL; l'altra è quella di considerare l'utilizzo di una soluzione senza modulo durante la progettazione e progettare la batteria stessa come partecipante alla forza, come la batteria blade di BYD.

Il punto centrale della tecnologia CTP è l'eliminazione del design del modulo, con le celle della batteria che si combinano direttamente con il guscio, riducendo l'uso delle piastre terminali e dei separatori. I problemi che ne derivano riguardano il fissaggio del pacco batteria e la gestione termica.

In effetti, il prodotto originale del pacco batteria CTP non era un progetto completamente privo di moduli, ma un progetto che univa i piccoli moduli originali in tre moduli grandi e due moduli medi, e c'erano anche piastre terminali in alluminio ad entrambe le estremità, quindi in teoria è ancora MTP, ma ci sono davvero grandi miglioramenti nella struttura.

Dopo l'introduzione di CTP 3.0, CATL ha presentato un metodo di produzione più avanzato, ottenendo un design completamente privo di moduli. Le celle della batteria sono state modificate da un orientamento verticale lungo l'altezza a una posizione orizzontale. Inoltre, è stata implementata una nuova soluzione di raffreddamento tra le celle della batteria, che non solo dissipa il calore ma fornisce anche funzioni di supporto, ammortizzazione, isolamento e controllo della temperatura. Anche il guscio inferiore è stato progettato con una funzione di fissaggio limitante.

Figura 1: Confronto tra la batteria CATL Kirin CTP2.0 e CTP3.0

3-Tecnologia integrata 3.0 Era—CTB, CTC

l Tecnologia CTB

La tecnologia CTP è un importante passo avanti nell'innovazione della struttura della batteria, ma non ha fatto una svolta nel pacco batteria stesso. Nella tecnologia CTP, il pacco batteria è ancora un componente indipendente. Rispetto alla strategia semplificata di CTP per i pacchi batteria, la tecnologia CTB combina il pannello del pavimento della carrozzeria e il coperchio del pacco batteria in uno. La superficie di tenuta piatta formata dal coperchio della batteria, dalla soglia della portiera e dalle travi anteriore e posteriore sigilla l'abitacolo passeggeri con sigillante e il fondo è assemblato con la carrozzeria attraverso il punto di installazione. Quando si progetta e si produce il pacco batteria, il sistema della batteria è integrato con la carrozzeria nel suo insieme, i requisiti di tenuta e impermeabilità della batteria stessa possono essere soddisfatti e la sigillatura della batteria e dell'abitacolo passeggeri è relativamente semplice e i rischi sono controllabili.

In questo modo, la struttura a sandwich originale di "coperchio pacco batteria-cella batteria-vassoio" si trasforma in una struttura a sandwich di "coperchio pacco batteria integrato sottoscocca-cella batteria-vassoio", riducendo la perdita di spazio causata dalla connessione tra carrozzeria e coperchio batteria. In questa modalità strutturale, il pacco batteria non è solo una fonte di energia, ma partecipa anche alla forza e alla trasmissione dell'intero veicolo come struttura.

Figura 2: Schema della struttura della tecnologia CTB

l Tecnologia CTC

Dopo aver adottato il metodo CTC, il pacco batteria non è più un assemblaggio indipendente, ma è integrato nella carrozzeria del veicolo, il che ottimizza la progettazione del prodotto e il processo di produzione, riduce il numero di parti del veicolo, in particolare riduce le parti strutturali interne e i connettori della batteria, ha il vantaggio intrinseco della leggerezza, massimizza l'utilizzo dello spazio e fornisce spazio per aumentare il numero di batterie e migliorare l'autonomia di guida. A condizione che il sistema elettrochimico stesso rimanga invariato, l'autonomia di guida può essere aumentata aumentando il numero di batterie.

Figura 3: Diagramma della struttura della tecnologia Tesla CTC

Ad esempio, Tesla e altre case automobilistiche hanno lanciato in successione modelli di tecnologia CTC. A livello di cella, possono utilizzare strutture sandwich elastiche multifunzionali e tecnologia di raffreddamento ad acqua di grandi dimensioni e sovrapporre la tecnologia di riutilizzo dello spazio anti-collisione nella parte inferiore del pacco batteria apportata dallo sviluppo integrato, tenendo conto dell'efficienza di raggruppamento, della dissipazione del calore e della sicurezza e promuovendo l'applicazione della tecnologia CTC dalle due dimensioni di ottimizzazione delle celle e protezione della struttura del veicolo. A livello di sviluppo integrato del veicolo, la cella della batteria è direttamente integrata nel telaio, eliminando i collegamenti di moduli e pacchi batteria. L'integrazione dei tre principali sistemi elettrici (motore, controllo elettronico, batteria), i tre sistemi elettrici minori (CC/CC, OBC, PDU), il sistema del telaio (sistema di trasmissione, sistema di guida, sistema di sterzo, sistema di frenata) e moduli correlati alla guida autonoma è realizzata e la distribuzione di potenza è ottimizzata e il consumo di energia è ridotto tramite il controller di dominio di potenza intelligente.

4-Modifiche ai requisiti specifici per i box batteria per le tecnologie CTP, CTB e CTC

Nella struttura tradizionale del pacco batteria, il modulo batteria svolge il ruolo di supporto, fissaggio e protezione della cella della batteria, mentre il corpo del box batteria sopporta principalmente la forza di estrusione esterna. L'applicazione delle tecnologie CTP, CTB e CTC propone nuovi requisiti per i box batteria, che si riflettono specificamente in:

I requisiti di resistenza del corpo della scatola della batteria sono migliorati: poiché il collegamento del modulo è ridotto o eliminato nelle strutture CTP, CTB e CTC, il corpo della scatola della batteria non deve solo resistere alla forza di estrusione esterna, ma anche alla forza di espansione della cella della batteria originariamente sopportata dal modulo. Pertanto, i requisiti di resistenza del corpo della scatola della batteria sono più elevati.

Capacità di protezione dalle collisioni: dopo aver utilizzato la tecnologia CTP per rimuovere le travi laterali del pacco batteria, la batteria subirà direttamente l'impatto della collisione, pertanto il pacco batteria CTP deve avere una resistenza alle collisioni sufficiente.

Requisiti di isolamento, isolamento e dissipazione del calore: le strutture CTP o CTB e CTC modificano il profilo della piastra inferiore in una piastra raffreddata ad acqua basata sulla scatola strutturale portante del telaio. La scatola della batteria non solo sopporta il peso delle celle della batteria, ma fornisce anche gestione termica e altre funzioni per la batteria. La struttura è più compatta, il processo di produzione è ottimizzato e il grado di automazione è più elevato.

Manutenibilità ridotta: il design altamente integrato rende complicata la sostituzione del pacco batteria. Ad esempio, nella struttura CTC, le celle della batteria sono riempite con materiale in resina, il che rende difficile la sostituzione delle celle della batteria e quasi impossibile la riparazione.

5- Impatto dell'integrazione del pacco batteria sull'infrastruttura di ricarica dei veicoli elettrici

La scelta di diverse tecnologie di integrazione del pacco batteria implica anche la scelta di diversi metodi di compensazione. CTP tende a essere la sostituzione della batteria, mentre CTB/CTC, più altamente integrato, tende a essere la ricarica rapida.

Un'elevata integrazione significa che più batterie possono essere ospitate nello stesso spazio, aumentando così l'autonomia dei veicoli elettrici. Gli utenti potrebbero non aver più bisogno di caricare frequentemente per brevi distanze, ma potrebbero preferire caricare rapidamente durante i lunghi viaggi. Pertanto, la pianificazione dell'infrastruttura di ricarica deve tenere conto di questi cambiamenti per garantire che possa soddisfare le esigenze degli utenti.

Con l'aumento dell'integrazione dei pacchi batteria, le dimensioni fisiche e la struttura dei pacchi batteria potrebbero cambiare, il che potrebbe influire sulla progettazione dell'interfaccia di ricarica e sulla compatibilità dell'apparecchiatura di ricarica.

Inoltre, la maggiore integrazione dei pacchi batteria potrebbe anche influire sulla velocità e l'efficienza della ricarica. Potrebbe essere necessario sviluppare e implementare sistemi di gestione della batteria e tecnologie di ricarica più efficienti per garantire un processo di ricarica rapido e sicuro.

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Nel processo di produzione di vassoi batteria e scatole fredde di accumulo di energia per veicoli a nuova energia, il trattamento superficiale necessario e appropriato è un passaggio fondamentale, come: l'uso di rivestimento, trattamento di ossidazione, ecc. per formare uno strato protettivo sulla superficie metallica per resistere all'erosione di mezzi corrosivi; i componenti che richiedono isolamento elettrico, come celle batteria, piastre di raffreddamento ad acqua, pareti del modulo, ecc., devono stabilire una pellicola protettiva isolante. L'isolamento è generalmente ottenuto spruzzando polvere isolante o vernice isolante. La scelta della tecnologia di trattamento superficiale appropriata può non solo migliorare le prestazioni del vassoio/scatola di raffreddamento a liquido, ma anche la durata e la sicurezza possono soddisfare le esigenze di diversi scenari applicativi. Questo articolo riassume le comuni tecnologie di trattamento superficiale come riferimento.

1-Pulizia e lucidatura

Durante il processo di produzione, sulla superficie del pallet possono accumularsi impurità come olio di lavorazione, residui di olio motore, polvere e polvere. Queste impurità non solo influiscono sulla durata utile del vassoio della batteria, ma possono anche influire negativamente sulle prestazioni e sulla sicurezza della batteria. Tramite pulizia e lucidatura, queste impurità possono essere rimosse efficacemente per garantire la pulizia della superficie del pallet. La pulizia e la molatura possono rimuovere efficacemente impurità superficiali, sbavature e scorie di saldatura, rendendo la superficie liscia e piatta, migliorando così la qualità complessiva del vassoio/scatola della batteria.

l pulizia chimica

Pulizia alcalina: la pulizia alcalina utilizza principalmente soluzioni alcaline (come idrossido di sodio, carbonato di sodio, ecc.) per rimuovere grasso, sporco e altre sostanze organiche dalla superficie delle leghe di alluminio. Il lavaggio alcalino rimuove il grasso tramite saponificazione, emulsificazione e penetrazione e bagnatura e allo stesso tempo genera precipitati solubili in acqua, ottenendo così un effetto pulente. La pulizia alcalina è solitamente utilizzata per rimuovere grasso, polvere e contaminanti organici dalla superficie delle leghe di alluminio.

Decapaggio: il decapaggio utilizza soluzioni acide (come acido nitrico, acido cloridrico, ecc.) per rimuovere incrostazioni di ossido, ruggine e altri depositi inorganici sulla superficie delle leghe di alluminio. Il decapaggio converte gli ossidi sulla superficie del metallo in sali solubili attraverso la reazione dell'acido con gli ossidi sulla superficie del metallo, rimuovendo così le impurità superficiali. Il decapaggio è utilizzato principalmente per rimuovere la pellicola di ossido, la ruggine e le incrostazioni di sale inorganico sulla superficie delle leghe di alluminio. Il decapaggio è spesso utilizzato per il trattamento finale delle superfici metalliche per migliorarne la finitura e la planarità.

l Rettifica meccanica

Durante la produzione, il processo di rettifica può rimuovere le tolleranze di lavorazione, correggere errori di forma, garantire la levigatezza e la precisione della superficie del pallet/scatola, soddisfare i requisiti di assemblaggio e quindi migliorare le prestazioni complessive e la durata utile.

La superficie pulita e levigata può migliorare il trattamento dei materiali di rivestimento o di altri materiali, ed è molto importante per l'applicazione successiva di rivestimenti anticorrosivi, sigillanti, conduttori di calore, isolanti e materiali di isolamento. Questo svolge un ruolo chiave nell'assicurare una solida adesione di questi materiali al pallet o al contenitore.

2-Stabilimento del rivestimento e della pellicola protettiva

Oltre alla pulizia e alla lucidatura di base, la produzione di pallet/scatole utilizza un processo di spruzzatura per il trattamento superficiale, al fine di formare uno strato protettivo che prevenga l'ossidazione e la corrosione e soddisfi le esigenze di diversi scenari, quali isolamento termico, isolamento e resistenza alla tensione.

l Isolamento termico

L'isolamento termico e anticondensa dei vassoi delle batterie può essere ottenuto mediante una progettazione completa di sistemi di isolamento termico, l'uso di materiali isolanti ad alta efficienza, l'applicazione di aerogel, la progettazione dell'isolamento del pacco batteria e la spruzzatura di materiali isolanti in schiuma.

Superficie inferiore spruzzata con PVC e materiale espanso

l Tensione di tenuta all'isolamento

L'isolamento dell'involucro del pacco batteria e dei componenti di raffreddamento a liquido serve principalmente a prevenire perdite di corrente, proteggere il personale da scosse elettriche e garantire il normale funzionamento del sistema di batterie. L'isolamento è in genere ottenuto tramite due metodi principali: spruzzatura a polvere e laminazione a pellicola. I principali processi di laminazione a pellicola includono laminazione a temperatura ambiente, pressatura a caldo ed esposizione ai raggi UV.

Spruzzatura interna di polvere isolante e vernice isolante

3-Loghi e segnaletica

Una targhetta o un'etichetta viene posizionata in una posizione ben visibile sul vassoio della batteria, generalmente tramite laser, incisione meccanica, ecc. Questi loghi sono solitamente realizzati con materiali resistenti all'usura e alla corrosione, per garantire che non vengano cancellati facilmente durante l'intera durata di servizio.

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In quanto apparecchiatura principale del sistema di accumulo di energia, il convertitore di accumulo di energia è uno strumento importante per la conversione di potenza, la gestione dell'energia, la garanzia della stabilità della rete, il miglioramento dell'efficienza energetica, ecc. Man mano che l'unità di potenza del convertitore di accumulo di energia si sposta verso un'elevata integrazione e un'elevata efficienza, lo sviluppo di frequenza e grande capacità pone requisiti sempre più elevati sulla dissipazione del calore.

1-Cambiamenti nei requisiti di raffreddamento

l Grazie alla cabina CC più grande, la capacità del convertitore continua ad aumentare e l'efficiente tecnologia di dissipazione del calore garantisce l'affidabilità dell'apparecchiatura.

Man mano che la capacità delle celle di accumulo di energia diventa sempre più grande, anche la capacità dei sistemi di accumulo di energia si sta espandendo simultaneamente. All'inizio del 2023, la capacità standard della batteria a cella singola da 20 piedi sul mercato era di soli 3,35 MWh. Nella seconda metà dell'anno, molte aziende di celle per batterie hanno lanciato prodotti di accumulo di energia da 310+Ah e la capacità della batteria a cella singola da 20 piedi è stata ampliata anche a 5 MWh. Tuttavia, meno di sei mesi dopo l'aggiornamento del modello da 5 MWh, alcuni importanti sistemi di accumulo di energia hanno rilasciato sistemi da 6 MWh e 8 MWh. Secondo l'esperienza generale, il convertitore di accumulo di energia è configurato a 1,2 volte la capacità di carico. La capacità della singola unità di un sistema di accumulo di energia da 5 MWh deve essere superiore a 2,5 MW. L'elevata potenza richiede una tecnologia di raffreddamento più efficiente per garantire un funzionamento stabile dell'apparecchiatura sotto carichi elevati sostenuti.

Evoluzione iterativa dello schema di topologia di integrazione del sistema di accumulo di energia

l L'applicazione della tecnologia ad alta tensione CC richiede che i dispositivi abbiano livelli di tensione di tenuta e resistenza dell'isolamento più elevati, inoltre la dissipazione del calore dei dispositivi di potenza è notevole.

Per adattarsi al sistema di accumulo di energia di grande capacità, la tecnologia ad alta tensione CC è diventata una tendenza tecnica. Attraverso l'aumento del livello di tensione, è possibile ottenere risparmio energetico, efficienza e miglioramento delle prestazioni. L'aggiornamento della tensione a 1500 V ha avuto origine dal fotovoltaico e ora il fotovoltaico è coinvolto nell'accumulo di energia. Tuttavia, l'evoluzione ad alta tensione del PCS di accumulo di energia ha ancora molta strada da fare e alcuni produttori hanno iniziato a ottimizzarla e spingerla a 2000 V. L'applicazione della tecnologia ad alta tensione CC costringe i dispositivi elettronici di potenza nei convertitori di accumulo di energia ad avere livelli di tensione di tenuta più elevati e una maggiore resistenza di isolamento per adattarsi agli ambienti di lavoro ad alta tensione. Negli ambienti ad alta tensione, la progettazione della dissipazione del calore dei dispositivi di potenza diventa più importante. La temperatura di giunzione pn dei dispositivi di potenza generalmente non può superare i 125 °C e la temperatura del guscio del pacchetto non supera gli 85 °C.

l I sistemi di accumulo di energia in rete richiedono algoritmi di controllo complessi, progetti di circuiti e convertitori di accumulo di energia ad alta densità di potenza

A differenza delle caratteristiche essenziali delle fonti di corrente nei sistemi di accumulo di energia grid-forming, i sistemi di accumulo di energia grid-forming sono essenzialmente fonti di tensione che possono impostare internamente parametri di tensione per generare tensione e frequenza stabili. Pertanto, è necessario che i convertitori grid-forming simulino le caratteristiche dei generatori sincroni, fornendo supporto per tensione e frequenza per migliorare la stabilità del sistema di alimentazione. Questa strategia di controllo richiede che i convertitori possiedano una maggiore densità di potenza e algoritmi di controllo più complessi, nonché dispositivi di alimentazione ad alte prestazioni e progetti di circuiti più intricati per implementare la strategia di controllo. Gestire efficacemente il calore generato da un'elevata densità di potenza e strategie di controllo complesse, riducendo al contempo le dimensioni e il costo del sistema di raffreddamento senza compromettere le prestazioni, è diventata una nuova sfida nella progettazione termica.

2- Confronto delle soluzioni di raffreddamento comuni

Negli ultimi anni la soluzione di raffreddamento per gli inverter con accumulo di energia ha subito una significativa evoluzione iterativa, che si riflette principalmente nella transizione della tecnologia di raffreddamento dal tradizionale raffreddamento ad aria a quella a liquido.

l Soluzione di raffreddamento ad aria

Il raffreddamento ad aria è la forma di controllo della temperatura utilizzata nella fase iniziale dei convertitori di accumulo di energia. Utilizza l'aria come mezzo e dissipa il calore tramite ventole e radiatori. La soluzione di raffreddamento ad aria migliora l'efficienza di dissipazione del calore riducendo costantemente il consumo di energia, ottimizzando la struttura e migliorando i materiali di dissipazione del calore. Al livello di potenza di 2,5 MW, il raffreddamento ad aria può ancora soddisfare i requisiti.

l Soluzione di raffreddamento a liquido

Poiché la densità di potenza e la densità energetica dei sistemi di accumulo di energia continuano ad aumentare, il PCS raffreddato a liquido utilizza un refrigerante con elevata conduttività termica come mezzo. Il refrigerante è azionato da una pompa dell'acqua per circolare nella piastra fredda e non è influenzato da fattori quali altitudine e pressione dell'aria. Il sistema di raffreddamento a liquido ha un'efficienza di dissipazione del calore più efficiente rispetto al sistema di raffreddamento ad aria. La soluzione di raffreddamento a liquido ha un grado di corrispondenza più elevato e ha iniziato a essere esplorata e resa popolare negli ultimi uno o due anni.

Oltre alla soluzione di accumulo di energia con raffreddamento a liquido completo, alcuni produttori hanno lanciato macchine di raffreddamento diretto con accumulo di energia, che utilizzano il raffreddamento diretto a cambiamento di fase e nessuna circolazione d'acqua. Anche le soluzioni di raffreddamento diretto stanno entrando nel campo dell'accumulo di energia.

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Il pacco batteria è un componente chiave dei nuovi veicoli energetici, degli armadietti e dei contenitori per l'accumulo di energia. È una fonte di energia attraverso l'involucro del guscio, che fornisce energia ai veicoli elettrici e fornisce capacità di consumo per gli armadietti e i contenitori per l'accumulo di energia. In combinazione con le effettive esigenze ingegneristiche, questo articolo riassume i punti chiave della progettazione del profilo per i pacchi batteria analizzando i requisiti di resistenza meccanica, sicurezza, gestione termica e leggerezza dei pacchi batteria.

1-Requisiti di progettazione dell'alloggiamento del pacco batteria

l Resistenza meccanica, resistenza alle vibrazioni e resistenza agli urti. Dopo il test, non dovrebbero esserci danni meccanici, deformazioni o allentamenti del fissaggio e il meccanismo di bloccaggio non dovrebbe essere danneggiato.

l Sigillatura: la sigillatura del pacco batteria influisce direttamente sulla sicurezza di funzionamento del sistema di batterie. Di solito è necessario raggiungere il livello di protezione IP67 per garantire che il pacco batteria sia sigillato e impermeabile.

l La progettazione dell'involucro del pacco batteria deve tenere in considerazione le prestazioni di gestione termica e garantire che la batteria funzioni entro un intervallo appropriato mediante un'adeguata progettazione della gestione termica.

l Per l'installazione e il fissaggio, la struttura deve avere spazio per la targhetta e i segnali di sicurezza e deve riservare spazio sufficiente e fondamenta fisse per l'installazione di linee di acquisizione, vari elementi sensori, ecc.

l Tutti i connettori, i terminali e i contatti elettrici con isolamento di base non polare devono soddisfare i requisiti del livello di protezione corrispondente quando combinati.

l Alleggerimento: l'alleggerimento del guscio è di grande importanza per migliorare la densità energetica del pacco batteria. La lega di alluminio è leggera e di alta qualità, il che la rende la scelta più fattibile al momento. Il livello di alleggerimento può essere migliorato tramite un design estremo appropriato in combinazione con applicazioni reali.

l Durata: la durata di vita del guscio del pacco batteria non deve essere inferiore alla durata di vita del prodotto complessivo. Non deve verificarsi alcuna deformazione plastica evidente durante il ciclo di utilizzo. Il livello di protezione e le prestazioni di isolamento non devono essere ridotti. La struttura deve essere facile da manutenere, inclusa la disposizione delle targhette e dei segnali di sicurezza e la protezione dei connettori.

Figura 1 Tipico guscio del pacco batteria saldato in lega di alluminio

2-Tipica soluzione con guscio per pacco batteria in lega di alluminio

I materiali in lega di alluminio comunemente usati per i gusci dei pacchi batteria includono 6061-T6, 6005A-T6 e 6063-T6, ecc. Questi materiali hanno diversi limiti di snervamento e resistenze alla trazione per soddisfare diversi requisiti strutturali. La resistenza di questi materiali è: 6061-T6＞6005A-T6＞6063-T6.

Attualmente, le soluzioni di formatura del guscio del pacco batteria includono la saldatura di profili in alluminio, la fusione di lega di alluminio, la fusione di alluminio più profili in alluminio, la saldatura di piastre in alluminio stampato, ecc. La soluzione di saldatura di profili in alluminio è diventata la scelta principale grazie alla sua flessibilità e praticità di lavorazione. Come mostrato nella Figura 1, il guscio è composto principalmente da un telaio di profili in lega di alluminio e da una piastra inferiore di profili in lega di alluminio, che vengono saldati utilizzando profili estrusi in lega di alluminio serie 6. La soluzione di fusione di lega di alluminio è considerata la futura direzione di sviluppo grazie al suo processo semplificato e al potenziale di riduzione dei costi.

3- Progettazione della sezione del profilo

l Dimensioni e complessità della sezione: la dimensione della sezione del profilo è misurata dal cerchio circoscritto. Più grande è il cerchio circoscritto, maggiore è la pressione di estrusione richiesta. La sezione del profilo è solitamente composta da più cavità per migliorare la rigidità e la resistenza strutturale. Solitamente, il telaio, la partizione centrale, la piastra inferiore, la trave, ecc. adottano diversi design di sezione per adattarsi a diversi requisiti strutturali e funzionali.

Figura 2 Sezione tipica del profilo in lega di alluminio

l Spessore della parete del profilo in alluminio: lo spessore minimo della parete di uno specifico profilo in alluminio è correlato al raggio del cerchio circoscritto del profilo, alla forma e alla composizione della lega. Ad esempio, quando lo spessore della parete della lega di alluminio 6063 è di 1 mm, lo spessore della parete della lega di alluminio 6061 dovrebbe essere di circa 1,5 mm. La difficoltà di estrusione della stessa sezione è: 6061-T6＞6005A-T6＞6063-T6. Nella progettazione dei profili del pacco batteria, il profilo del telaio è solitamente realizzato in materiale in lega di alluminio 6061-T6 e la sua sezione tipica è composta da più cavità e lo spessore della parete più sottile è di circa 2 mm; anche il profilo della piastra inferiore è composto da più cavità e il materiale è generalmente 6061-T6, 6065A-T6 e anche lo spessore della parete più sottile è di circa 2 mm; Inoltre, nella progettazione del vassoio portante della piastra inferiore e dell'integrazione del raffreddamento a liquido della piastra inferiore, la piastra inferiore adotta generalmente una struttura bifacciale, lo spessore della piastra inferiore è generalmente di 10 mm e lo spessore della parete e della parete interna della cavità sono di circa 2 mm.

l Tolleranza delle dimensioni trasversali del profilo: la tolleranza delle dimensioni trasversali deve essere determinata in base alla tolleranza di lavorazione del profilo in alluminio, alle condizioni di utilizzo, alla difficoltà di estrusione del profilo e alla forma del profilo. Per alcuni profili in alluminio difficili da estrudere, la forma può essere modificata o la tolleranza di lavorazione e la tolleranza dimensionale possono essere aumentate per ridurre la difficoltà di estrusione ed estrudere prodotti di profili in alluminio che sono vicini ai requisiti, e quindi possono essere rimodellati o lavorati per soddisfare i requisiti di utilizzo.

Inoltre, quando si progetta la sezione del profilo, è necessario considerare i requisiti specifici dei diversi processi di saldatura per giunti, scanalature, spessore delle pareti, ecc.

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La tenuta stagna del pacco batteria è un fattore chiave per garantire la qualità e la sicurezza del pacco batteria. È correlata alla sicurezza, all'affidabilità e alla durata del pacco batteria. Il test di tenuta stagna del pacco batteria deve essere eseguito non solo durante il processo di produzione, ma anche durante la manutenzione e l'ispezione della batteria.

1-Requisiti di tenuta stagna del pacco batteria

Nella produzione effettiva, la tenuta stagna del pacco batteria deve soddisfare i seguenti requisiti:

Prestazioni di tenuta: l'involucro del pacco batteria, l'interfaccia e i connettori devono avere buone prestazioni di tenuta per impedire a polvere, vapore acqueo e altre impurità esterne di entrare nel pacco batteria, il che può essere ottenuto tramite saldatura, sigillanti, materiali impermeabili, ecc.

Prestazioni impermeabili, per impedire all'umidità di entrare nella batteria, causando cortocircuiti, corrosione e altri problemi. Secondo lo standard nazionale GB38031-2020 "Requisiti di sicurezza per batterie di alimentazione per veicoli elettrici", le prestazioni di tenuta delle batterie e dei loro componenti devono soddisfare lo standard IP67. La maggior parte dei nuovi veicoli energetici ha requisiti di prestazioni di tenuta più elevati per le batterie e i loro componenti e deve soddisfare lo standard IP68, ovvero il pacco batteria può impedire all'acqua di entrare entro la profondità dell'acqua e il tempo di immersione specificati.

I metodi tradizionali di prova di tenuta all'aria includono il metodo di pressione e il metodo di immersione (prova in acqua). Il metodo di immersione consiste nell'immergere la piastra di raffreddamento a liquido in acqua e osservare se vengono generate bolle per giudicare la tenuta.

Piastra di raffreddamento a liquido Canale dell'acqua Serbatoio di prova di tenuta dell'aria

Sebbene lo standard IP68 sia più rigoroso, nelle applicazioni reali, il metodo della caduta di pressione è spesso utilizzato come metodo di rilevamento principale per soddisfare i requisiti IP68 impostando standard di rilevamento della tenuta stagna appropriati. Il metodo della caduta di pressione determina la tenuta stagna del pacco batteria misurando la variazione di pressione all'interno del pacco batteria. Quando si eseguono test di tenuta stagna, è necessario prestare attenzione a più parametri, come pressione di gonfiaggio, tempo di gonfiaggio, tempo di stabilizzazione della pressione e tasso di perdita.

（lato sinistro）Diagramma del principio di base della pressione differenziale

（lato destro）Diagramma del principio di base della pressione diretta

2-Analisi del problema di perdita della piastra di raffreddamento a liquido

Con il continuo aggiornamento della domanda di mercato per veicoli a batteria, sistemi di accumulo di energia a batteria, ecc., vengono ampiamente utilizzati pacchi batteria con densità di energia e densità di potenza più elevate. A causa delle caratteristiche termiche delle batterie, per garantire il funzionamento stabile delle apparecchiature principali come le batterie e migliorare l'efficienza di utilizzo dell'energia, la tecnologia di raffreddamento a liquido è una delle principali vie tecniche per la gestione termica dell'accumulo di energia e il test di tenuta all'aria del sistema di raffreddamento a liquido è diventato un collegamento chiave.

La perdita dalla piastra di raffreddamento a liquido è un problema serio: la perdita ostacolerà il normale flusso del refrigerante, comprometterà l'effetto di dissipazione del calore della piastra di raffreddamento a liquido e ridurrà le prestazioni dell'apparecchiatura; la perdita può anche causare l'invecchiamento e il danneggiamento dei componenti del sistema, riducendone l'affidabilità; la perdita può anche corrodere i componenti e i circuiti elettronici, aumentando il rischio di guasti e incendi dell'apparecchiatura.

Perché il problema delle perdite si verifica ancora dopo rigorosi test di tenuta all'aria durante il processo di produzione e fabbricazione della piastra di raffreddamento a liquido?

Processo di prova di tenuta all'aria del sistema di raffreddamento a liquido

Le infiltrazioni di liquidi possono essere causate da diversi fattori:

l Piccole crepe e difetti:I test di tenuta all'aria del paesaggio possono rilevare grandi canali di perdita, ma piccole crepe e difetti possono comunque esistere. Queste piccole crepe possono espandersi sotto la pressione del liquido o in un ambiente ad alta temperatura, causando infiltrazioni di liquido.

l Differenze di tensione superficiale e bagnabilità del refrigerante: quando la tensione superficiale del refrigerante è bassa, è più facile penetrare attraverso piccole fessure. Se la progettazione della tensione superficiale della piastra fredda del liquido non è ragionevole o il refrigerante non è selezionato correttamente, il problema di infiltrazione del liquido potrebbe aggravarsi.

Differenze di bagnabilità: diversi refrigeranti hanno una diversa bagnabilità sulle superfici solide. Se la rugosità superficiale del materiale della piastra fredda liquida è elevata o ci sono difetti microstrutturali, il refrigerante potrebbe penetrare più facilmente.

l Problemi di installazione o di processo: se il processo di installazione della piastra di raffreddamento del liquido non è sufficientemente accurato o se sono presenti difetti nella saldatura, nel collegamento e in altri processi, ciò potrebbe causare una scarsa tenuta e aumentare la possibilità di infiltrazioni di liquido.

l Condizioni ambientali: i cambiamenti di temperatura, specialmente in ambienti ad alta pressione, possono influenzare la permeabilità del refrigerante. Sebbene questi fattori ambientali possano non essere considerati durante i test di tenuta all'aria, nel funzionamento effettivo, le fluttuazioni di temperatura possono causare guasti alla guarnizione.

l Invecchiamento o affaticamento del materiale: se il materiale della piastra di raffreddamento del liquido viene utilizzato per troppo tempo, potrebbe invecchiare o affaticarsi, deteriorando le sue prestazioni di tenuta e aumentando così il rischio di perdite di liquido.

3-Misure preventive per perdite della piastra di raffreddamento a liquido

l Migliorare la progettazione della piastra di raffreddamento a liquido: ottimizzando la struttura e la progettazione della piastra di raffreddamento a liquido, ridurre piccole crepe e difetti e migliorare le sue prestazioni di tenuta. Ad esempio, quando si salda la trave di installazione del modulo sulla superficie del canale di flusso, adottare misure anti-perdita per evitare perdite di refrigerante.

l Migliorare il livello del processo di produzione: nel processo di produzione della piastra di raffreddamento a liquido, vengono utilizzati processi di saldatura e materiali di alta qualità per garantire che il refrigerante non sia facile da penetrare. Allo stesso tempo, durante il processo di assemblaggio, seguire rigorosamente le procedure operative per evitare allentamenti o installazioni errate.

l Ottimizza la combinazione di metodi di rilevamento per garantire l'efficienza del rilevamento migliorando al contempo la precisione del rilevamento e riducendo il tasso di rilevamento mancato. Il metodo di immersione e il metodo di caduta di pressione vengono utilizzati per il rilevamento della tenuta all'aria, che è semplice da utilizzare, economico ed efficiente ed è adatto per esigenze di rilevamento di routine su larga scala. Tuttavia, la precisione di rilevamento dei due metodi è bassa. La precisione di rilevamento del metodo di caduta di pressione è generalmente una velocità di perdita di 1×10-4Pa·m³/s e la precisione dei risultati di rilevamento è facilmente influenzata da fattori quali temperatura, umidità, pulizia e pressione. Utilizzare apparecchiature di rilevamento con una maggiore precisione di rilevamento e un effetto migliore per aumentare la precisione di rilevamento a 1×10-6Pa·m³/s, migliorando così l'effetto di rilevamento.

Oltre alle misure preventive per la piastra di raffreddamento a liquido stessa, è anche necessario adottare strategie di risposta appropriate sotto molteplici aspetti, come la scelta del refrigerante, la scelta della guarnizione e l'ambiente di lavoro dell'apparecchiatura.

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Nella progettazione della dissipazione del calore, l'adozione di metodi efficaci di riduzione dei costi può migliorare l'affidabilità e l'efficienza del sistema complessivo, riducendo al contempo i costi inutili.

1-Il design di derating riduce i costi

Il design di derating è un metodo di progettazione che riduce intenzionalmente gli stress elettrici, termici e meccanici a cui sono sottoposti componenti o prodotti durante il funzionamento. Negli scenari di produzione e utilizzo effettivi, la stabilità delle apparecchiature elettroniche può essere migliorata riducendo lo stress sopportato dai componenti.

Diagramma schematico dei percorsi di dissipazione del calore per imballaggi 2D e 3D

l Riduzione dello stress lavorativo: durante la progettazione e il funzionamento del prodotto, lo stress lavorativo dei componenti può essere ridotto riducendo il carico di lavoro, controllando la frequenza operativa, limitando la corrente e la tensione, ecc.

l Ridurre lo stress ambientale: ridurre lo stress ambientale selezionando tipologie di componenti, layout e forme di imballaggio appropriate, ad esempio selezionando componenti con un ampio margine di temperatura o utilizzando forme di imballaggio con una buona tenuta per ridurre gli effetti della temperatura, dell'umidità e della pressione sui componenti.

l Applicazione dell'ingegneria dell'affidabilità: progettazione ridondante ragionevole, rilevamento e isolamento dei guasti, ecc., riducono ulteriormente il rischio di guasto dei componenti.

Riducendo lo stress sui componenti durante il funzionamento, è possibile ridurre il loro consumo di energia e la generazione di calore. Quando i dispositivi di potenza funzionano in condizioni di stress inferiori allo stress nominale, è possibile ridurre il loro consumo di energia e la generazione di calore, il che aiuta a migliorare l'efficienza energetica e l'affidabilità del sistema. A lungo termine, la progettazione del derating aumenta efficacemente la durata dei componenti, riduce i tassi di guasto, riduce il carico di lavoro di manutenzione e quindi riduce i costi.

2-Ottimizzare il layout

L'efficienza di funzionamento del radiatore può essere notevolmente migliorata mediante una disposizione ragionevole dei componenti termici; una strategia di disposizione dei componenti ragionevole può raggiungere un equilibrio tra prestazioni del prodotto e costi.

l Distribuire i componenti di dissipazione del calore: disperdere i componenti che generano grandi quantità di calore per ridurre il carico termico per unità di superficie.

l Posizione che favorisca la dissipazione del calore: posizionare l'elemento riscaldante in una posizione che favorisca la dissipazione del calore, ad esempio vicino a una presa d'aria o al bordo del dispositivo.

l Disposizione sfalsata: durante la disposizione, sfalsare i componenti riscaldanti rispetto agli altri componenti generali e cercare di rendere i componenti riscaldanti principalmente sensibili alla temperatura per ridurre il loro impatto sui componenti sensibili al calore.

l Miglioramento del flusso d'aria: modificando la progettazione della direzione e la disposizione dei componenti, il percorso del flusso d'aria viene ottimizzato, la portata aumenta e il coefficiente di trasferimento del calore viene migliorato.

Raccomandazioni sulla spaziatura tra i componenti

3-Scelta del metodo di raffreddamento

Man mano che le prestazioni dei componenti elettronici migliorano e il grado di integrazione aumenta, la densità di potenza continua ad aumentare, con conseguente aumento significativo del calore generato dai componenti elettronici durante il funzionamento. Quando si sceglie un metodo di dissipazione del calore per i componenti elettronici, i requisiti di controllo della temperatura includono principalmente i seguenti aspetti:

l Intervallo di temperatura: diversi componenti hanno diversi intervalli di tolleranza della temperatura. Ad esempio, i chip ad alte prestazioni come le CPU hanno requisiti di temperatura di esercizio compresi tra 85 e 100 °C, mentre alcuni dispositivi a bassa potenza possono tollerare temperature più elevate, quindi il sistema di raffreddamento deve garantire che i componenti funzionino entro un intervallo di temperatura sicuro.

l Precisione del controllo della temperatura: in alcuni scenari con severi requisiti di controllo della temperatura, è necessario adottare una soluzione di dissipazione del calore in grado di controllare accuratamente la temperatura per evitare il degrado delle prestazioni dei componenti o addirittura danni causati da temperature eccessivamente alte o basse.

l Temperatura ambiente: l'effetto di dissipazione del calore delle apparecchiature elettroniche non dipende solo dalla capacità di dissipazione del calore del dispositivo stesso, ma è anche influenzato dalla temperatura ambiente circostante. La progettazione della dissipazione del calore deve considerare le variazioni della temperatura ambiente e cercare di mantenere il dispositivo entro un intervallo di temperatura adeguato tramite mezzi di dissipazione del calore.

l Consumo energetico e affidabilità: alcuni componenti elettronici a bassa potenza possono utilizzare la dissipazione naturale del calore quando generano poco calore. Per le apparecchiature ad alto consumo energetico, è necessario attendere la tecnologia di dissipazione del calore delle università per garantire che mantenga prestazioni normali e prolunghi il funzionamento sotto carichi elevati durata di servizio.

l Sigillatura e densità: nei dispositivi assemblati sigillati e ad alta densità, se la generazione di calore non è elevata, è possibile fare affidamento sulla dissipazione naturale del calore. Quando i componenti sono densamente imballati e generano grandi quantità di calore, sono necessarie tecnologie di dissipazione del calore più efficaci come la dissipazione del calore forzata o il raffreddamento a liquido. Il raffreddamento a liquido e la tecnologia heat pipe sono utilizzati in scenari con elevato consumo energetico e grande generazione di calore, come componenti elettronici ad alta potenza come tubi a onda progressiva, magnetron e tubi amplificatori di potenza, server e apparecchiature ad alto consumo energetico e sistemi trielettrici di veicoli a nuova energia. I suoi vantaggi applicativi unici.

（lato sinistro）Modulo di raffreddamento dell'aria della pila di carica

（lato destro）Modulo di raffreddamento a liquido della pila di carica

Quando si sceglie un metodo di raffreddamento per componenti elettronici, è necessario considerare in modo completo fattori quali generazione di calore e flusso di calore, temperatura ambiente e temperatura di esercizio, vincoli di spazio e requisiti di isolamento termico, nonché costi e fattibilità. Utilizzando una tecnologia di raffreddamento e dispositivi di raffreddamento appropriati per garantire che i componenti funzionino a una temperatura adatta, il costo di sostituzione e manutenzione del sistema può essere ridotto in modo efficace. Inoltre, riutilizzare progetti storici è anche una strategia efficace per ridurre i costi di sviluppo e produzione e migliorare l'affidabilità.

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I vassoi batteria, noti anche come scatole batteria o scatole PACK, sono sempre più apprezzati come un componente molto importante nello sviluppo di nuovi veicoli energetici. La progettazione dei vassoi batteria deve bilanciare la relazione tra fattori quali peso, sicurezza, costo e prestazioni dei materiali. Le leghe di alluminio sono ampiamente utilizzate nell'ingegneria leggera automobilistica per la loro bassa densità e l'elevata resistenza specifica, che può garantire rigidità assicurando al contempo le prestazioni della carrozzeria del veicolo.

1- Posizione di saldatura del vassoio della batteria e selezione del metodo

I vassoi per batterie in alluminio sono realizzati con profili in alluminio estruso e i vari componenti vengono uniti in un tutto tramite saldatura per formare una struttura di telaio completa. Strutture simili sono ampiamente utilizzate anche nelle scatole per pacchi di accumulo di energia.

Le parti di saldatura del vassoio della batteria solitamente includono la giunzione della piastra inferiore, la connessione tra la piastra inferiore e il lato, la connessione tra il telaio laterale, le travi orizzontali e verticali, la saldatura dei componenti del sistema di raffreddamento a liquido e la saldatura di accessori come staffe e orecchie pendenti. Quando si selezionano i metodi di saldatura, verranno selezionati diversi metodi di saldatura in base ai diversi requisiti strutturali e dei materiali, vedere la tabella seguente:

2-Analisi dell'influenza della deformazione termica della saldatura

La saldatura è un metodo di lavorazione con riscaldamento locale. Poiché la fonte di calore è concentrata sulla saldatura, la distribuzione della temperatura sulla saldatura è irregolare, il che alla fine porta alla deformazione della saldatura e allo stress della saldatura all'interno della struttura saldata. La deformazione termica della saldatura è il fenomeno per cui la forma e le dimensioni delle parti saldate cambiano a causa dell'apporto e dell'emissione di calore irregolari durante il processo di saldatura. In combinazione con l'esperienza effettiva del progetto di ingegneria, le parti che sono soggette a deformazione termica della saldatura e i fattori che influenzano sono riassunti:

a.Area di saldatura lunga e dritta

Nella produzione effettiva, la piastra inferiore del vassoio della batteria è generalmente realizzata con 2-4 profili in lega di alluminio uniti insieme mediante saldatura a frizione. Le saldature sono lunghe e ci sono anche lunghe saldature tra la piastra inferiore e la piastra laterale e tra la piastra inferiore e la trave distanziatrice. Le saldature lunghe sono soggette a surriscaldamento locale nell'area di saldatura a causa dell'apporto di calore concentrato, con conseguente deformazione termica.

Saldatura del telaio del vassoio della batteria

b.Giunti multicomponente

È causato dal riscaldamento locale ad alta temperatura e dal successivo raffreddamento durante il processo di saldatura nella saldatura multicomponente. Durante il processo di saldatura, la saldatura è soggetta a un apporto di calore non uniforme, con conseguente differenza di temperatura significativa tra l'area di saldatura e il materiale madre circostante, che causa effetti di espansione e contrazione termica, causando la deformazione delle parti saldate. L'estremità dell'installazione elettrica della scatola del pacco di accumulo di energia è solitamente dotata di un ugello per l'acqua, una staffa per cablaggio, una trave, ecc. e le saldature sono dense e molto facili da deformare.

Nella zona ad alta intensità di saldatura, il lato anteriore del pallet è deformato e deformato

c.Parete laterale del canale della piastra fredda

Nel vassoio batteria con design integrato della piastra di raffreddamento a liquido, le parti con minore rigidità strutturale, come piastre sottili e strutture di tubi, non possono resistere bene alla deformazione termica durante la saldatura e sono soggette a deformazione. Ad esempio, la parete laterale del canale di flusso della piastra di raffreddamento a liquido è molto sottile, generalmente solo circa 2 mm. Quando si saldano travi, staffe del cablaggio e altre parti sulla superficie di montaggio del modulo, è facile causare crepe e pieghe di deformazione sulla parete laterale del canale di flusso, influenzando le prestazioni complessive.

Difetti di crepe termiche sulla parete del canale di raffreddamento del liquido causati dalla saldatura a trave

3-Metodo di controllo della deformazione termica della saldatura

a.Saldatura a segmenti, saldatura bilaterale

Per le parti con requisiti di resistenza relativamente bassi, viene adottata la saldatura segmentata e il processo di saldatura viene suddiviso in più piccole sezioni. Le saldature sono disposte simmetricamente e le saldature sono disposte simmetricamente vicino all'asse neutro nella sezione di costruzione, in modo che le deformazioni causate dalle saldature possano compensarsi a vicenda. Allo stesso tempo, la lunghezza e il numero di saldature sono ridotti al minimo e si evita un'eccessiva concentrazione o incrocio di saldature, il che può ridurre il gradiente di temperatura di saldatura e quindi ridurre la deformazione della saldatura. Per le parti con requisiti di resistenza elevati come la piastra inferiore, la piastra inferiore e il telaio laterale, viene adottata la saldatura bifacciale per aumentare la resistenza riducendo al contempo la deformazione da flessione causata da parti di grandi dimensioni e lunghe saldature.

b.Ottimizzazione della sequenza di saldatura

Controllare la deformazione della saldatura, utilizzare giunti con rigidità inferiore, evitare saldature intersecanti bidirezionali e tridirezionali ed evitare aree ad alto stress. Ottimizzare la sequenza di saldatura, saldare prima le aree con rigidità più debole e per ultime quelle con rigidità migliore, ad esempio saldare prima le saldature a filetto, poi le saldature corte e infine le saldature lunghe; saldare prima le saldature trasversali, poi quelle longitudinali. Una sequenza di saldatura ragionevole può controllare efficacemente la deformazione della saldatura, controllando così le dimensioni della saldatura.

c.Regolazione dei parametri di saldatura

Controllare i parametri e i processi di saldatura e impostare ragionevolmente la velocità di saldatura, il numero di strati di saldatura e lo spessore di ogni saldatura. Per saldature più spesse, utilizzare metodi di saldatura multistrato e multicanale e lo spessore di ogni strato di saldatura non deve superare i 4 mm. La saldatura multistrato può ridurre la microstruttura strutturale e migliorare le prestazioni del giunto. Controllare accuratamente i parametri di saldatura e selezionare ragionevolmente parametri quali corrente di saldatura, tensione, modello di elettrodo e velocità di saldatura per garantire forma e dimensioni coerenti del bagno fuso, evitando così errori causati da una selezione impropria dei parametri.

d.Miglioramento delle capacità di saldatura

Migliorare le capacità operative del saldatore (utilizzare lavorazioni meccaniche per componenti di grandi dimensioni o nodi con requisiti rigorosi) per garantire coerenza e standardizzazione delle azioni durante la saldatura e ridurre i problemi dimensionali causati da fattori umani.

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Le leghe di alluminio sono una delle categorie di materiali strutturali metallici non ferrosi più diffuse nell'industria, soprattutto in contesti in cui le prestazioni di conducibilità termica sono cruciali.  In applicazioni che richiedono un'elevata efficienza di trasferimento del calore, come nel raffreddamento di dispositivi elettronici, nel raffreddamento dei sistemi di potenza (powertrain) di veicoli elettrici, nel raffreddamento di sistemi di accumulo di energia a batteria e nel settore aerospaziale, vengono comunemente utilizzate per la fabbricazione di dissipatori di calore, piastre di conduzione termica e componenti elettronici ad alta efficienza di trasmissione del calore.

La conduttività termica, detta anche conduttività termica, è un indice di parametro che caratterizza la conduttività termica dei materiali. Indica la conduzione del calore per unità di tempo, area unitaria e gradiente di temperatura negativo. L'unità è W/m·K o W/m·℃. La lega di alluminio è un materiale di lega composto da alluminio e altri metalli. La sua conduttività termica è molto eccellente e il coefficiente di conduttività termica è solitamente compreso tra 140-200 W/(m·K). Essendo il metallo con il contenuto più elevato nella crosta terrestre, l'alluminio ha un coefficiente di conduttività termica relativamente basso. È favorito per la sua elevata altezza, bassa densità e basso prezzo.

1-Principio di conduttività termica dei materiali in lega di alluminio

Quando c'è una differenza di temperatura tra aree adiacenti di un materiale, il calore fluirà dall'area ad alta temperatura all'area a bassa temperatura attraverso la parte di contatto, con conseguente conduzione del calore. C'è un gran numero di elettroni liberi nei materiali metallici. Gli elettroni liberi possono muoversi rapidamente nel metallo e possono trasferire rapidamente il calore. La vibrazione reticolare è un altro modo di trasferimento del calore del metallo, ma passa in secondo piano rispetto al metodo di trasferimento degli elettroni liberi.

Confronto dei metodi di conduzione del calore tra metalli e non metalli

2-Confronto dei metodi di conduzione del calore tra metalli e non metalli

a.La lega è uno dei principali fattori che influenzano la conduttività termica. Gli elementi di lega esistono sotto forma di atomi di soluzione solida, fasi precipitate e fasi intermedie. Queste forme porteranno difetti cristallini, come lacune, dislocazioni e distorsione del reticolo. Questi difetti aumenteranno la probabilità di dispersione di elettroni, con conseguente riduzione del numero di elettroni liberi, riducendo così la conduttività termica delle leghe. Diversi elementi di lega producono diversi gradi di distorsione del reticolo sulla matrice di Al e hanno effetti diversi sulla conduttività termica. Questa differenza è il risultato di molteplici fattori come la valenza degli elementi di lega, le differenze di volume atomico, la disposizione degli elettroni extranucleari e il tipo di reazione di solidificazione.

b.Il trattamento termico è una fase molto importante nella lavorazione delle leghe di alluminio. Modificando la microstruttura e la trasformazione di fase delle leghe di alluminio, la sua conduttività termica può essere significativamente influenzata. Il trattamento in soluzione solida consiste nel riscaldare la lega di alluminio a una certa temperatura per sciogliere completamente gli atomi di soluto nella matrice, quindi raffreddarla rapidamente per ottenere una soluzione solida uniforme. Questo trattamento migliora le proprietà meccaniche del materiale ma solitamente ne riduce la conduttività termica. Il trattamento di invecchiamento avviene tramite un'adeguata deformazione a freddo e un nuovo riscaldamento dopo il trattamento in soluzione solida, che può ottimizzare la microstruttura della lega e migliorarne le prestazioni complessive. Il trattamento di invecchiamento tiene conto delle proprietà meccaniche e della conduttività termica della lega, in modo che la lega mantenga un'elevata resistenza pur avendo anche una buona conduttività termica. La ricottura migliora la microstruttura della lega mantenendola a una temperatura più bassa per precipitare e ridistribuire la seconda fase nella lega. Il trattamento di ricottura può migliorare la plasticità e la tenacità delle leghe di alluminio, ma l'effetto sulla conduttività termica varia a seconda della situazione specifica.

Diagramma schematico dei cambiamenti della struttura cristallina durante il processo di invecchiamento della lega Al-Cu

c.Altri fattori influenzano le impurità e le particelle della seconda fase: le impurità e le particelle della seconda fase (come ossidi, carburi, ecc.) nelle leghe di alluminio possono disperdere i portatori caldi (elettroni e fononi), riducendo così la conduttività termica. Maggiore è il contenuto di impurità, più grossolane sono le particelle della seconda fase e generalmente minore è la conduttività termica. Anche la dimensione dei grani delle leghe di alluminio influisce sulla conduttività termica. In generale, quanto più piccola è la dimensione dei grani, tanto maggiori sono i bordi dei grani e tanto minore è la conduttività termica. Inoltre, il metodo di lavorazione della lega di alluminio (come laminazione, estrusione, forgiatura, ecc.) ne influenzerà la microstruttura e lo stato di tensione residua, influenzando così la conduttività termica. L'incrudimento e le tensioni residue riducono la conduttività termica.

In sintesi, la lega di alluminio è una scelta ideale per materiali ad alta conduttività termica. Fattori come il tipo di elementi di lega nelle leghe di alluminio e le loro forme, metodi di trattamento termico, impurità, granulometria e metodi di stampaggio influenzeranno tutti la conduttività termica dei materiali in lega di alluminio. Si dovrebbero prendere in considerazione considerazioni complete quando si progetta la composizione del materiale e la pianificazione del processo.

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La tecnologia di raffreddamento a liquido per immersione nell'accumulo energetico è un metodo avanzato per il raffreddamento delle batterie, che sfrutta le elevate proprietà di conduzione termica dei liquidi, consentendo un raffreddamento rapido, diretto e completo delle batterie, garantendo il loro funzionamento in un ambiente sicuro ed efficiente. Il principio di base consiste nel immergere completamente le batterie di accumulo in un liquido isolante, non tossico e con capacità di dissipazione del calore. Questa tecnologia consente lo scambio di calore attraverso il contatto diretto del liquido con la batteria, assorbendo rapidamente il calore generato durante il processo di carica e scarica e trasferendolo al sistema di circolazione esterno per il raffreddamento.

Diagramma di principio del sistema di accumulo energetico a liquido raffreddato per immersione singolo

Il contenitore di accumulo energetico a liquido raffreddato per immersione funge da componente chiave per il supporto del pacco batteria e per garantire che le celle operino in un ambiente adeguato, assumendo principalmente le funzioni di supporto del pacco batteria e del liquido di raffreddamento, protezione della sicurezza e conduzione del calore. Pertanto, nella progettazione della struttura del contenitore, è necessario considerare in modo integrato vari aspetti come la tenuta, l'efficienza di raffreddamento, la sicurezza, la scelta dei materiali e i processi di lavorazione, per garantire il funzionamento efficiente, sicuro e affidabile del sistema. La progettazione della struttura del contenitore è la base dell'intero sistema di raffreddamento a liquido.

1-Carico uniforme

La scatola inferiore del pacco di accumulo di energia raffreddato a liquido immerso è composta da una piastra inferiore e piastre laterali. La piastra inferiore funge da supporto di base e le piastre laterali sono fissate attorno alla piastra inferiore, che insieme formano il telaio principale della scatola. Le dimensioni della scatola devono essere regolate tenendo conto delle esigenze generali e delle condizioni di carico del sistema di raffreddamento a liquido. Nella progettazione di scatole di dimensioni maggiori, è possibile predisporre ragionevolmente partizioni interne o strutture di supporto per dividere l'ampio spazio in più spazi più piccoli. area di forza per migliorare la capacità portante uniforme. Nella struttura interna, la capacità portante locale può essere migliorata aggiungendo nervature di supporto e nervature di rinforzo e una struttura di condivisione del carico può anche essere predisposta all'interno della scatola per bilanciare il carico a ogni angolo.

Inoltre, per ridurre l'influenza delle deformazioni plastiche sulla capacità di carico uniforme, le superfici di lavorazione di altezza diversa possono essere progettate per essere nello stesso piano, riducendo così il numero di regolazioni delle macchine utensili e evitando deformazioni dovute alle differenze di altezza; è possibile anche aumentare la larghezza o l'altezza del contenitore per disperdere il carico e ridurre la deformazione.

Inoltre, il design integrato dei canali di raffreddamento a liquido e della piastra di base del contenitore è realizzato tramite saldatura a frizione o saldatura laser, e questa progettazione può migliorare efficacemente la resistenza strutturale complessiva.

Diagramma strutturale del contenitore inferiore del pacco di accumulo energetico a liquido raffreddato per immersione singolo

2-Progettazione dello scambio termico

La conducibilità termica è un elemento cruciale nella tecnologia di accumulo energetico a liquido raffreddato per immersione; l'obiettivo della progettazione è garantire che le batterie possano dissipare efficacemente il calore in ambienti ad alta temperatura, mantenendo così le loro prestazioni e sicurezza.

I materiali del contenitore devono avere elevate proprietà di conduzione termica; i materiali comunemente utilizzati includono leghe di alluminio, rame e materiali compositi a base di alluminio. La progettazione del contenitore deve anche considerare l'impatto delle variazioni di temperatura ambientale; uno strato isolante di spessore adeguato può garantire che la temperatura interna del contenitore rimanga in un intervallo relativamente costante, migliorando così l'efficienza complessiva del sistema.

La progettazione strutturale del contenitore influisce direttamente sulla sua capacità di conduzione termica; una disposizione razionale dei canali garantisce un flusso fluido del liquido all'interno del contenitore e massimizza l'area di contatto, che è la principale strategia per migliorare la capacità di conduzione termica del contenitore. All'interno del contenitore possono essere impostati più canali per aumentare il percorso di circolazione del liquido refrigerante, migliorando così l'efficacia della dissipazione del calore.

（lato sinistro）Opzione 1: Immersione totale + singolo + scambiatore a piastre      

（lato destro）Opzione 2: Immersione totale + singolo + scambiatore a scatola

Il sistema di raffreddamento a liquido comprende il mezzo di raffreddamento, la struttura di conduzione termica, le tubazioni di raffreddamento a liquido e la struttura di supporto.

Nell'opzione 1, è possibile scegliere lo stesso o diversi tipi di liquido refrigerante da riempire separatamente nei canali del pannello di raffreddamento e nella cavità del contenitore, con entrambe le cavità sigillate e non comunicanti. Nella cavità del contenitore, il liquido refrigerante immerge il modulo batteria, garantendo un contatto completo; il raffreddamento avviene senza movimento, sfruttando le buone proprietà di conduzione termica del liquido per assorbire il calore dalla superficie della batteria e ridurre l'aumento della temperatura. Nel pannello di raffreddamento, il liquido refrigerante si divide in più canali che entrano in parallelo nella piastra di raffreddamento attraverso il collettore di ingresso, e poi si unisce e fuoriesce dal collettore di uscita, responsabile principale per l'estrazione del calore e la dissipazione.

Nell'opzione 2, il liquido refrigerante a bassa temperatura entra dal basso o dal lato, mentre quello ad alta temperatura esce dall'alto; il liquido refrigerante circola all'interno del pacco batteria, consentendo una distribuzione uniforme del calore, migliorando l'efficienza complessiva del raffreddamento e mantenendo la coerenza della temperatura del nucleo o del pacco batteria.

Per migliorare ulteriormente l'efficacia del raffreddamento, possono essere adottate diverse misure di ottimizzazione, come l'ottimizzazione del flusso del liquido e del modo di circolazione, la scelta di liquidi refrigeranti ad alta capacità termica e il miglioramento della distribuzione della temperatura del liquido. Queste misure possono ridurre l'accumulo di calore e la perdita di energia, garantendo che le batterie funzionino in uno stato di raffreddamento efficiente.

3-Progettazione della tenuta

Per il contenitore del pacco di raffreddamento a liquido, è necessario adottare una progettazione completamente sigillata utilizzando materiali e strutture di tenuta avanzati; la progettazione della tenuta deve considerare non solo la tenuta all'aria, ma anche quella dei mezzi liquidi, garantendo che le celle della batteria siano prive di perdite in tutte le direzioni.

La progettazione dovrebbe scegliere forme e tipologie di tenuta appropriate in base alle esigenze specifiche dell'applicazione, considerando anche la libertà di perdite dei componenti di tenuta, la resistenza all'usura, la compatibilità con i mezzi e le temperature, e il basso attrito; dovrebbero essere scelti tipi e materiali di guarnizione adeguati in base alle specifiche dettagliate.

Inoltre, la scelta del processo di saldatura influisce notevolmente sulle prestazioni di tenuta; per materiali e spessori diversi, la selezione del metodo di saldatura appropriato può migliorare significativamente la qualità della saldatura, garantendo così la resistenza complessiva e la tenuta del sistema.

Immagine finale del contenitore del pacco di accumulo energetico a liquido raffreddato per immersione

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Con l'aumento continuo della densità di potenza e del calore generato da vari prodotti elettronici e di potenza, il raffreddamento affronta sfide sempre più severe. Le soluzioni di raffreddamento a liquido stanno diventando progressivamente la soluzione principale grazie alle loro elevate prestazioni di raffreddamento, basso consumo energetico, basso rumore e alta affidabilità.

La soluzione di raffreddamento a liquido si basa sull'uso di piastre di raffreddamento che aderiscono a batterie (o altre fonti di calore) e su un circuito di refrigerazione interno che rimuove il calore generato dalle fonti di calore. Questo calore viene quindi trasferito attraverso uno o più circuiti di raffreddamento, dissipando infine il calore del sistema di accumulo nell'ambiente esterno.

Come componente chiave della soluzione di raffreddamento a liquido, la piastra di raffreddamento è un componente altamente efficiente il cui scopo principale è rimuovere il calore generato dalle batterie (o altre fonti di calore) attraverso un circuito di raffreddamento, mantenendo così il dispositivo all'interno di un intervallo di temperatura di funzionamento sicuro. Se i canali della piastra di raffreddamento non sono puliti, ciò influenzerà l'uniformità del flusso del liquido di raffreddamento. Le particelle di grandi dimensioni possono bloccare o ostacolare il flusso del liquido di raffreddamento, compromettendo così la trasmissione efficace del calore e influenzando l'efficienza di raffreddamento e le prestazioni complessive dei dispositivi elettronici.

Inoltre, se ci sono impurità residue nei canali, potrebbero danneggiare il film protettivo di ossido sulla superficie metallica, causando corrosione o erosione alla piastra di raffreddamento. Inoltre, le impurità nei canali possono causare contatti difettosi tra i componenti, portando all'invecchiamento o al danneggiamento delle guarnizioni, aumentando così il rischio di perdite e influenzando la stabilità operativa a lungo termine del sistema.

1-Requisiti di pulizia dei canali della piastra di raffreddamento a liquido

Le attuali soluzioni di contenitori a raffreddamento liquido per accumulo di energia richiedono generalmente che non ci siano corpi estranei, trucioli di alluminio, olio o liquidi nei canali. In alcune soluzioni, ci sono requisiti specifici riguardo alla qualità delle impurità e alla dimensione delle particelle dure e morbide.

2 - Fasi ad alto rischio di contaminazione dei canali nella produzione delle piastre di raffreddamento a liquido

Durante il processo di lavorazione dei componenti delle piastre di raffreddamento, i canali interni e la struttura delle interfacce di raffreddamento sono soggetti a contaminazione. Le fasi di lavorazione, come il taglio e la rimozione dei canali, possono facilmente introdurre corpi estranei come olio, liquido di raffreddamento e trucioli metallici. Poiché la lavorazione avviene vicino all'apertura dei canali, la protezione è difficile e la rimozione dei trucioli diventa complicata.

Lavorazione dei componenti della piastra di raffreddamento: rimozione dei canali, sbavatura

Una volta completata la lavorazione delle piastre di raffreddamento, i componenti come i tappi e gli ugelli vengono saldati per formare canali chiusi. La struttura dei canali è generalmente non lineare, presentando aree cieche durante il lavaggio.

Durante il processo di lavorazione post-saldatura delle piastre di raffreddamento, è necessario utilizzare una grande quantità di liquido di raffreddamento per il taglio per raffreddare gli utensili e i pezzi lavorati, generando anche un gran numero di trucioli metallici. Questa fase del processo è particolarmente suscettibile all'introduzione di contaminanti come liquidi di raffreddamento e trucioli. Una volta che i trucioli entrano, è difficile rimuoverli completamente, rendendola una fase ad alto rischio di contaminazione dei canali.

3- Pulizia e protezione del canale di raffreddamento a liquido

Per garantire l'affidabilità e le prestazioni del componente del raffreddamento a liquido, vengono generalmente eseguite operazioni di pulizia rigorose. Lavaggio: si utilizza un idropulitrice ad alta pressione per pulire i canali interni del pannello di raffreddamento a liquido, al fine di rimuovere residui, particelle o altre impurità presenti. Dopo il lavaggio, il componente del raffreddamento a liquido deve essere asciugato per garantire l'assenza di residui d'acqua all'interno del canale.

Lavorazione del componente del raffreddamento a liquido: lavaggio e sgrassaggio

Durante il processo di fabbricazione dei pannelli di raffreddamento a liquido, se non protetti correttamente, possono essere soggetti a contaminazione, come trucioli metallici, olio e refrigerante da lavorazione. Inoltre, il processo di movimentazione dei pannelli di raffreddamento a liquido può facilmente introdurre corpi estranei. Si considerano generalmente in anticipo le misure di protezione per le aperture dei canali, come adesivi anti-polvere e guarnizioni in gomma per le bocchette.

Pertanto, la pulizia dei canali interni del pannello di raffreddamento a liquido diventa una misura necessaria per eliminare la contaminazione e migliorare la pulizia dei canali. Nella pratica produttiva, è necessario implementare un controllo completo del processo. Su questa base, devono essere proposte misure di controllo della contaminazione per i componenti specifici e i processi, in modo da controllare efficacemente la contaminazione all'interno dei canali del pannello di raffreddamento.

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Il contenitore delle batterie per l'accumulo di energia svolge un ruolo fondamentale nei sistemi di accumulo. Le sue funzioni principali includono la protezione del peso, l'uniformità della conduzione termica, l'installazione elettrica e la tenuta stagna. Con il continuo aumento della richiesta di densità energetica delle batterie, l'uso di materiali in lega di alluminio è diventato una soluzione efficace per migliorare l'efficienza del sistema di batterie, grazie alle loro elevate prestazioni termiche e bassa densità.

L'adozione di un design integrato del canale e della parete laterale del contenitore può ridurre il lavoro di saldatura nelle parti strutturali critiche, aumentando così la resistenza strutturale complessiva. Ciò consente di mantenere la sicurezza e la stabilità della struttura in diverse condizioni, come il carico statico, il sollevamento e le vibrazioni casuali, e può anche migliorare le prestazioni di tenuta del contenitore.

Inoltre, il design integrato aiuta a ridurre il numero di parti e a diminuire il peso del contenitore. La produzione tramite il processo di estrusione offre costi di stampo contenuti, facilita la lavorazione e la modifica, soddisfacendo le esigenze di flessibilità per diversi volumi di produzione.

1-Principali tipologie di contenitori inferiori per l'accumulo di energia in alluminio estruso e saldato

Il contenitore inferiore a raffreddamento liquido per l'accumulo di energia ha una larghezza generale di 790-810 mm e un'altezza compresa tra 40 e 240 mm. È suddiviso in due tipologie: piatta e flangiata (vedi figura sottostante). La lunghezza del contenitore a raffreddamento liquido è correlata alla capacità del prodotto di accumulo, con vari schemi standard come 48s, 52s, 104s e così via.

Contenitore inferiore a raffreddamento liquido di tipo piatto

Contenitore inferiore a raffreddamento liquido di tipo flangiato

2-Struttura del contenitore inferiore per l'accumulo di energia in alluminio estruso e saldato

Il contenitore inferiore a raffreddamento liquido è la struttura di base dell'intero pacco batterie, realizzato con una struttura a telaio rettangolare saldata composta da un pannello inferiore con canali, tappi, ugelli, telaio, travi, supporti, ganci, e altri componenti, tutti in lega di alluminio.

Diagramma di assemblaggio dei componenti del contenitore inferiore a raffreddamento liquido

Il contenitore inferiore a raffreddamento liquido deve avere una capacità di carico sufficiente e una resistenza strutturale, il che richiede elevati standard di qualità di saldatura, inclusi il processo di saldatura, il controllo della qualità delle giunzioni e le abilità degli saldatori, per garantire sicurezza e affidabilità nelle applicazioni reali.

La tecnologia di raffreddamento liquido richiede elevati standard di tenuta stagna per il contenitore, che includono sia la tenuta stagna del contenitore inferiore che quella dei canali di raffreddamento. Inoltre, i canali di raffreddamento devono resistere alla pressione del fluido refrigerante, pertanto i requisiti di tenuta stagna per i canali di raffreddamento sono ancora più rigorosi.

3-Requisiti di qualità di saldatura

In generale, si richiede che il pannello inferiore a raffreddamento liquido venga saldato utilizzando la saldatura a frizione stirata. Anche i tappi del contenitore inferiore a raffreddamento liquido di tipo piatto verranno saldati con questo metodo. Di solito, la depressione della saldatura a frizione stirata deve essere ≤0.5 e non sono ammessi metalli estranei che possono staccarsi o cadere in caso di vibrazioni.

I canali di raffreddamento, il telaio, gli ugelli, i ganci, le travi e altri accessori sono spesso saldati utilizzando la saldatura TIG o la saldatura CMT. Considerando le differenze nei requisiti di prestazione dei vari componenti, i canali di raffreddamento, il telaio, gli ugelli e i ganci sono saldati completamente, mentre le travi e gli accessori vengono saldati a punti. La planarità della zona delle travi dei moduli di batteria anteriore e posteriore deve essere <1.5 mm per un singolo modulo, mentre la planarità complessiva deve essere <2 mm. La planarità del telaio deve essere ±0.5 per ogni 500 mm di lunghezza del telaio.

Sulla superficie della giunzione di saldatura non sono ammessi difetti come crepe, mancanza di penetrazione, mancata fusione, pori superficiali, inclusioni esposte o saldature incomplete. In generale, si richiede che l'altezza della saldatura degli ugelli sia ≤6 mm e che le saldature in altre posizioni non superino la superficie inferiore del contenitore. Le saldature interne delle travi dei moduli anteriore e posteriore non devono sporgere dalla superficie interna.

La profondità di fusione della saldatura deve soddisfare i requisiti standard pertinenti. Per le giunzioni di saldatura ad arco, la resistenza alla trazione non deve essere inferiore al 60% del valore minimo della resistenza alla trazione del materiale base; per le giunzioni di saldatura laser e a frizione stirata, la resistenza alla trazione deve essere almeno il 70% del valore minimo della resistenza alla trazione del materiale base.

Inoltre, la saldatura del contenitore inferiore deve soddisfare gli standard di tenuta stagna IP67. Pertanto, per il trattamento post-saldatura, è generalmente richiesto che le scorie di saldatura e le giunzioni nella zona delle travi anteriori e posteriori siano levigate; le saldature esterne del pallet non possono essere levigate, e le superfici di tenuta delle saldature devono essere lisce, senza differenze di altezza evidenti rispetto al telaio.

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Il ruolo del dissipatore è quello di ottenere una maggiore superficie di trasferimento del calore all'interno di uno spazio volumetrico limitato. Ciò si ottiene migliorando la forma della struttura per aumentare l'efficienza di trasferimento del calore dalla sua superficie al fluido circostante. Inoltre, l'area effettiva di trasferimento del calore può essere aumentata con trattamenti superficiali, con l'obiettivo finale di migliorare la dissipazione del calore e controllare la temperatura.

Nei contesti in cui i requisiti di densità di potenza volumetrica e di flusso termico non sono elevati, il dissipatore a pinne dritte rettangolari è particolarmente apprezzato dagli ingegneri per la sua struttura semplice, il costo di produzione ragionevole e le buone prestazioni di dissipazione del calore.

Confronto dei diversi metodi di trasferimento del calore

1-Progettazione delle alette del dissipatore

Il dissipatore è una superficie di espansione del calore che si concentra principalmente su parametri quali l'altezza, la forma e la distanza delle alette, nonché lo spessore del substrato.

Sezione delle alette del dissipatore

Dalla figura sopra, possiamo calcolare l'area di espansione del dissipatore:

Area di una singola aletta:A_f = 2L（h+t/2），

Area dello spazio tra le alette:A_b= Lh，

Area totale di dissipazione:At=nA_f +(n±1）A_b（dove n è il numero delle alette).

Dimensioni del dissipatore a pinne piatte

La funzione principale delle alette è quella di aumentare l'efficienza del trasferimento di calore aumentando la superficie. La distanza, lo spessore e l'altezza delle alette del dissipatore sono fattori determinanti per stabilire la quantità, la distribuzione e l'area di espansione del dissipatore. Come mostrato nella figura, quando h↑ o t↓, le alette diventano più alte, più sottili e più dense, permettendoci di ottenere una maggiore superficie di espansione del calore.

Quando aumenta la superficie delle alette, aumenta anche la superficie di contatto con l'aria, facilitando così la dissipazione del calore. Gli ingegneri possono inoltre ottimizzare la forma delle alette, ad esempio con profili ondulati o a denti di sega, per aumentare ulteriormente l'area di espansione del dissipatore.

Sebbene un'area superficiale più ampia migliori l'efficacia della dissipazione del calore, non si può presumere che alette più grandi siano sempre migliori. Sia che si tratti di raffreddamento naturale che forzato, la distanza tra le alette del dissipatore è un fattore cruciale per determinare il coefficiente di scambio termico dell'aria che scorre sulla loro superficie.

L'impatto della distanza e dell'altezza delle alette sull'efficienza della dissipazione del calore

In caso di raffreddamento naturale, il cambiamento di temperatura della superficie del dissipatore provoca la convezione naturale, che porta a uno strato d'aria (strato limite) sulle superfici delle alette. Una distanza troppo piccola tra le alette ostacola un flusso convettivo regolare. Nel caso di raffreddamento forzato, lo spessore dello strato limite delle alette viene compresso, permettendo una distanza più stretta. Tuttavia, il limite è dettato da vincoli di produzione e potenza dei componenti, rendendo cruciale un equilibrio tra spessore e altezza delle alette.

2-Progettazione della base del dissipatore

Lo spessore della base è un fattore fondamentale per l'efficienza del dissipatore. Una base del dissipatore troppo sottile aumenta la resistenza termica verso le alette lontane dalla fonte di calore, causando una distribuzione di temperatura irregolare e riducendo la resistenza agli shock termici.

Aumentare lo spessore della base può risolvere i problemi di distribuzione irregolare della temperatura e migliorare la resistenza agli shock termici. Tuttavia, uno spessore eccessivo può portare ad accumulo di calore, riducendo la capacità di conduzione termica.

Schizzo diagrammatico del principio di funzionamento del dissipatore

Come mostrato nella figura sopra:

Quando l'area della sorgente di calore è inferiore a quella della piastra di base, il calore deve diffondersi dal centro verso i bordi, formando una resistenza termica di diffusione. Anche la posizione della sorgente di calore influisce sulla resistenza termica di diffusione. Se la sorgente di calore è vicina al bordo del dissipatore, il calore si propaga più facilmente attraverso i bordi, riducendo così la resistenza termica di diffusione.

Nota: La resistenza termica di diffusione si riferisce all'ostacolo che il calore incontra quando si diffonde dal centro della sorgente di calore verso i bordi nel design del dissipatore. Questo fenomeno si verifica generalmente quando vi è una significativa differenza di area tra la sorgente di calore e la piastra di base, costringendo il calore a diffondersi da un'area più piccola a una più grande.

3-Tecniche di connessione tra alette e piastra di base

Le tecniche di connessione tra le alette del dissipatore e la piastra di base comprendono diversi metodi per garantire una buona conduttività termica e stabilità meccanica. Si suddividono principalmente in due categorie: formazione integrata e non integrata.

I dissipatori a formazione integrata presentano alette e piastra di base in un unico blocco, senza resistenza termica da contatto. Le principali tecniche sono:

l Fusione in pressione dell'alluminio: consente di fondere lingotti di alluminio e di riempire stampi metallici con essi utilizzando alta pressione, formando alette di dissipatori direttamente in pressocolata, permettendo la realizzazione di strutture complesse.

l Estrusione dell'alluminio: consiste nel riscaldare l'alluminio, inserirlo in un cilindro di estrusione e applicare una certa pressione, facendolo uscire attraverso uno stampo per ottenere la forma e dimensione desiderate, seguito da taglio e lavorazione finale.

l La forgiatura a freddo permette di ottenere alette sottili e dense con un'elevata conducibilità termica, anche se il costo è relativamente elevato. La capacità di modellazione è migliore rispetto all'estrusione dell'alluminio.

l I dissipatori a lame possono essere in rame, con un'elevata conducibilità termica e alette molto sottili. Le alette vengono sollevate dalla piastra con utensili da taglio, ma in caso di altezza e lunghezza notevoli possono subire deformazioni dovute allo stress.

Nella formazione non integrata, le alette e la piastra di base del dissipatore sono realizzate separatamente, e successivamente unite mediante tecniche quali saldatura, rivettatura o incollaggio. Le principali tecniche sono:

l Tipo saldatura: le alette e la piastra di base vengono unite con saldatura, utilizzando sia saldatura a caldo che a bassa temperatura.

La saldatura offre ottime prestazioni termiche; per saldare la piastra in alluminio e le alette utilizzando pasta di stagno, è necessario applicare un rivestimento di nichel, che comporta costi elevati e non è ideale per dissipatori di grandi dimensioni. La brasatura non richiede il nichel, ma i costi di saldatura rimangono comunque elevati.

l Tipo rivettatura: le alette vengono inserite nelle scanalature della piastra e poi fissate saldamente attraverso la compressione delle scanalature verso il centro, creando un'unione solida e stabile.

I vantaggi della rivettatura sono le buone prestazioni termiche, ma con l'uso prolungato, il prodotto può allentarsi o sviluppare spazi vuoti. È possibile migliorare l'affidabilità aumentando la qualità della rivettatura, ma ciò comporta costi aggiuntivi, quindi i dissipatori con alette rivettate vengono utilizzati in applicazioni che richiedono una minore affidabilità.

l Tipo adesivo: generalmente si utilizza una resina epossidica conduttiva per unire saldamente le alette e la piastra, consentendo il trasferimento del calore.

L'adesivo utilizza una resina epossidica termoconduttiva, con un coefficiente di conduzione termica inferiore rispetto alla saldatura. È comunque adatto per dissipatori con alette alte, rapporti elevati e piccoli spazi tra le alette. Può essere utilizzato in contesti dove non sono richieste prestazioni termiche elevate.

Condivideremo regolarmente aggiornamenti e informazioni su tecniche di progettazione termica e alleggerimento, per la vostra consultazione. Grazie per l'interesse verso Walmate.

Scenari applicativi

Condizioni di lavoro:Scenario con flusso di calore elevato

Installazione e disposizione：Installazione su un solo lato

Applicazione tipica: personalizzazione del cliente

Caratteristiche: Buon effetto di dissipazione del calore

Simulazione dei fluidi

Utilizza il software di simulazione per analizzare le prestazioni termiche dei dissipatori di calore e delle piastre fredde

Scenari applicativi

Tecnologia:Saldatura di profili in alluminio

Disposizione e installazione:Raffreddamento a liquido inferiore

Applicazione tipica: personalizzazione del cliente

Caratteristiche: Peso leggero e buon effetto rinfrescante

In un sistema di raffreddamento a liquido, la piastra fredda viene posizionata direttamente sul fondo della batteria o inserita nello spazio tra le celle.Dopo aver fatto circolare il liquido refrigerante, viene raffreddato attraverso lo scambiatore di calore e quindi ricircolato nel sistema.

L'involucro del pacco batteria in lega di alluminio è composto principalmente da un telaio con profilo in lega di alluminio e una piastra inferiore con profilo in lega di alluminio ed è saldato utilizzando profili estrusi della serie 6.Per garantire la resistenza e la tenuta della saldatura, viene spesso utilizzata la saldatura ad attrito con bassa sollecitazione e piccola deformazione. Le parti standard adatte per i profili in lega di alluminio includono generalmente manicotti per viti a filo, dadi per rivetti a trazione e dadi per rivetti a pressione.Fatta eccezione per le parti standard, il resto è in lega di alluminio al 100%, con elevata resistenza del guscio, leggerezza e buona resistenza alla corrosione.

I veicoli elettrici si riferiscono a veicoli che utilizzano carburanti per veicoli non convenzionali come fonte di energia (o utilizzano carburanti per veicoli convenzionali e nuovi dispositivi di alimentazione di bordo), integrano tecnologie avanzate nel controllo della potenza e nella guida del veicolo e formano principi tecnologici avanzati con nuove tecnologie e nuove strutture .

Suggerimenti per l'ottimizzazione del DFM

Aiutarti a ridurre potenziali errori e difetti nel processo produttivo e garantire che il prodotto soddisfi gli standard di qualità richiesti dalla progettazione durante la produzione

Scenari applicativi

Condizioni di lavoro:Scenario con flusso di calore elevato

Installazione e disposizione：Installazione su un solo lato

Applicazione tipica: personalizzazione del cliente

Caratteristiche: Buon effetto di dissipazione del calore

Scenari applicativi

Tecnologia:Saldatura di profili in alluminio

Disposizione e installazione:Raffreddamento a liquido inferiore

Applicazione tipica: personalizzazione del cliente

Caratteristiche: Peso leggero e buon effetto rinfrescante

Utilizzo di energia pulita:

Il clima, l’ambiente, le risorse e l’energia sono strettamente legati all’economia nazionale e al sostentamento delle persone.

Gestire bene queste questioni correlate determina se la società umana può svilupparsi in modo sostenibile.

Sotto la pressione della carenza di energia e dell’inquinamento ambientale, i due percorsi tecnici dei veicoli con batterie di accumulo di energia e delle celle a combustibile sono diventati le principali direzioni di sviluppo dell’industria dei veicoli a nuova energia.

Leggerezza dei veicoli

Considerando che il 75% del consumo energetico è legato al peso del veicolo, l’alleggerimento è un importante mezzo tecnico per consentire ai veicoli a nuova energia di risparmiare energia, ridurre i consumi ed estendere l’autonomia. La progettazione leggera è uno dei fattori chiave nella riduzione del consumo energetico del veicolo.

L'utilizzo di nuovi materiali leggeri, l'ottimizzazione strutturale e il miglioramento dei processi sono i percorsi chiave per realizzare veicoli leggeri.

Gestione termica:

Per i veicoli elettrici con accumulo di energia, la gestione termica diventerà una tecnologia chiave per ottenere una ricarica rapida e aumentare l’autonomia di crociera.

Per i veicoli a celle a combustibile a idrogeno, la gestione dell’acqua e del calore sono tecnologie chiave nella ricerca e nello sviluppo di sistemi di alimentazione a celle a combustibile, che hanno un impatto decisivo sulle prestazioni, sulla sicurezza e sulla durata del sistema di alimentazione del veicolo.

Di solito, l'aria esterna viene utilizzata come dissipatore di calore per trasferire il calore generato dal funzionamento del chip al dissipatore di calore attraverso diversi supporti e interfacce e dissipare il calore.

Grazie a un elevato grado di integrazione, il costo e il peso dei sistemi di azionamento elettrico sono stati ridotti. Le principali case automobilistiche nazionali ed estere dispongono di varie forme integrate di sistemi di azionamento elettrico, tra cui tre in uno, quattro in uno, sei in-uno, sette in uno, otto in uno, ecc.Nel campo dei propulsori per veicoli a nuova energia, Walmate sviluppa e produce parti strutturali di gruppi di trasmissione per veicoli a nuova energia che integrano controlli elettronici, motori, controller di veicoli, riduttori e prodotti di ricarica.

Test del prodotto

Noi fornisce ai clienti procedure di test personalizzate per soddisfare le vostre esigenze

Scenari applicativi

Condizioni di lavoro:Scenario con flusso di calore elevato

Installazione e disposizione：Installazione su un solo lato

Applicazione tipica: personalizzazione del cliente

Caratteristiche: Buon effetto di dissipazione del calore

Scenari applicativi

Tecnologia:Saldatura di profili in alluminio

Disposizione e installazione:Raffreddamento a liquido inferiore

Applicazione tipica: personalizzazione del cliente

Caratteristiche: Peso leggero e buon effetto rinfrescante

L'IGBT è il componente principale del motore di azionamento dei veicoli a nuova energia. Svolge un ruolo di primo piano nell'efficienza, nella densità di potenza e nell'affidabilità della trazione elettrica del veicolo e può essere definito il "cuore dell'auto".Il principale dispositivo di riscaldamento nel sistema di controllo elettronico dei veicoli a nuova energia è l'inverter, la cui funzione è quella di invertire la potenza CC della batteria in potenza CA in grado di azionare il motore.Durante questo processo, l'IBGT nell'inverter genererà una grande quantità di calore e la sua stabilità termica diventa la chiave per valutare le prestazioni del sistema di azionamento elettrico.

Riassunto: Le celle a combustibile a idrogeno, note anche come celle a combustibile con membrana a scambio protonico (PEMFC), sono ampiamente utilizzate nelle stazioni di ricarica per veicoli elettrici, nelle automobili e in altri impianti di produzione di energia grazie ai vantaggi di alta efficienza, zero emissioni e zero inquinamento.

1- Come funzionano le celle a combustibile a idrogeno

Hydrogen fuel cells release a large amount of heat during operation, among which electrochemical reaction heat accounts for about 55%, irreversible electrochemical reaction heat accounts for about 35%, Joule heat accounts for about 10%, condensation heat and various heat losses account for about 5%. The heat generated by hydrogen fuel cells is approximately equal to the electrical energy they generate. If not dissipated in a timely manner, the temperature inside the battery will significantly increase, thereby affecting its service life.

2- Dissipazione del calore delle celle a combustibile a idrogeno

Rispetto ai veicoli alimentati a carburante, i veicoli a celle a combustibile a idrogeno hanno un potere calorifico più elevato e sistemi più complessi.Allo stesso tempo, a causa della limitazione della temperatura operativa delle celle a combustibile a idrogeno, la differenza di temperatura tra le celle a combustibile a idrogeno e il mondo esterno è ridotta, rendendo più difficile la dissipazione del calore da parte del sistema di dissipazione del calore.La temperatura operativa delle celle a combustibile a idrogeno ha un impatto significativo sulla resistenza al flusso del fluido, sull'attività del catalizzatore, sull'efficienza e sulla stabilità dello stack, quindi sono necessari sistemi efficienti di dissipazione del calore.

La tecnologia di raffreddamento a liquido è attualmente la tecnologia principale utilizzata nelle celle a combustibile a idrogeno nelle automobili.Mira a ridurre il consumo energetico della pompa dell'acqua riducendo la caduta di pressione del sistema, eliminando il calore in eccesso nelle celle a combustibile a idrogeno con un consumo energetico minimo e ottimizzando la distribuzione dei canali di flusso del fluido di lavoro circolante per ridurre le differenze di temperatura interna e migliorare l'uniformità della distribuzione della temperatura della batteria.

Il 90% del calore generato nelle celle a combustibile a idrogeno viene eliminato dal sistema di dissipazione del calore attraverso conduzione e convezione termica, mentre il 10% del calore viene dissipato nell'ambiente esterno attraverso la dissipazione del calore per irraggiamento.I metodi tradizionali di dissipazione del calore includono il raffreddamento ad aria, il raffreddamento a liquido e la dissipazione del calore a cambiamento di fase.

3- Scambio termico del sistema PEMFC

3.1 Dissipazione del calore dello stack

Dopo che il calore è stato generato all'interno della PEMFC, il calore verrà trasferito tra i vari componenti all'interno della PEMFC e l'ambiente esterno.Il trasferimento di calore all'interno dello stack di celle a combustibile dipende principalmente dalla resistenza termica di ciascun componente e dalla resistenza termica di contatto tra i diversi componenti.Poiché lo strato di diffusione del gas è un "ponte" che collega i principali componenti generatori di calore (elettrodi a membrana) e i principali componenti di dissipazione del calore (piastre bipolari), la sua resistenza termica e la resistenza termica di contatto con altri componenti hanno un impatto significativo sul calore trasferire le prestazioni all'interno del PEMFC.Inoltre, la resistenza al contatto termico tra i diversi componenti può avere un impatto significativo sul trasferimento di calore interno dello stack di celle a combustibile.

3.2 trasferimento di calore del liquido di raffreddamento

I metodi di raffreddamento per le celle a combustibile includono il raffreddamento ad aria, il raffreddamento a liquido e il raffreddamento a cambiamento di fase.

I fattori che influenzano il trasferimento di calore del refrigerante includono l'estremità dello stack PEMFC, il refrigerante stesso e l'estremità del radiatore.Il refrigerante è a diretto contatto con le piastre bipolari all'estremità dello stack PEMFC, quindi la struttura del canale di flusso del refrigerante ha un impatto significativo sul suo trasferimento di calore.Inoltre, le proprietà del liquido refrigerante stesso influenzeranno anche il relativo processo di trasferimento del calore.Considerando la mancanza di spazio disponibile, la scelta di un refrigerante con una maggiore capacità termica può ridurre le dimensioni del dissipatore di calore e migliorare le prestazioni di gestione termica del PEMFC.Pertanto, la necessità di nuovi refrigeranti ad alta efficienza sta diventando sempre più evidente.

Aggiorneremo regolarmente la tecnologia e le informazioni sulla progettazione termica e sulla leggerezza e le condivideremo con voi come riferimento. Grazie per il tuo interesse per Walmate.