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バッテリートレイ溶接の熱変形の影響を効果的に防止または軽減するにはどうすればよいでしょうか?
バッテリートレイは、バッテリーボックスまたはPACKボックスとも呼ばれ、新エネルギー車の開発において非常に重要なコンポーネントとしてますます評価されています。バッテリートレイの設計では、重量、安全性、コスト、材料性能などの要素間の関係のバランスを取る必要があります。アルミニウム合金は、密度が低く比強度が高いため、車体の性能を確保しながら剛性を確保できるため、自動車の軽量化エンジニアリングで広く使用されています。
1-バッテリートレイの溶接位置と方法の選定
アルミニウム製のバッテリートレイは押出成形されたアルミニウムプロファイルで作られ、さまざまな部品が溶接によって結合されて完全なフレーム構造を形成します。このような構造は、エネルギー貯蔵パックボックスにも広く使用されています。
バッテリートレイの溶接部分には、通常、底板の接合、底板と側面の接続、側面フレームと水平ビームと垂直ビームの接続、液体冷却システムコンポーネントの溶接、ブラケットや吊り耳などのアクセサリの溶接が含まれます。溶接方法を選択するときは、異なる材料と構造の要件に応じて異なる溶接方法が選択されます。下の表を参照してください。
2-溶接熱変形の影響の分析
溶接は局所加熱加工法です。熱源が溶接部に集中するため、溶接部の温度分布が不均一になり、最終的に溶接構造内部に溶接変形や溶接応力が生じます。溶接熱変形とは、溶接工程中の入熱と出熱の不均一により、溶接部の形状やサイズが変化する現象です。実際のエンジニアリングプロジェクトの経験と組み合わせると、溶接熱変形が発生しやすい部品とその影響要因がまとめられます。
a.長い直線溶接エリア
実際の生産では、バッテリートレイの底板は、一般的に2〜4枚のアルミニウム合金プロファイルを攪拌摩擦溶接で接合して作られています。溶接部は長く、底板と側板の間、底板と間隔梁の間にも長い溶接部があります。長い溶接部は、集中した入熱により溶接領域で局所的な過熱が発生しやすく、熱変形を引き起こします。
バッテリートレイフレーム溶接
b.多成分ジョイント
これは、多成分溶接時の溶接工程中に局所的に高温加熱され、その後冷却されることによって引き起こされます。溶接工程中、溶接部は不均一な入熱を受け、溶接部と周囲の母材との間に大きな温度差が生じ、熱膨張と収縮の影響を引き起こし、溶接部の変形を引き起こします。エネルギー貯蔵パックボックスの電気設備端には通常、水ノズル、配線ハーネスブラケット、ビームなどが装備されており、溶接部は密で変形しやすいです。
溶接が集中する部分では、パレットの前面が歪んで変形している
c.コールドプレートチャネル側壁
液冷プレート一体型設計のバッテリートレイでは、薄板やパイプ構造など構造剛性の小さい部品は溶接時の熱変形に十分耐えられず、変形しやすくなります。たとえば、液冷プレートの流路の側壁は非常に薄く、通常はわずか2mm程度です。モジュール取り付け面の梁、ワイヤーハーネスブラケットなどの部品を溶接すると、流路の側壁に亀裂や変形しわが発生しやすく、全体の性能に影響を与えます。
ビーム溶接による液体冷却チャネル壁の熱亀裂欠陥
3-溶接熱変形制御方法
a. セグメント溶接、両面溶接
強度要求が比較的低い部品については、分割溶接を採用し、溶接工程を複数の小セクションに分割します。溶接部は対称的に配置され、構造セクション内の中立軸付近で溶接部が対称的に配置され、溶接部による変形が互いに相殺されます。同時に、溶接部の長さと数を最小限に抑え、溶接部の過度の集中や交差を避けることで、溶接温度勾配を下げ、溶接変形を減らすことができます。底板、底板、側枠など、強度要求が高い部品については、両面溶接を採用して強度を高め、大きな部品や長い溶接部による曲げ変形を減らします。
b.溶接シーケンスの最適化
溶接変形を制御し、剛性の低いジョイントを使用し、2 方向および 3 方向の交差溶接を避け、高応力領域を避けます。溶接シーケンスを最適化し、剛性の弱い領域を最初に溶接し、剛性の高い領域を最後に溶接します。たとえば、最初に隅肉溶接を溶接し、次に短い溶接、最後に長い溶接を溶接します。最初に横方向の溶接を溶接し、次に縦方向の溶接を溶接します。適切な溶接シーケンスにより、溶接変形を効果的に制御し、それによって溶接寸法を制御できます。
c. 溶接パラメータの調整
溶接パラメータとプロセスを制御し、溶接速度、溶接層数、各溶接部の厚さを適切に設定します。より厚い溶接部の場合は、多層および多チャンネル溶接法を使用し、各溶接層の厚さは4mmを超えてはなりません。多層溶接は構造微細構造を減らし、接合部性能を向上させることができます。溶接パラメータを正確に制御し、溶接電流、電圧、電極モデル、溶接速度などのパラメータを適切に選択して、溶融池の形状とサイズの一貫性を確保し、不適切なパラメータ選択によるエラーを回避します。
d.溶接技術の向上
溶接作業者の操作スキルを向上させ（厳しい要件のある大型部品やノードには機械加工を使用）、溶接中の動作の一貫性と標準化を確保し、人的要因による寸法の問題を軽減します。
ご参考になるために、定期に熱設計及び軽量化に関する技術と情報を更新させていただきます。当社にご関心をお持ちいただき、ありがとうございます。
アルミニウム合金が液体冷却プレートとラジエーターの第一選択材料となった理由：アルミニウム合金の熱伝導率の原理の分析
アルミニウム合金は、業界で最も広く使用されている非鉄金属構造材料であり、特に材料の熱伝導率が大きな懸念事項となるシナリオや、電子機器の放熱、電気自動車の三電源放熱、バッテリーエネルギー貯蔵システムなど、効率的な熱伝導が求められる状況で使用されています。放熱と航空宇宙の分野では、通常、ラジエーター、熱伝導プレート、電子部品などの効率的な熱伝達装置の製造に使用されます。
熱伝導率は、熱伝導率とも呼ばれ、材料の熱伝導率を特徴付けるパラメータ指標です。単位時間、単位面積、および負の温度勾配あたりの熱伝導を示します。単位はW/m·KまたはW/m·℃です。アルミニウム合金は、アルミニウムと他の金属で構成される合金材料です。その熱伝導率は非常に優れており、熱伝導係数は通常140〜200W /（m·K）です。地殻に最も多く含まれる金属であるアルミニウムは、熱伝導率が比較的低く、高さが高く、密度が低く、価格が安いため好まれています。
1-アルミニウム合金材料の熱伝導原理
材料の隣接領域に温度差がある場合、接触部分を通じて高温領域から低温領域に熱が流れ、熱伝導が発生します。金属材料には多数の自由電子があります。自由電子は金属内を高速で移動できるため、熱をすばやく伝達できます。格子振動は金属の熱伝達のもう1つの方法ですが、自由電子伝達方法と比較すると後回しにされます。
金属と非金属の熱伝導方法の比較
2-アルミニウム合金の熱伝導率に影響を与える要因
a.合金化は熱伝導率に影響を与える主な要因の 1 つです。合金元素は固溶体原子、析出相、中間相の形で存在します。これらの形態は、空孔、転位、格子歪みなどの結晶欠陥をもたらします。これらの欠陥により、電子散乱の確率が高まり、自由電子の数が減少し、合金の熱伝導率が低下します。異なる合金元素は、Al マトリックスに異なる程度の格子歪みを生じさせ、熱伝導率に異なる影響を及ぼします。この違いは、合金元素の価数、原子体積の違い、核外電子配置、凝固反応の種類など、複数の要因の結果です。
b.熱処理は、アルミニウム合金の加工において非常に重要なステップです。アルミニウム合金の微細構造と相変態を変えることで、その熱伝導率に大きな影響を与えることができます。固溶体処理は、アルミニウム合金を特定の温度に加熱してマトリックス内の溶質原子を完全に溶解し、その後急速に冷却して均一な固溶体を得ることです。この処理により、材料の機械的特性が向上しますが、通常、熱伝導率は低下します。時効処理は、固溶体処理後の適切な冷間変形と再加熱によって行われ、合金の微細構造を最適化し、全体的な性能を向上させることができます。時効処理では、合金の機械的特性と熱伝導率を考慮しているため、合金は高い強度を維持しながら、優れた熱伝導率も備えています。アニーリングは、合金を低温に維持して合金内の第2相を析出させて再分配することにより、合金の微細構造を改善します。アニーリング処理は、アルミニウム合金の可塑性と靭性を向上させることができますが、熱伝導率への影響は具体的な状況によって異なります。
Al-Cu合金の老化過程における結晶構造変化の模式図
c.その他の要因の影響、不純物、第2相粒子：アルミニウム合金中の不純物と第2相粒子（酸化物、炭化物など）は、ホットキャリア（電子とフォノン）を散乱させ、熱伝導率を低下させます。不純物含有量が多いほど、第2相粒子は粗くなり、一般的に熱伝導率が低くなります。アルミニウム合金の粒径も熱伝導率に影響します。一般的に、粒径が小さいほど、粒界が多くなり、熱伝導率が低くなります。また、アルミニウム合金の加工方法（圧延、押し出し、鍛造など）は、その微細構造と残留応力状態に影響を与え、それによって熱伝導率に影響します。加工硬化と残留応力は熱伝導率を低下させます。
要約すると、アルミニウム合金は高熱伝導性材料として理想的な選択肢です。アルミニウム合金の合金元素の種類とその形状、熱処理方法、不純物、結晶粒度、成形方法などの要因はすべて、アルミニウム合金材料の熱伝導性に影響します。材料組成とプロセス計画を設計する際には、総合的な考慮が必要です。
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浸漬液体冷却エネルギー貯蔵Packボックス構成設計のポイント
エネルギー貯蔵浸漬液体冷却技術は進んだバッテリー冷却方法であり、液体の効率的な伝熱の特性によりバッテリーに対する快速、直接、充分な冷却を達成し、バッテリーが安全、効率的な周囲で稼働できるようにしている。その基本原理として、エネルギー貯蔵バッテリーを完全に絶縁、無毒、放熱力のある液体浸漬する。この技術は液体により直接にバッテリーと接触して熱交換を行って快速的にバッテリーが充放電の過程に生じた熱を吸収し、外部循環システムに連れて冷却する。
個別浸漬液体冷却エネルギー貯蔵システムの原理図
浸漬液体冷却エネルギー貯蔵Packボックスはバッテリーセルが適切な周囲で稼働することを負荷、保障するためのバッテリーパッケージのキーとなる部品として、主にバッテリーパッケージ及びクーラントの負荷、安保、伝導及び熱交換などの機能を担当する。よって、システムの効率的、安全及び信頼可能な稼働を確保するために、ボックス構成の設計で密閉性、冷却効率、安全性、材料選択及び加工プロセスなどについて包括的に検討しなければいけない。それに、ボックス構成の設計は液体冷却システムの全体の基礎である。
1-均一的な負荷
浸漬液体冷却エネルギー貯蔵Pack下ボックスは底板及び側板からなり、底板が基礎的支持であり、側板が底板の周りに締め付けられ、共にボックスのメインフレームを構成する。ボックスの寸法について包括的に液体冷却システムの全体上の需要及び荷重を考えに入れて調整を行い、大寸法ボックスの設計で適切に内部仕切り板またはプロセスの構成を設置でき、大空間を複数の小空間にし、応力面積を増やして均一負荷力を向上させるが、内部構成でサポートリブ及び補強リブを増やして局部の負荷力を向上させることができるし、ボックスの内部に均一負荷構成を設置して各角の負荷のバランスを図ってもいい。
それと同時に、均一負荷性に対する可塑性変形の影響を低くするために、高さの異なる加工面を同一の平面に設計すると、工作機械の調整回数を少なくしたり、異なる高さによる変形を避けたりすることができる上、ボックスの幅または高さを向上させて荷重を分散させたり、変形を少なくしたりすることもできる。
また、液体冷却流路とボックス底板の一体化設計は摩擦撹拌接合またはレーザー溶接で合わせを完成し、この設計が有効に全体構成の強度を向上させることができる。
個別浸漬液体冷却エネルギー貯蔵Pack下ボックスの構成図
2-熱交換設計
伝熱力は浸漬液体冷却エネルギー貯蔵技術の重要なプロセスであり、バッテリーが高温周囲で有効に放熱して性能及び安全性を確保することができることに設計の目標を置く。
ボックスの材料は高い伝熱性能がなければいけなく、常用の材料にアルミ合金、銅、アルミニウム母材複合材がある。ボックスの設計について周囲温度変化の影響を考えに入れ、適当な厚さの保温層によりボックス内部の温度が一定の領域にあるようにしてシステムの全体的効率を向上させることができる。
ボックスの構成に関する設計はその伝熱力に直接な影響を与え、適切な流路設置により液体がボックス内部でスムーズに流れ、最大限で接触面積を増やすことを確保でき、ボックスの伝熱力を向上させるための主な対策である。クーラントの循環経路を増やして放熱効果を向上させるために、ボックスの内部に複数の流路を設置してもいい。
ソリューション1 全浸漬+個別+パネル交換 ソリューション2 全浸漬+個別+ボックス交換
液体冷却システムは冷媒、伝熱構成、液体冷却管路及び支持構成を含む。
ソリューション1では、同種または異種のクーラントを選んで各々液体冷却パネル流路チャンバー及びボックスの空チャンバーに充填し、チャンバーの2つが密閉されていて、通じ合っていない。ボックスの空チャンバーで、クーラントがバッテリーモジュールを浸漬し、充分に接触させ、冷却して流れなく、液体の伝熱性が上手であるという特徴を利用してバッテリーの表面にある熱量を吸収し、温度の向上を抑える。液体冷却パネルでは、クーラントが入水集管で複数の流路に分けられて冷却パネルに入り、出水集管に集まって流れ出て、主に熱を持って行き、放熱を達成することを担当する。
ソリューション2では、温度の低いクーラントが下または側面から流れ込み、温度の高いものが上から流れ出て、クーラントがバッテリーパッケージの内部で循環して流れ、有効、均一的に熱を分配したり、全体的冷却効率を向上させたり、バッテリーセルまたはバッテリーパッケージの温度の一致性を保ったりすることができる。
より一歩に冷却効果を向上させるために、多種の最適化対策（液体流量及び循環方法の最適化、高熱容量のクーラント選択及び液体の温度分布に対する改善など）を講じることができる。これらの対策は熱の集まり及びエネルギーの損失を削減し、バッテリーが効率的な冷却状態で稼働することを確保できる。
3-シール設計
液体冷却packボックスにとって、進んだシール材及び構成で全密閉設計を行い、密閉設計について気密性の上、液体媒質の密閉も考えに入れ、バッテリーユニットがどの方向にも漏れがないようにしなければいけない。
設計について具体的な応用の需要に応じて適切な密閉形式及び形状の上、シールの漏れ自由度、耐摩耗性、媒質及び温度互換性、低摩擦などを考えに入れ、詳細な仕様に従って適切なシール種類及び材料を選択しなければいけない。
なお、溶接プロセスの選択はシール性能に与える影響もとても大きく、材料及び厚さに応じて適切な溶接方法を選択すると、有効に溶接継ぎ目の品質を向上させ、システムの全体的強度及び密閉性を確保できる。
個別浸漬液体冷却エネルギー貯蔵Pack下ボックスの完成品のイメージ
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液体冷却パネルの工程における流路汚染のリスク及び洗浄制御技術
様々な電子・電力製品の電力密度及び発熱量の途切れない向上に伴って、放熱は日増しに深刻な挑戦に直面していて、液体冷却関係のソリューションが効率的放熱性能、低いエネルギー消費、低い騒音及び高い信頼性などによりソリューションの主流となっている。
液体冷却ソリューションは液体冷却パネルをバッテリーパッケージ（他の熱源）と貼り合わせ、内部で循環させ、冷却剤が熱源の稼働による熱を持って行き、当該熱が冷却回路の1つまたは複数を通じて熱交換及び伝熱を行い、最終にエネルギー貯蔵システムの熱を放出する。
液体冷却ソリューションのコアコンポーネントとして、液体冷却パネルは効率的放熱コンポーネントであり、主な機能がクーラントの循環によりバッテリー（他の熱源）の稼働からの熱を持って行き、機器が安全な稼働温度範囲で稼働ようにする。液体冷却パネルの流路が汚染された場合、クーラントの流れの均一性が妨害され、大きすぎる顆粒の異物がクーラントの塞がれることまたはスムーズではない流れにつながるので、熱が有効に伝達できなくなり、電子機器の放熱効率及び全体的性能が妨害される。
また、流路に異物があると、金属壁面の酸化保護膜の破壊、液体冷却パネルに対する腐食または侵食につながる。なお、流路にある異物がコンポーネントの接触不良及びシールの劣化または損壊につながるので、漏れの恐れがあり、システムの長期にわたる安定な稼働に影響を与えるものである。
1-液体冷却パネルの流路の清潔さに関する要求
一般的に、現在のエネルギー貯蔵液体冷却ボックスに関するソリューションは水道に異物、アルミのくず、油及び液体などがないことと要求されていて、少数のソリューションに異物の具体的な質量、硬質・軟質顆粒の大さについて明らかな要求を示す。
2-液体冷却パネルの製造工程に流路が汚染されるリスクの高いプロセス
冷却パネル系部材の加工工程に、内部流路及び冷却インタフェース構成は加工工程が切断及び流路切りを含み、油、切削クーラント及び機械加工の切りくずなどの異物が極めて流路に入りやすく、切削加工部が流路口にあるので、防護し難く、切りくずが入ってから除去され難い。
冷却パネル・流路パネルの加工が完了すると、溶接でブロッキングストリップ及び蛇口を閉鎖された流路に加工し、流路の構成が一般的に非直線構成であるので、洗浄上のデッドゾーンがある。
冷却パネルを溶接してから機械加工の過程に大量の切削クーラントでツール及びワークに対する冷却を行い、大量の金属切りくずが生じる。このプロセスに極めてクーラントや切りくずなどの汚染物を引き込みやすく、切りくずが入ってから徹底的に除去し難く、流路汚染のリスクの高いプロセスでもある。
3-液体冷却パネル流路の洗浄と保護
液体冷却パネルコンポーネントの信頼性と性能を確保するために、徹底的洗浄を行うのが普通である。高圧ウォーターガン洗い流しで液体冷却パネルの内部流路を洗い流し、存在のおそれのある残渣、顆粒または他の異物を除去する。流路に残った水がないように、内部流路を洗い流してから液体冷却パネルのコンポーネントを乾燥させなければ行けない。
冷却パネルなどの液体冷却部材は工程中に適切に保護されなければ汚染されやすい（冷却パネル機械の加工過程における金属切りくず、油及び切削クーラントなどの汚染）。それと同時に、冷却パネルの流通過程にも異物が極めて入りやすい。流路口に対する保護策（防塵ステッカー、蛇口ゴムスリーブなど）を検討するのは普通である。
よって、冷却パネル内部流路に対する洗浄は流路汚染の除去及び流路清潔さの向上のための必要な対策となる。実際な生産で全過程の予防と制御が必要である。その上、具体的な部材及びプロセスについて汚染対策を講じなければ有効に冷却パネル流路内部の汚染を制御できない。
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バッテリーエネルギー貯蔵用の下部ボックスのテーラー溶接のプロセスの設計
バッテリーエネルギー貯蔵用のバッテリーボックスはエネルギー貯蔵システムでとても重要であり、その重要な機能が負荷保護、伝熱・温度の均一化、電気工事及び防水シールなどを含む。バッテリーのエネルギー密度に対する需要の途切れない向上に伴って、更に高い伝熱性能及び低い密度を備えるアルミ合金材料を利用することはバッテリーシステムの効能を向上させるための有効な解决ソリューションとなっている。
流路とボックス側壁との一体化成型の設計にすると、キーとなる負荷部の溶接作業が不要となるので、全体的構成強度を向上させ、静的負荷、持ち上げ及びランダムの振動など多種の場合に構成の安全と安定性を保ち、決まった程度でボックスの気密性表現を改善できる。
また、一体化設計は部品数量及びボックス重量の削減に役に立ち、押し出し成型技術で製造を行う場合、型開きコストが低く、加工に便利であり、直しやすいので、柔軟に異なるバッチに対応できる。
1-アルミの押し出しテーラー溶接エネルギー貯蔵下ボックスの主な区分
普通、エネルギー貯蔵用液体冷却下ボックスは幅が790～810mm、高さが40～240mmにあり、フラット系及びフランジ系（下図）に分けられ、長さがエネルギー貯蔵製品の容量などに関わり、汎用ソリューションに48s、52s、104sなど多種の仕様がある。
フラット系液体冷却下ボックス
フランジ系液体冷却下ボックス
2-アルミ押し出しテーラー溶接エネルギー貯蔵下ボックスの構成
液体冷却下ボックスはバッテリーパッケージ全体の基礎的構成であり、流路付きの底板、ブロッキングストリップ、蛇口、フレーム、梁、ブラケット及び懸吊バンドなどがテーラー溶接されて矩形の枠構成となり、すべての部品がアルミ合金製である。
液体冷却下ボックス部品組み立てのイメージ
液体冷却下ボックスは十分な負荷力及び構成強度が必要である。実際な応用中の安全性及び信頼性を確保するために、高い溶接品質（溶接技術、溶接等級管理及び溶接技師の技能などを含む）が必要である。
液体冷却技術は液体冷却ボックスの気密性に対する要求（下ボックス及び液体冷却流路の気密性を含む）が高く、液体冷却流路がクーラントの流れの圧力も受けるので、液体冷却流路の気密性に対する要求が更に高い。
3-溶接品質に対する要求
普通、液体冷却底板は摩擦撹拌接合による溶接が必要であり、フラット系液体冷却下ボックスのプラグにも摩擦撹拌接合による溶接が必要である。普通、摩擦撹拌接合は縫い目の凹みが0.5までであり、落ちまたは振動の場合の落ちられる金属異物が認められない。
普通、液体冷却流路、フレーム、蛇口、懸吊バンド、梁及び部品などはTIG溶接またはCMT溶接を利用する。部品性能に対する需要に応じて、液体冷却流路、フレーム、蛇口及び懸吊バンドなどに完全溶接を行うが、梁及び部品などにセクション溶接を行う。前バッテリーモジュール梁エリアは平面度がシングルモジュールの場合に1.5mm以下、全体平面度が2mm以下、フレーム平面度がシングルフレームの長さが500mmごとに増加する場合に±0.5にある。
溶接継ぎ目は表面における割れ目、未貫通溶接、未融合溶接、表面気孔、露出したスラグ含有物及び不完全溶接などが認められなく、蛇口の溶接継ぎ目の高さが6mmまでであり、他所の溶接継ぎ目がボックスの下表面を超えなく、前後モジュール梁の内側溶接継ぎ目が内側面を超えないことが一般的な需要である。
溶接継ぎ目は溶込みが関係の規格を満たし、アーク溶接で溶接されたコネクタは引張強さが少なくとも母材の引張強さの最小値の60%にあたり、レーザー溶接及び摩擦撹拌接合で溶接されたコネクタは引張強さが少なくとも母材の引張強さの最小値の70%にあたること。
また、下ボックスの溶接が気密性IP67の基準を満たすことも必要であるので、溶接後の仕上げについて、前後モジュール梁エリアにおける溶接スラグ及び溶接継ぎ目が平になるまで研磨し、トレイ外部溶接部に対する研磨が認められなく、密封面の溶接部が平になるまで研磨し、フレームとの間に顕著な段差がないようにすること。
表：エネルギー貯蔵系素材合わせ液体冷却下ボックスのプロセス選択及び代表的な応用
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矩形ストレートリブヒートシンクの設計
ヒートシンクは役割が決まった体積空間で更に広く伝熱面積を取得し、構成・形状の改善によりその表面から周りの流体までの伝熱効率を向上させ、表面処理などにより有効伝熱面積を広くて放熱強化及び温度制御の目標を達成することにある。
体積電力密度及び熱流密度に関する需要が高くないアプリケーションシナリオで、矩形ストレートリブヒートシンクは簡単な構成、適切な製造コスト及び優れた放熱性能などによりエンジニアに喜ばれている。
さまざまな伝熱方法の比較
1-ヒートシンクフィンの設計
ヒートシンクは放熱拡張面であり、主にフィンの高さ、形状、間隔及び基板の厚さなどのパラメータに関わる。
プレートフィンヒートシンクの寸法
上図によりヒートシンクの拡張面積を算出できる：
個別フィンの面積：
Af = 2L（h+t/2），
隙間のところの面積：Ab= Lh，
放熱部の総面積：At=nAf +(n±1）Ab（n：フィン数）
フィンの断面図
プレートフィンは主な役割が表面積の増加により伝熱効率を向上させることにある。ヒートシンクフィンは間隔、厚さ及び高さがヒートシンクフィンの数量、分布及び展開面積を決めるための重要な要素である。上図の通りに、h↑またはt↓の場合、フィンが更に高く、更に薄く、更に密であると、放熱拡張面積は更に広くなる。
プレートフィンは表面積が広くなる場合、空気との接触面積も広くなり、熱が更に容易に放出されるようになる。フィンの形状（波状やギザギザなど）に対する最適化によりより一歩にヒートシンクの拡張面積を広くすることもできる。
プレートフィンは表面積が広ければ広いほど放熱効果がよくなるが、プレートフィンが大きければ大きいほどよくなると一方的に考えては行けない。自然放熱も強制冷却も問わず、ヒートシンクフィンの間隔はその表面を流れる空気伝熱係数を決める上の重要な要素である。
間隔と高さが放熱効率に与える影響
自然放熱の場合、ヒートシンクの壁面で表面の温度変化により自然対流が生じ、フィン壁面の空気層（境界層）流を形成し、フィン間隔が小さすぎると、順調な自然対流が妨害される。強制冷却の場合、フィンは境界層の厚さが圧縮され、間隔が相対的に狭くなるが、加工手段及びパワー部品の駆動力の影響により、小さすぎるといけないので、実際な設計でフィンの厚さと高さとのバランスが非常に重要である。
2-ヒートシンク基板の設計
ヒートシンクは基板の厚さがヒートシンクの効率に影響を与える重要な要素であり、薄い場合、熱源から遠ざけるフィンに伝達する熱抵抗が大きく、ヒートシンクにおける不均一な温度分布につながり、熱衝撃耐力が弱い。
基板を厚くすると、不均一な温度分布を改善し、ヒートシンクの熱衝撃耐力を向上させることができるが、基板が厚すぎると、熱の累積につながるので、伝熱力が逆に低くなる。
ヒートシンクの稼働原理図
上図の通りに、熱源面積が底板の以下にある場合、熱が中心から縁部へ広がり、拡張熱抵抗が形成する。熱源の位置は拡張熱抵抗にも影響がある。熱源がヒートシンクの縁部に近い場合、熱量が更に容易に縁部を通じて伝導していき、拡張熱抵抗が小さくなる。
注：拡張熱抵抗とはヒートシンクの設計で熱が熱源の中心部から縁部へ広がる過程に遭遇する抵抗のことである。この現象は通常に熱源面積と底板面積との差が大きい場合に発生し、熱が小さなエリアから大きなエリアへ広がる。
3-フィンと基板との連結プロセス
両者間の優れた伝熱及び機械的安定性を確保するために、ヒートシンクフィンと基板との連結プロセスは通常に多種の方法に関わり、主に一体成型及び非一体成型という２種に分けられる。
一体成型のヒートシンクはヒートシンクフィンとヒートシンク基板が一体であり、接触熱抵抗があり、関係のプロセスが主に下記のとおりである。
l アルミのダイカスト成型：アルミの塊を液態に溶けてから高圧で金型に充填し、ダイカストマシンで直接にダイカスト成型を行ったヒートシンクで複雑な形状のプレートフィンを製造できる。
l アルミの押し出し成型：アルミを加熱してから押出バレルに入れて決まった圧力を与え、所定のダイ穴から流れ出るようにして所要の断面形状及び寸法の粗形材を取得し、切断や仕上げなどのより一歩の加工を行う。
l 冷間鍛造処理は長所が細く、密なヒートシンクフィンを作り出すことができ、素材の伝熱係数が高く、異型処理力が押し出しより優れることにあるが、コストが高い。
l シャベルトゥースヒートシンクは銅製であってもよく、伝熱係数が高く、フィンが非常に細く、密であってもよく、フィンが直接にカッターで基板からすくい取られるので、フィンが高く、長い場合、フィンが応力の影響により変形しやすい。
非一体成型はヒートシンクフィン及びヒートシンク基板が各々加工され、ヒートシン溶接、リベット留めまたは継ぎ合わせなどにより結び合わせる。
l 溶接：ヒートシンクフィンと基板ははんだ付け（高温ろう付け及び低温はんだペーストはんだ付け）により結び合わせる。
高温ろう付けは伝熱性能が上手であり、はんだペーストはんだ付けでAl基板及びプレートフィンを連結させる場合、早期ニッケルメッキが必要であるので、コストが高く、 大寸法のヒートシンクに適しなく、ろう付けはニッケルメッキが不要であるが、溶接コストが相変わらずとても高い。
l リベット留め：ヒートシンクフィンを基板の溝に差し込んでから金型で溝を中間に押し出してしっかりと放熱ヒートシンクフィンを抱きしめさせてしっかりとした堅牢な結合を達成する。
リベット留めは伝熱性能が上手であるが、リベット留めされた製品が繰り返して使用されてから隙間及び緩みにつながる。リベット留め技術の改善により信頼性を向上させることができるが、コストも相応しく向上するので、リベット留めされたプラグインヒートシンクが常に信頼性に関する要求があまり高くない場合に用いられる。
l 継ぎ合わせ：一般的に、伝熱できるエポキシ樹脂で放熱ヒートシンクフィンと基板をしっかりと継ぎ合わせて伝熱する。
継ぎ合わせは伝熱できるエポキシ樹脂を利用するので、溶接と比べると、伝熱係数が割合に低いが、フィンの倍率が高く、間隔が小さいヒートシンクに適し、放熱性能に関する要求があまり高くない場合に使用できる。
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Lori Customer Cases
Lori is a heat sink manufacturer of design and manufacturing high power heat sink, we have provided innovative thermal solutions for many high power industry device such as Aerospace industry,Medical, Communication server, Consumer Electronics etc. Our solutions include high power heat pipe thermal mould, liquid cooling system, staked fin heat sink solution etc.
Lori Customer Cases
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Lori Customer Cases
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流体シミュレーション
ラジエーターと冷板の放熱性能をシミュレーションソフトで解析します。
1
応用シーン
工況：熱流密度が高い状況です
取り付け配置：片面取り付け
典型応用：顧客定制
持ち前：放熱効果が高い
1
応用シーン
工況：0.5-1C
組み立て配置：ボトル液冷
典型応用：36s,48s,52s,104s
持ち前：クーリング効果が高い
冷却負荷
冷媒は電池の冷板が吸収した熱を蒸発器を通して放出し、ポンプの運行で発生した電力を冷板の吸収装置で発生した熱に送ります。
液冷技術の特性
液冷技術は液体をばいしつとして熱交換を行うことで、空気に比べて、液体はより大きな熱を運ぶことができて、低い流れ抵抗、速い放熱速度、高い放熱効率を提供することができます.液冷システムは風道を設計する必要がなく、ファンなどの机械部品の使用を減らし、故障率が低く、騒音が少なく、環境にも友好的で、敷地面積が節約できます。将来はMW級以上の大型エネルギー貯蔵所に適しています。
エネルギー貯蔵システム（BESS）
電池貯蔵システムは、エネルギー貯蔵媒体として電池を使うエネルギー貯蔵システムです。従来の化石燃料とは異なり、太陽光や風力などの再生可能エネルギーを貯蔵し、エネルギー需給のバランスを取る必要があれば放出することができます。
2
DFMの最適化提案
潜在的な生産過程でのミスや欠陥を減らし、製品が設計要求の品質基準を満たすことを保証します。
2
応用シーン
工況：熱流密度が高い状況です
取り付け配置：片面取り付け
典型応用：顧客定制
持ち前：放熱効果が高い
2
応用シーン
工況：0.5-1C
組み立て配置：ボトル液冷
典型応用：36s,48s,52s,104s
持ち前：クーリング効果が高い
冷媒クーラー
ユニットの運転の間、蒸発器(板式の熱交換器)を通して冷媒が蒸発してその中の冷媒循環システムから熱を吸収して、その中の冷媒の凝縮は熱をこれらの周りの空気環境の中に放出します。凝縮された冷媒が膨張弁を通って蒸発器に戻るサイクルテストが繰り返されます。
液冷システムはなぜますます流行しているのか
•バッテリパックの温度が低い:同じ入り口の温度と風速の限界と流速では、液冷よりも温度を下げることができますが、バッテリパックの最高温度は、風冷よりも3-5℃低くなります。
•動作エネルギー消費量が低い:同じ電池の平均温度に達して、風冷に必要な動作エネルギー消費量は液冷の約3-4倍です。
•電池の熱暴走リスクが低い:液冷スキームは、強制的に冷却ばいしつの大流量に依存することができます。電池パック放熱と電池モジュール間の熱の再分配を実現するために、急速に熱暴走を抑制し続けて悪化し、暴走リスクを低減する。
•投入コストが減ります：液冷システムは電池が快適な温度で働作しやすいため、風冷システムに比べて電池寿命を20%以上延ばすことができ、総合的な寿命サイクルで見ると液冷投入はより少ないです。
技術とビジネスのトレンド
ソースネット側のエネルギー貯蔵発電所及びオフネットのエネルギー貯蔵システムに対する大容量、ハイパワー、高エネルギー密度のエネルギー貯蔵システムの需要が絶えず成長するにつれて、液冷電池のエネルギー貯蔵システムは業界の主流案になりました。また、顧客のROIとキャッシュバックへの関心は、高充電・放電率バッテリー貯蔵システム(BESS)の発展トレンドにさらに加速しています。
大容量、高出力密度、高充放電率でシステムの熱暴走リスクが高まり、エネルギー貯蔵熱管理へのニーズが高まっているため、エネルギー貯蔵熱管理の熱交換効率のさらなる向上が求められています。
3
応用シーン
工況：0.5-1C
組み立て配置：ボトル液冷
典型応用：36s,48s,52s,104s
持ち前：クーリング効果が高い
3
製品のテスト
カスタムテストプログラムを提供し、お客様のご要望にお応えします。
3
応用シーン
工況：熱流密度が高い状況です
取り付け配置：片面取り付け
典型応用：顧客定制
持ち前：放熱効果が高い
水素燃料バッテリー車の冷却システムの記述
要旨：水素燃料バッテリーは、プロトン交換膜燃料電池(PEMFC)とも呼ばれ、その高効率、ゼロエミッション、ゼロ汚染の利点から、電気自動車の充電ステーション、自動車、その他の発電施設で広く使用されています。水素燃料バッテリー車は運転中に従来の燃料バッテリー車の3 ~ 5倍の熱を排出します。本稿では、現在の水素燃料バッテリーの放熱に関する技術について簡単に紹介します。
1‐水素燃料電池の仕組みです
水素燃料バッテリーは運転中に大量の熱を放出し、電気化学反応熱が約55%、不可逆電気化学反応熱が約35%、ジュール熱が約10%、凝縮熱と各種の熱損失が約5%を占めます。水素燃料バッテリーは電気エネルギーと同じ熱量を生み出します早く散逸しないと、バッテリー内部の温度が著しく上昇し、寿命に影響が出ます。
2-水素燃料バッテリーから放熱する
水素燃料バッテリー車は、燃料自動車に比べて発熱量が高く、システムが複雑です。また、水素燃料バッテリーは動作温度の制約のため、外部との温度差が小さく、放熱システムからの放熱がより困難になります。水素燃料バッテリーの動作温度は流体流動抵抗、触媒活性、炉効率、安定性に大きな影響を与えるため、効率的な放熱システムが求められます。
液冷技術は現在、水素燃料バッテリーの自動車への応用の主流技術です。システムの電圧降下を低減することでポンプの電力消費を低減し、水素燃料バッテリーにおける余分な熱を最小限の電力消費で抑え、循環作動流体流路の分布を最適化することで内部温度差を低減し、バッテリー温度分布の均一性を高めることを目指しています。
水素燃料バッテリーで発生する熱の90%は熱伝導と対流によって放熱系によって取り除かれ、10%は放熱によって外部環境に分散されます。従来の放熱には、空気冷却、液体冷却、相転移冷却などがあります。
3-PEMFCシステムの熱伝導
3.1バッテリーヒープ放熱
PEMFC内部で熱が発生すると、PEMFC内部のさまざまな部品や外部環境の間を熱が伝わります。燃料バッテリーヒープ内部の熱伝達は、主に各部品の熱抵抗と異なる部品間の接触熱抵抗に依存します。ガス拡散層は主要な発熱部品(膜電極)と主要な放熱部品(双極板)をつなぐ「架け橋」であるため、その熱抵抗と他の部品との接触熱抵抗の大きさがPEMFC内部の伝熱性能に大きな影響を与えます。さらに、異なる部品間の接触熱抵抗は燃料電池ヒープ内部の熱伝達に大きな影響を与えます。
3.2 クーラント熱伝導
燃料バッテリーの冷却には、空気冷却、液体冷却、相転移冷却などがあります。
冷却材の熱伝達に影響を与える要因には、PEMFCヒープ端、冷却材自体、放熱器端などがあります。冷却材はPEMFC炉端部のバイノーラルプレートと直接接触しているため、冷却材流路構造が伝熱に大きな影響を与えます。また、冷却剤の性質も熱伝達プロセスに影響を与えます。使用可能なスペースの不足を考慮し,より熱容量の大きい冷却材を選ぶことで放熱器を小型化し,PEMFCの熱管理性能を向上させることができます。そのため、新しい高効率冷却剤の需要がますます高まっている。
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放熱器加工と熱設計の挑戦
電子機器の小型化がますます進む一方で,より多機能・高性能化のニーズがパッケージレベルの外形寸法の縮小に拍車をかけ,電力密度が急速に高まっている。
チップ実装プロセスとTDPです
装置の小型化はコスト削減の観点から来ており、放熱ソリューションは直接製品の重量、体積、コストを増加させ、何の機能効果もありませんが、製品の信頼性を提供します。部品の温度を一定の範囲内に抑えることは、ある設計の許容範囲を決める通行基準であり、効率的な放熱は、電子製品の安定的な運転と長期的な信頼性にとって重要です。
一方で、装置が小型化した結果、設計マージンが少なくなり、過剰な設計への耐性が低下しています。一方、小型化の全体的な傾向はますます乱雑で復雑な幾何学モデルを生み、製品中の机械成分と電子成分の緊密な集積を深め、その結果、流働空間が大幅に圧縮され、対流放熱の範囲を制限し、熱設計の中心物質である放熱器の構造がより復雑になった。
放熱器は電子設備の熱設計で最もよく使われる放熱強化部品で、その強化原理は熱交換面積を増やすことで、設計時一般に発熱源の熱流密度、発熱部材温度要求、製品内部空間寸法、放熱器の取り付け及び外観設計などの要求を考慮しなければなりません。
放熱器の性能の表現は材質、幾何学寸法、底の平面度、熱抵抗、表面処理、取り付け締付方式と作業環境の温湿度などの多くの要素の影響を受けます。
1-放熱器の材質
放熱器の主の材料は：アルミニウム、アルミ合金、銅、鉄など。アルミニウムは自然界の中で最も豊富な金属元素を貯蔵して、しかも質量が軽くて、抗腐食性が強くて、熱伝導率が高くて、非常に放熱器の原材料として適します。アルミニウムの中でいくつかの金属を加えてアルミニウム合金を形成して、大幅に材料の硬度を高めることができます。グラファイトは、金属材料としての導電性や熱伝導性、有機プラスチックのような可塑性を持ち、電子や通信、照明などへの応用が進んでいます。
2-放熱器製造のプロセス
放熱器の加工プロセスは主にCNC、アルミ押出し、二番取り、などがあります
アルミ押出し：アルミ押出し型の放熱器はアルミ錠を460℃ぐらいまで加熱して、高圧の下で半固体アルミニウムを流れさせて溝のある押出しの金型、放熱器の初期形状を押し出して、その後更に切断と加工を行います。アルミ押出しのプロセスは正確に放熱器の平面度などの寸法要求を保証できないので、通常は後からさらに再加工の必要が有ります。
二番取り：二番取りは、長いストリップの金属板(通常はアルミニウム合金や銅合金)を、二番取り加工機を使用して特定の角度で材料を切断してスライスし、補正を行い、繰り返し切削して、配列されている翼の構造を形成します。
歯を挿し：歯を挿して放熱器の加工は歯片をラジエータ基板の中に挿入するので、ゴム溶接、ロウ付けやプレスなどの方式を利用して歯片と下地を接続します;歯を挿して放熱器の歯片と基底結合は非常に重要で、もし処理を誤ると、一定の接触熱抵抗を形成して、放熱性能に影響を与えることがあります。
３-放熱器の表面処理
アルミニウム合金は空気中で酸化しやすいです(アルミナ膜を形成)が、このような自然酸化層は緻密ではなく、腐食に強い、汚染しやすい;美しさ、耐腐食性と放熱性能の向上などの要件に基づいて、金属放熱器は表面処理を行う必要があります、一般的な表面処理プロセス:陽極酸化、ブラスト、化学ニッケルめっきやラッカーなど。
陽極酸化：陽極酸化の原理は実質的に水電解で、アルミニウムやアルミニウム合金を陽極にして誘電体溶液の中で、電解作用を利用してその表面にアルミナ薄膜を形成させるプロセスはアルミニウムやアルミニウム合金の陽極酸化処理と呼ばれます;陽極酸化を行った後の放熱器の表面は率を放出して高めて、熱放射の放熱能力が少し増強します;陽極酸化はアルミ/ジュラルミンの色を維持・変化させることができ、ラジエータに多いのは黒の陽極酸化です。
ブラスト：ブラストは圧縮空気を使用して、高速の砂の流れの沖撃作用を利用して放熱器の表面をきれいにすることです。表面への沖撃と切削作用により、放熱器表面の錆皮など一切の汚物をきれいにするだけでなく、製品表面に均一な金属光沢を出すことができます。
化学ニッケルをめっきする：化学ニッケルめっきは、ニッケル合金を水溶液から物体の表面に沈殿させるプロセスです。その特徴は表面の硬度が高くて、摩耗に強い性能、めっき層の均一な美しいことと腐食に強い能力などです;銅とアルミは直接溶接できないため,化学ニッケルをめっきしてからはんだ付けなどで溶接します。
ラッカー：ラッカーは高温(280℃~400℃)を通じてラジエータの表面に特フッ素の高性能の特殊な塗料を添加して、放熱器の表面は粘性がなくて、耐熱性、耐湿性、耐摩耗、耐腐食性などの特徴があります;伝統的な塗装工芸に比べて、美観上と熱伝導性の上でラッカーはすべて優位を占めて、しかし熱管ラジエータは高温のために容易に膨張して変形して、だからラッカーを焼く時特別に低温ラッカーの形式を採用する必要があります。
処理しなければならない電力がますます高まるにつれて、放熱器はヒートパイプ、フィンなどのデバイスと組み合わせて性能のより高い放熱モジュールを構成し始めて、しかも放熱効率のより高い水冷放熱器が現れます。
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新エネルギー車の電気制御システムへのIGBTの応用と放熱技術です
要旨:新エネルギー自働車の電気制御システムの主な発熱装置はインバータで、その役割は電池の直流をモータを駆働する交流に逆変換します。この過程でインバータ内のIBGTが大量の熱を発生させますこれらの設備の放熱問題を解決するために、本記事はインバータの働作原理と先進の液冷放熱技術を紹介します。
1-新エネルギー車の電気制御システムへのIGBTの応用
電気制御システムは、新エネルギー車のバッテリーと駆動モータをつなぐ電気エネルギー変換ユニットとして、モータの駆動・制御の中核を担っています。インバータは高圧のバッテリーと電机の働力を接続して相互に変換する装置で、直流の電気エネルギー(バッテリー、蓄電器)を定周波数定圧または調周波数調圧の交流(普通は220V、50Hzの正弦波)に変換する役割を担います。
電気制御システムの構成図
インバータの中でIGBTパワーモジュールはこの過程でとても重要な役割を果たして、エネルギー変換の過程でIBGTは大量の熱を発生して、IGBTの温度が150℃を超える時、IGBTは作用を発揮できないので、風冷または水冷の放熱装置を使用します。IGBTの動作の熱安定性は電気駆働システムの性能の高さを評価する鍵になります。
インバータ仕事の原理
電気制御システムのほかに、IGBTは新エネルギー車の中の車上空調制御システム、充電杭システムも広く応用があります。
電気自働車や充電ポールなどのコア部品として使われています。IGBTモジュールは電気自働車のコストの約10%、充電杭のコストの約20%を占めており、その動作の熱安定性が電気駆働システムの性能の高さを評価する鍵となっています。
２-IGBT液冷放熱技術
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貯蔵バッテリーパックの冷却性能のシミュレーションと液冷板流路の最適化です
1-前書
エネルギー貯蔵システムは、電力網のバランス、新エネルギーの利用効率などの面で重要な役割を果たしており、世界のエネルギー発展と変革を主導する力となっています。電気化学エネルギー貯蔵技術が成熟して、建設期間が短くて、電力とエネルギーは応用の需要に応じて柔軟に配置することができて、充放電の応答速度が速くて、多くの場合に応用することができます。
エネルギー貯蔵システムは充放電の過程で、熱の発生に伴います。放熱が悪いとバッテリー温度が上がりすぎたり、バッテリー温度差が大きくなったり、軽い場合は電池寿命が低下したり、ひどい場合は熱暴走などの安全問題が発生します。
本論文はある実際のプロジェクトを手本にして、バッテリーパックの実際のサイズに基づいて熱流体シミュレーションモデルを構築して、全体の放熱システムの圧力、速度及び温度の分布状況を詳しく分析して、システムの熱負荷状況を得て、バッテリーパック液冷板流路設計のために構造最適化の提案を提供します。
2-プロジェクトの概要
2-1環境の情報
2-2熱源デバイス仕様情報
2-3 熱伝導のシリカゲル
3-放熱モデル
熱を逃がす液冷方式のバッテリーパックで、72個の280AHコアと液冷プレートで構成されています。液冷板は長さ1570mm、幅960mm、高さ42mmで、内部には24本の流路が設けられています。バッテリーパックの放熱モデルは次の通りです。
放熱システムモデル
4-水入れ8L／minでのシミュレーション結果です
コアの温度分布は18.38-28.77℃で、最も温度の高いコアの温度分布は21.46-26.37℃、最も温度の低いコアの温度分布は18.76-26.37℃です。図(a)のようになります。
液冷板の温度分布は18.00 ~ 21.99℃ 写真(b)を御参照お願います。
流れ抵抗は約17KPa、液冷板の圧力断面図(c)、液冷板のスピード断面図(d):
5-结论
このスキームでは、全体の温度は18.38-28.77℃の間で、最高と最も低温のコア温度差2.4℃、液冷板全体の温度は18.00-21.99℃の間で、温度性を最適化する必要がありますが、多くの高温地域が現れます。
液冷板の圧力とスピードの断面図を照らし合わせてみると、液冷板の高温域は主に圧力と速度の低い領域に分布しています。コアの配置位置と合わせて、液冷板の幅の余裕が大きいことが分かります。液冷板の最も外側の2本の流路を封じ込むか、液冷板の幅を小さくてて放熱効果を高めます。
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パワーバッテリーの放熱概要
自動車やバッテリーが急速に発展する可能性があります。
その中心部品であるパワーバッテリーは化学電源で、温度に敏感で、適切な温度環境で動作する必要があります。パワーバッテリーの充放電では、内部のインピーダンスが原因で大量の熱が発生します。また、バッテリーパックは比較的密閉された環境にあります。熱を蓄積しやすく、温度を上げやすく、熱暴走を起こすこともあります。そのため、効率的で安全な動力バッテリーの冷却システムが重要になります。
現在、バッテリーの冷却方案は3種類があって、それぞれ風の冷却、液体の冷却と直接冷媒の冷却です。
構造が比較的簡単でコストも安いため、バッテリー容量が小さく放熱圧力が低いシーンに適しています。
実際に使用するには、液体媒体は伝熱系数が高く、熱容量が大きく、冷却速度が速いため、バッテリー温度の均一性を高める効果があります。液体冷却法が主流です。
冷媒の直接冷却技術はさらにバッテリーに対する冷却効果を高めることができますが、バッテリーの蒸発器の均一な温度設計は技術的な難点です。セル間の温度差が5℃(冷却条件+加熱条件)を超えないことが一般的な要件です。現在、冷媒の直接冷却はまだ業界内の主流の設計ソリューションになっていません。
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新エネルギー自動車用バッテリーケースの設計開発の探索です
現在の新エネルギー車開発の3大重点——安全性、軽量化、信頼性は、すべてバッテリーパックと密接に関連しています。また、バッテリーケースはバッテリーシステムの搭載要素であり、バッテリーパックひいては車全体の沖突、エネルギー消費量などに大きな影響を与えます。
新エネルギー自動車用バッテリーパックです
1-バッテリーパックの安全性です
新エネルギー車の三電システムの中で最も核心的な部品として、電池パックは直接に新エネルギー車の主要な性能指標に影響して、その安全性はよく車全体の信頼性を決定します。新エネルギー車のバッテリーパックは衝突時に大きな安全上の危険があります。衝突変形は内部バッテリーモジュールに短絡、遮断路、常発熱、爆発などの現象を引き起こします。バッテリーパック筐体の抗衝突性能は直接バッテリーモジュールの安全性に影響します。
バッテリーパックの安全性設計の鍵は、衝突中のバッテリーパックの損傷を低減することです。そのため、車両全体の衝突伝力経路を最適化し、バッテリーパック筐体の防護効果を高めることが設計の鍵です。現在のシミュレーション技術は広く使われています
バッテリーパケットシミュレーションモデルでは、沖突、押出し、沖撃、落下などの環境条件の失効形態を予測し、システムはバッテリーパケットケースの構造、部品のサイズを最適化し、バッテリーパックの安全性を高めるための多目標最適化を行います。
２-バッテリーパックの軽量化
高強度鋼、超高強度鋼、アルミニウム合金、複合材料の応用は、新エネルギー車の軽量化を実現するために必要です。バッテリーパック上の筐体は保護と支持用がないため、ただ密封防塵の役割を果たして、上の筐体は主に鋼板、アルミニウム合金、復合材料を使用します。バッテリーパックの下の筐体はバッテリーシステムで主に全体のバッテリーの品質を担って、外部の沖撃を防いで、バッテリーのモジュールの役割を保護します。電池パック筐体の主流制造プロセスはあります:押し出しアルミ型材+溶接成型、プレスアルミ板+溶接成型、ダイカストアルミ+鋳造成型する。現在、押出アルミ型材+溶接成型は、国内企業の一般的な下筐体製造案であり、それよりプレスアルミ制筐体、制造難度が低く、圧鋳アルミ制筐体より、成型サイズが大きいです。
バッテリトレイ（バッテリパック下ケース）
新エネルギー車は、バッテリーパックとシャーシが高い重複領域にあるため、シャーシとバッテリーパック構造の統合最適化が、軽量化に重要です。
CTP技術では、一般的なバッテリーパックはコアから組み立ててモジュールになり、さらにモジュールをバッテリーパックの中に取り付けて中間モジュールの段階を省略して、コアを直接バッテリーパックの上に集積して、バッテリーパックは車全体の構造部材の一部として車体の床下に集積します。CTP技術は、バッテリーパックの空間利用率とエネルギー密度、バッテリーパック全体の剛性の向上に効果的です。
CTC技術は、CTP技術の進化版で、コアをフロアフレーム内に直接集積し、バッテリーケースをフロア下板とし、シートを直接バッテリーカバーに接続することで、空間利用率63%を実現しています。
CTB技術は、CTCの改良版で、梁の構造と座席の支持部分を残して、一部の基板は電池の被覆で代替されて、空間利用率が66%まで向上して、しかも車体の構造は比較的完備して、安全性がより高くなります。
バッテリーパック搭載モードです
3-バッテリーパックの信頼性です
バッテリーパックの筐体は、軍の兵役から疲労失効までの全プロセス:サイクル負荷の下で、筐体の表面に微細な亀裂が発生し始め、局所の微細な疲労亀裂が徐々に拡張され、最終的には部品の瞬間的な破断失効が発生します。特に、電池パック筐体の接続部は高疲労障害領域となっています。バッテリーケースの実験シミュレーションを行い、バッテリーパックの信頼性設計を向上させる一般的な方法となります。
業界の要求によると、バッテリーパック筐体のシール性はIP6K7等級、さらにいくつかの企業はIP6K9K等級を達成する必要があります。バッテリーパック筐体の密封長さが長いため、一般的に数メートル、密封設計構造が少ないので、そのシール性に注意が必要です。
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バッテリートレイ溶接の熱変形の影響を効果的に防止または軽減するにはどうすればよいでしょうか?
バッテリートレイは、バッテリーボックスまたはPACKボックスとも呼ばれ、新エネルギー車の開発において非常に重要なコンポーネントとしてますます評価されています。バッテリートレイの設計では、重量、安全性、コスト、材料性能などの要素間の関係のバランスを取る必要があります。アルミニウム合金は、密度が低く比強度が高いため、車体の性能を確保しながら剛性を確保できるため、自動車の軽量化エンジニアリングで広く使用されています。
1-バッテリートレイの溶接位置と方法の選定
アルミニウム製のバッテリートレイは押出成形されたアルミニウムプロファイルで作られ、さまざまな部品が溶接によって結合されて完全なフレーム構造を形成します。このような構造は、エネルギー貯蔵パックボックスにも広く使用されています。
バッテリートレイの溶接部分には、通常、底板の接合、底板と側面の接続、側面フレームと水平ビームと垂直ビームの接続、液体冷却システムコンポーネントの溶接、ブラケットや吊り耳などのアクセサリの溶接が含まれます。溶接方法を選択するときは、異なる材料と構造の要件に応じて異なる溶接方法が選択されます。下の表を参照してください。
2-溶接熱変形の影響の分析
溶接は局所加熱加工法です。熱源が溶接部に集中するため、溶接部の温度分布が不均一になり、最終的に溶接構造内部に溶接変形や溶接応力が生じます。溶接熱変形とは、溶接工程中の入熱と出熱の不均一により、溶接部の形状やサイズが変化する現象です。実際のエンジニアリングプロジェクトの経験と組み合わせると、溶接熱変形が発生しやすい部品とその影響要因がまとめられます。
a.長い直線溶接エリア
実際の生産では、バッテリートレイの底板は、一般的に2〜4枚のアルミニウム合金プロファイルを攪拌摩擦溶接で接合して作られています。溶接部は長く、底板と側板の間、底板と間隔梁の間にも長い溶接部があります。長い溶接部は、集中した入熱により溶接領域で局所的な過熱が発生しやすく、熱変形を引き起こします。
バッテリートレイフレーム溶接
b.多成分ジョイント
これは、多成分溶接時の溶接工程中に局所的に高温加熱され、その後冷却されることによって引き起こされます。溶接工程中、溶接部は不均一な入熱を受け、溶接部と周囲の母材との間に大きな温度差が生じ、熱膨張と収縮の影響を引き起こし、溶接部の変形を引き起こします。エネルギー貯蔵パックボックスの電気設備端には通常、水ノズル、配線ハーネスブラケット、ビームなどが装備されており、溶接部は密で変形しやすいです。
溶接が集中する部分では、パレットの前面が歪んで変形している
c.コールドプレートチャネル側壁
液冷プレート一体型設計のバッテリートレイでは、薄板やパイプ構造など構造剛性の小さい部品は溶接時の熱変形に十分耐えられず、変形しやすくなります。たとえば、液冷プレートの流路の側壁は非常に薄く、通常はわずか2mm程度です。モジュール取り付け面の梁、ワイヤーハーネスブラケットなどの部品を溶接すると、流路の側壁に亀裂や変形しわが発生しやすく、全体の性能に影響を与えます。
ビーム溶接による液体冷却チャネル壁の熱亀裂欠陥
3-溶接熱変形制御方法
a. セグメント溶接、両面溶接
強度要求が比較的低い部品については、分割溶接を採用し、溶接工程を複数の小セクションに分割します。溶接部は対称的に配置され、構造セクション内の中立軸付近で溶接部が対称的に配置され、溶接部による変形が互いに相殺されます。同時に、溶接部の長さと数を最小限に抑え、溶接部の過度の集中や交差を避けることで、溶接温度勾配を下げ、溶接変形を減らすことができます。底板、底板、側枠など、強度要求が高い部品については、両面溶接を採用して強度を高め、大きな部品や長い溶接部による曲げ変形を減らします。
b.溶接シーケンスの最適化
溶接変形を制御し、剛性の低いジョイントを使用し、2 方向および 3 方向の交差溶接を避け、高応力領域を避けます。溶接シーケンスを最適化し、剛性の弱い領域を最初に溶接し、剛性の高い領域を最後に溶接します。たとえば、最初に隅肉溶接を溶接し、次に短い溶接、最後に長い溶接を溶接します。最初に横方向の溶接を溶接し、次に縦方向の溶接を溶接します。適切な溶接シーケンスにより、溶接変形を効果的に制御し、それによって溶接寸法を制御できます。
c. 溶接パラメータの調整
溶接パラメータとプロセスを制御し、溶接速度、溶接層数、各溶接部の厚さを適切に設定します。より厚い溶接部の場合は、多層および多チャンネル溶接法を使用し、各溶接層の厚さは4mmを超えてはなりません。多層溶接は構造微細構造を減らし、接合部性能を向上させることができます。溶接パラメータを正確に制御し、溶接電流、電圧、電極モデル、溶接速度などのパラメータを適切に選択して、溶融池の形状とサイズの一貫性を確保し、不適切なパラメータ選択によるエラーを回避します。
d.溶接技術の向上
溶接作業者の操作スキルを向上させ（厳しい要件のある大型部品やノードには機械加工を使用）、溶接中の動作の一貫性と標準化を確保し、人的要因による寸法の問題を軽減します。
ご参考になるために、定期に熱設計及び軽量化に関する技術と情報を更新させていただきます。当社にご関心をお持ちいただき、ありがとうございます。
アルミニウム合金が液体冷却プレートとラジエーターの第一選択材料となった理由：アルミニウム合金の熱伝導率の原理の分析
アルミニウム合金は、業界で最も広く使用されている非鉄金属構造材料であり、特に材料の熱伝導率が大きな懸念事項となるシナリオや、電子機器の放熱、電気自動車の三電源放熱、バッテリーエネルギー貯蔵システムなど、効率的な熱伝導が求められる状況で使用されています。放熱と航空宇宙の分野では、通常、ラジエーター、熱伝導プレート、電子部品などの効率的な熱伝達装置の製造に使用されます。
熱伝導率は、熱伝導率とも呼ばれ、材料の熱伝導率を特徴付けるパラメータ指標です。単位時間、単位面積、および負の温度勾配あたりの熱伝導を示します。単位はW/m·KまたはW/m·℃です。アルミニウム合金は、アルミニウムと他の金属で構成される合金材料です。その熱伝導率は非常に優れており、熱伝導係数は通常140〜200W /（m·K）です。地殻に最も多く含まれる金属であるアルミニウムは、熱伝導率が比較的低く、高さが高く、密度が低く、価格が安いため好まれています。
1-アルミニウム合金材料の熱伝導原理
材料の隣接領域に温度差がある場合、接触部分を通じて高温領域から低温領域に熱が流れ、熱伝導が発生します。金属材料には多数の自由電子があります。自由電子は金属内を高速で移動できるため、熱をすばやく伝達できます。格子振動は金属の熱伝達のもう1つの方法ですが、自由電子伝達方法と比較すると後回しにされます。
金属と非金属の熱伝導方法の比較
2-アルミニウム合金の熱伝導率に影響を与える要因
a.合金化は熱伝導率に影響を与える主な要因の 1 つです。合金元素は固溶体原子、析出相、中間相の形で存在します。これらの形態は、空孔、転位、格子歪みなどの結晶欠陥をもたらします。これらの欠陥により、電子散乱の確率が高まり、自由電子の数が減少し、合金の熱伝導率が低下します。異なる合金元素は、Al マトリックスに異なる程度の格子歪みを生じさせ、熱伝導率に異なる影響を及ぼします。この違いは、合金元素の価数、原子体積の違い、核外電子配置、凝固反応の種類など、複数の要因の結果です。
b.熱処理は、アルミニウム合金の加工において非常に重要なステップです。アルミニウム合金の微細構造と相変態を変えることで、その熱伝導率に大きな影響を与えることができます。固溶体処理は、アルミニウム合金を特定の温度に加熱してマトリックス内の溶質原子を完全に溶解し、その後急速に冷却して均一な固溶体を得ることです。この処理により、材料の機械的特性が向上しますが、通常、熱伝導率は低下します。時効処理は、固溶体処理後の適切な冷間変形と再加熱によって行われ、合金の微細構造を最適化し、全体的な性能を向上させることができます。時効処理では、合金の機械的特性と熱伝導率を考慮しているため、合金は高い強度を維持しながら、優れた熱伝導率も備えています。アニーリングは、合金を低温に維持して合金内の第2相を析出させて再分配することにより、合金の微細構造を改善します。アニーリング処理は、アルミニウム合金の可塑性と靭性を向上させることができますが、熱伝導率への影響は具体的な状況によって異なります。
Al-Cu合金の老化過程における結晶構造変化の模式図
c.その他の要因の影響、不純物、第2相粒子：アルミニウム合金中の不純物と第2相粒子（酸化物、炭化物など）は、ホットキャリア（電子とフォノン）を散乱させ、熱伝導率を低下させます。不純物含有量が多いほど、第2相粒子は粗くなり、一般的に熱伝導率が低くなります。アルミニウム合金の粒径も熱伝導率に影響します。一般的に、粒径が小さいほど、粒界が多くなり、熱伝導率が低くなります。また、アルミニウム合金の加工方法（圧延、押し出し、鍛造など）は、その微細構造と残留応力状態に影響を与え、それによって熱伝導率に影響します。加工硬化と残留応力は熱伝導率を低下させます。
要約すると、アルミニウム合金は高熱伝導性材料として理想的な選択肢です。アルミニウム合金の合金元素の種類とその形状、熱処理方法、不純物、結晶粒度、成形方法などの要因はすべて、アルミニウム合金材料の熱伝導性に影響します。材料組成とプロセス計画を設計する際には、総合的な考慮が必要です。
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浸漬液体冷却エネルギー貯蔵Packボックス構成設計のポイント
エネルギー貯蔵浸漬液体冷却技術は進んだバッテリー冷却方法であり、液体の効率的な伝熱の特性によりバッテリーに対する快速、直接、充分な冷却を達成し、バッテリーが安全、効率的な周囲で稼働できるようにしている。その基本原理として、エネルギー貯蔵バッテリーを完全に絶縁、無毒、放熱力のある液体浸漬する。この技術は液体により直接にバッテリーと接触して熱交換を行って快速的にバッテリーが充放電の過程に生じた熱を吸収し、外部循環システムに連れて冷却する。
個別浸漬液体冷却エネルギー貯蔵システムの原理図
浸漬液体冷却エネルギー貯蔵Packボックスはバッテリーセルが適切な周囲で稼働することを負荷、保障するためのバッテリーパッケージのキーとなる部品として、主にバッテリーパッケージ及びクーラントの負荷、安保、伝導及び熱交換などの機能を担当する。よって、システムの効率的、安全及び信頼可能な稼働を確保するために、ボックス構成の設計で密閉性、冷却効率、安全性、材料選択及び加工プロセスなどについて包括的に検討しなければいけない。それに、ボックス構成の設計は液体冷却システムの全体の基礎である。
1-均一的な負荷
浸漬液体冷却エネルギー貯蔵Pack下ボックスは底板及び側板からなり、底板が基礎的支持であり、側板が底板の周りに締め付けられ、共にボックスのメインフレームを構成する。ボックスの寸法について包括的に液体冷却システムの全体上の需要及び荷重を考えに入れて調整を行い、大寸法ボックスの設計で適切に内部仕切り板またはプロセスの構成を設置でき、大空間を複数の小空間にし、応力面積を増やして均一負荷力を向上させるが、内部構成でサポートリブ及び補強リブを増やして局部の負荷力を向上させることができるし、ボックスの内部に均一負荷構成を設置して各角の負荷のバランスを図ってもいい。
それと同時に、均一負荷性に対する可塑性変形の影響を低くするために、高さの異なる加工面を同一の平面に設計すると、工作機械の調整回数を少なくしたり、異なる高さによる変形を避けたりすることができる上、ボックスの幅または高さを向上させて荷重を分散させたり、変形を少なくしたりすることもできる。
また、液体冷却流路とボックス底板の一体化設計は摩擦撹拌接合またはレーザー溶接で合わせを完成し、この設計が有効に全体構成の強度を向上させることができる。
個別浸漬液体冷却エネルギー貯蔵Pack下ボックスの構成図
2-熱交換設計
伝熱力は浸漬液体冷却エネルギー貯蔵技術の重要なプロセスであり、バッテリーが高温周囲で有効に放熱して性能及び安全性を確保することができることに設計の目標を置く。
ボックスの材料は高い伝熱性能がなければいけなく、常用の材料にアルミ合金、銅、アルミニウム母材複合材がある。ボックスの設計について周囲温度変化の影響を考えに入れ、適当な厚さの保温層によりボックス内部の温度が一定の領域にあるようにしてシステムの全体的効率を向上させることができる。
ボックスの構成に関する設計はその伝熱力に直接な影響を与え、適切な流路設置により液体がボックス内部でスムーズに流れ、最大限で接触面積を増やすことを確保でき、ボックスの伝熱力を向上させるための主な対策である。クーラントの循環経路を増やして放熱効果を向上させるために、ボックスの内部に複数の流路を設置してもいい。
ソリューション1 全浸漬+個別+パネル交換 ソリューション2 全浸漬+個別+ボックス交換
液体冷却システムは冷媒、伝熱構成、液体冷却管路及び支持構成を含む。
ソリューション1では、同種または異種のクーラントを選んで各々液体冷却パネル流路チャンバー及びボックスの空チャンバーに充填し、チャンバーの2つが密閉されていて、通じ合っていない。ボックスの空チャンバーで、クーラントがバッテリーモジュールを浸漬し、充分に接触させ、冷却して流れなく、液体の伝熱性が上手であるという特徴を利用してバッテリーの表面にある熱量を吸収し、温度の向上を抑える。液体冷却パネルでは、クーラントが入水集管で複数の流路に分けられて冷却パネルに入り、出水集管に集まって流れ出て、主に熱を持って行き、放熱を達成することを担当する。
ソリューション2では、温度の低いクーラントが下または側面から流れ込み、温度の高いものが上から流れ出て、クーラントがバッテリーパッケージの内部で循環して流れ、有効、均一的に熱を分配したり、全体的冷却効率を向上させたり、バッテリーセルまたはバッテリーパッケージの温度の一致性を保ったりすることができる。
より一歩に冷却効果を向上させるために、多種の最適化対策（液体流量及び循環方法の最適化、高熱容量のクーラント選択及び液体の温度分布に対する改善など）を講じることができる。これらの対策は熱の集まり及びエネルギーの損失を削減し、バッテリーが効率的な冷却状態で稼働することを確保できる。
3-シール設計
液体冷却packボックスにとって、進んだシール材及び構成で全密閉設計を行い、密閉設計について気密性の上、液体媒質の密閉も考えに入れ、バッテリーユニットがどの方向にも漏れがないようにしなければいけない。
設計について具体的な応用の需要に応じて適切な密閉形式及び形状の上、シールの漏れ自由度、耐摩耗性、媒質及び温度互換性、低摩擦などを考えに入れ、詳細な仕様に従って適切なシール種類及び材料を選択しなければいけない。
なお、溶接プロセスの選択はシール性能に与える影響もとても大きく、材料及び厚さに応じて適切な溶接方法を選択すると、有効に溶接継ぎ目の品質を向上させ、システムの全体的強度及び密閉性を確保できる。
個別浸漬液体冷却エネルギー貯蔵Pack下ボックスの完成品のイメージ
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液体冷却パネルの工程における流路汚染のリスク及び洗浄制御技術
様々な電子・電力製品の電力密度及び発熱量の途切れない向上に伴って、放熱は日増しに深刻な挑戦に直面していて、液体冷却関係のソリューションが効率的放熱性能、低いエネルギー消費、低い騒音及び高い信頼性などによりソリューションの主流となっている。
液体冷却ソリューションは液体冷却パネルをバッテリーパッケージ（他の熱源）と貼り合わせ、内部で循環させ、冷却剤が熱源の稼働による熱を持って行き、当該熱が冷却回路の1つまたは複数を通じて熱交換及び伝熱を行い、最終にエネルギー貯蔵システムの熱を放出する。
液体冷却ソリューションのコアコンポーネントとして、液体冷却パネルは効率的放熱コンポーネントであり、主な機能がクーラントの循環によりバッテリー（他の熱源）の稼働からの熱を持って行き、機器が安全な稼働温度範囲で稼働ようにする。液体冷却パネルの流路が汚染された場合、クーラントの流れの均一性が妨害され、大きすぎる顆粒の異物がクーラントの塞がれることまたはスムーズではない流れにつながるので、熱が有効に伝達できなくなり、電子機器の放熱効率及び全体的性能が妨害される。
また、流路に異物があると、金属壁面の酸化保護膜の破壊、液体冷却パネルに対する腐食または侵食につながる。なお、流路にある異物がコンポーネントの接触不良及びシールの劣化または損壊につながるので、漏れの恐れがあり、システムの長期にわたる安定な稼働に影響を与えるものである。
1-液体冷却パネルの流路の清潔さに関する要求
一般的に、現在のエネルギー貯蔵液体冷却ボックスに関するソリューションは水道に異物、アルミのくず、油及び液体などがないことと要求されていて、少数のソリューションに異物の具体的な質量、硬質・軟質顆粒の大さについて明らかな要求を示す。
2-液体冷却パネルの製造工程に流路が汚染されるリスクの高いプロセス
冷却パネル系部材の加工工程に、内部流路及び冷却インタフェース構成は加工工程が切断及び流路切りを含み、油、切削クーラント及び機械加工の切りくずなどの異物が極めて流路に入りやすく、切削加工部が流路口にあるので、防護し難く、切りくずが入ってから除去され難い。
冷却パネル・流路パネルの加工が完了すると、溶接でブロッキングストリップ及び蛇口を閉鎖された流路に加工し、流路の構成が一般的に非直線構成であるので、洗浄上のデッドゾーンがある。
冷却パネルを溶接してから機械加工の過程に大量の切削クーラントでツール及びワークに対する冷却を行い、大量の金属切りくずが生じる。このプロセスに極めてクーラントや切りくずなどの汚染物を引き込みやすく、切りくずが入ってから徹底的に除去し難く、流路汚染のリスクの高いプロセスでもある。
3-液体冷却パネル流路の洗浄と保護
液体冷却パネルコンポーネントの信頼性と性能を確保するために、徹底的洗浄を行うのが普通である。高圧ウォーターガン洗い流しで液体冷却パネルの内部流路を洗い流し、存在のおそれのある残渣、顆粒または他の異物を除去する。流路に残った水がないように、内部流路を洗い流してから液体冷却パネルのコンポーネントを乾燥させなければ行けない。
冷却パネルなどの液体冷却部材は工程中に適切に保護されなければ汚染されやすい（冷却パネル機械の加工過程における金属切りくず、油及び切削クーラントなどの汚染）。それと同時に、冷却パネルの流通過程にも異物が極めて入りやすい。流路口に対する保護策（防塵ステッカー、蛇口ゴムスリーブなど）を検討するのは普通である。
よって、冷却パネル内部流路に対する洗浄は流路汚染の除去及び流路清潔さの向上のための必要な対策となる。実際な生産で全過程の予防と制御が必要である。その上、具体的な部材及びプロセスについて汚染対策を講じなければ有効に冷却パネル流路内部の汚染を制御できない。
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バッテリーエネルギー貯蔵用の下部ボックスのテーラー溶接のプロセスの設計
バッテリーエネルギー貯蔵用のバッテリーボックスはエネルギー貯蔵システムでとても重要であり、その重要な機能が負荷保護、伝熱・温度の均一化、電気工事及び防水シールなどを含む。バッテリーのエネルギー密度に対する需要の途切れない向上に伴って、更に高い伝熱性能及び低い密度を備えるアルミ合金材料を利用することはバッテリーシステムの効能を向上させるための有効な解决ソリューションとなっている。
流路とボックス側壁との一体化成型の設計にすると、キーとなる負荷部の溶接作業が不要となるので、全体的構成強度を向上させ、静的負荷、持ち上げ及びランダムの振動など多種の場合に構成の安全と安定性を保ち、決まった程度でボックスの気密性表現を改善できる。
また、一体化設計は部品数量及びボックス重量の削減に役に立ち、押し出し成型技術で製造を行う場合、型開きコストが低く、加工に便利であり、直しやすいので、柔軟に異なるバッチに対応できる。
1-アルミの押し出しテーラー溶接エネルギー貯蔵下ボックスの主な区分
普通、エネルギー貯蔵用液体冷却下ボックスは幅が790～810mm、高さが40～240mmにあり、フラット系及びフランジ系（下図）に分けられ、長さがエネルギー貯蔵製品の容量などに関わり、汎用ソリューションに48s、52s、104sなど多種の仕様がある。
フラット系液体冷却下ボックス
フランジ系液体冷却下ボックス
2-アルミ押し出しテーラー溶接エネルギー貯蔵下ボックスの構成
液体冷却下ボックスはバッテリーパッケージ全体の基礎的構成であり、流路付きの底板、ブロッキングストリップ、蛇口、フレーム、梁、ブラケット及び懸吊バンドなどがテーラー溶接されて矩形の枠構成となり、すべての部品がアルミ合金製である。
液体冷却下ボックス部品組み立てのイメージ
液体冷却下ボックスは十分な負荷力及び構成強度が必要である。実際な応用中の安全性及び信頼性を確保するために、高い溶接品質（溶接技術、溶接等級管理及び溶接技師の技能などを含む）が必要である。
液体冷却技術は液体冷却ボックスの気密性に対する要求（下ボックス及び液体冷却流路の気密性を含む）が高く、液体冷却流路がクーラントの流れの圧力も受けるので、液体冷却流路の気密性に対する要求が更に高い。
3-溶接品質に対する要求
普通、液体冷却底板は摩擦撹拌接合による溶接が必要であり、フラット系液体冷却下ボックスのプラグにも摩擦撹拌接合による溶接が必要である。普通、摩擦撹拌接合は縫い目の凹みが0.5までであり、落ちまたは振動の場合の落ちられる金属異物が認められない。
普通、液体冷却流路、フレーム、蛇口、懸吊バンド、梁及び部品などはTIG溶接またはCMT溶接を利用する。部品性能に対する需要に応じて、液体冷却流路、フレーム、蛇口及び懸吊バンドなどに完全溶接を行うが、梁及び部品などにセクション溶接を行う。前バッテリーモジュール梁エリアは平面度がシングルモジュールの場合に1.5mm以下、全体平面度が2mm以下、フレーム平面度がシングルフレームの長さが500mmごとに増加する場合に±0.5にある。
溶接継ぎ目は表面における割れ目、未貫通溶接、未融合溶接、表面気孔、露出したスラグ含有物及び不完全溶接などが認められなく、蛇口の溶接継ぎ目の高さが6mmまでであり、他所の溶接継ぎ目がボックスの下表面を超えなく、前後モジュール梁の内側溶接継ぎ目が内側面を超えないことが一般的な需要である。
溶接継ぎ目は溶込みが関係の規格を満たし、アーク溶接で溶接されたコネクタは引張強さが少なくとも母材の引張強さの最小値の60%にあたり、レーザー溶接及び摩擦撹拌接合で溶接されたコネクタは引張強さが少なくとも母材の引張強さの最小値の70%にあたること。
また、下ボックスの溶接が気密性IP67の基準を満たすことも必要であるので、溶接後の仕上げについて、前後モジュール梁エリアにおける溶接スラグ及び溶接継ぎ目が平になるまで研磨し、トレイ外部溶接部に対する研磨が認められなく、密封面の溶接部が平になるまで研磨し、フレームとの間に顕著な段差がないようにすること。
表：エネルギー貯蔵系素材合わせ液体冷却下ボックスのプロセス選択及び代表的な応用
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矩形ストレートリブヒートシンクの設計
ヒートシンクは役割が決まった体積空間で更に広く伝熱面積を取得し、構成・形状の改善によりその表面から周りの流体までの伝熱効率を向上させ、表面処理などにより有効伝熱面積を広くて放熱強化及び温度制御の目標を達成することにある。
体積電力密度及び熱流密度に関する需要が高くないアプリケーションシナリオで、矩形ストレートリブヒートシンクは簡単な構成、適切な製造コスト及び優れた放熱性能などによりエンジニアに喜ばれている。
さまざまな伝熱方法の比較
1-ヒートシンクフィンの設計
ヒートシンクは放熱拡張面であり、主にフィンの高さ、形状、間隔及び基板の厚さなどのパラメータに関わる。
プレートフィンヒートシンクの寸法
上図によりヒートシンクの拡張面積を算出できる：
個別フィンの面積：
Af = 2L（h+t/2），
隙間のところの面積：Ab= Lh，
放熱部の総面積：At=nAf +(n±1）Ab（n：フィン数）
フィンの断面図
プレートフィンは主な役割が表面積の増加により伝熱効率を向上させることにある。ヒートシンクフィンは間隔、厚さ及び高さがヒートシンクフィンの数量、分布及び展開面積を決めるための重要な要素である。上図の通りに、h↑またはt↓の場合、フィンが更に高く、更に薄く、更に密であると、放熱拡張面積は更に広くなる。
プレートフィンは表面積が広くなる場合、空気との接触面積も広くなり、熱が更に容易に放出されるようになる。フィンの形状（波状やギザギザなど）に対する最適化によりより一歩にヒートシンクの拡張面積を広くすることもできる。
プレートフィンは表面積が広ければ広いほど放熱効果がよくなるが、プレートフィンが大きければ大きいほどよくなると一方的に考えては行けない。自然放熱も強制冷却も問わず、ヒートシンクフィンの間隔はその表面を流れる空気伝熱係数を決める上の重要な要素である。
間隔と高さが放熱効率に与える影響
自然放熱の場合、ヒートシンクの壁面で表面の温度変化により自然対流が生じ、フィン壁面の空気層（境界層）流を形成し、フィン間隔が小さすぎると、順調な自然対流が妨害される。強制冷却の場合、フィンは境界層の厚さが圧縮され、間隔が相対的に狭くなるが、加工手段及びパワー部品の駆動力の影響により、小さすぎるといけないので、実際な設計でフィンの厚さと高さとのバランスが非常に重要である。
2-ヒートシンク基板の設計
ヒートシンクは基板の厚さがヒートシンクの効率に影響を与える重要な要素であり、薄い場合、熱源から遠ざけるフィンに伝達する熱抵抗が大きく、ヒートシンクにおける不均一な温度分布につながり、熱衝撃耐力が弱い。
基板を厚くすると、不均一な温度分布を改善し、ヒートシンクの熱衝撃耐力を向上させることができるが、基板が厚すぎると、熱の累積につながるので、伝熱力が逆に低くなる。
ヒートシンクの稼働原理図
上図の通りに、熱源面積が底板の以下にある場合、熱が中心から縁部へ広がり、拡張熱抵抗が形成する。熱源の位置は拡張熱抵抗にも影響がある。熱源がヒートシンクの縁部に近い場合、熱量が更に容易に縁部を通じて伝導していき、拡張熱抵抗が小さくなる。
注：拡張熱抵抗とはヒートシンクの設計で熱が熱源の中心部から縁部へ広がる過程に遭遇する抵抗のことである。この現象は通常に熱源面積と底板面積との差が大きい場合に発生し、熱が小さなエリアから大きなエリアへ広がる。
3-フィンと基板との連結プロセス
両者間の優れた伝熱及び機械的安定性を確保するために、ヒートシンクフィンと基板との連結プロセスは通常に多種の方法に関わり、主に一体成型及び非一体成型という２種に分けられる。
一体成型のヒートシンクはヒートシンクフィンとヒートシンク基板が一体であり、接触熱抵抗があり、関係のプロセスが主に下記のとおりである。
l アルミのダイカスト成型：アルミの塊を液態に溶けてから高圧で金型に充填し、ダイカストマシンで直接にダイカスト成型を行ったヒートシンクで複雑な形状のプレートフィンを製造できる。
l アルミの押し出し成型：アルミを加熱してから押出バレルに入れて決まった圧力を与え、所定のダイ穴から流れ出るようにして所要の断面形状及び寸法の粗形材を取得し、切断や仕上げなどのより一歩の加工を行う。
l 冷間鍛造処理は長所が細く、密なヒートシンクフィンを作り出すことができ、素材の伝熱係数が高く、異型処理力が押し出しより優れることにあるが、コストが高い。
l シャベルトゥースヒートシンクは銅製であってもよく、伝熱係数が高く、フィンが非常に細く、密であってもよく、フィンが直接にカッターで基板からすくい取られるので、フィンが高く、長い場合、フィンが応力の影響により変形しやすい。
非一体成型はヒートシンクフィン及びヒートシンク基板が各々加工され、ヒートシン溶接、リベット留めまたは継ぎ合わせなどにより結び合わせる。
l 溶接：ヒートシンクフィンと基板ははんだ付け（高温ろう付け及び低温はんだペーストはんだ付け）により結び合わせる。
高温ろう付けは伝熱性能が上手であり、はんだペーストはんだ付けでAl基板及びプレートフィンを連結させる場合、早期ニッケルメッキが必要であるので、コストが高く、 大寸法のヒートシンクに適しなく、ろう付けはニッケルメッキが不要であるが、溶接コストが相変わらずとても高い。
l リベット留め：ヒートシンクフィンを基板の溝に差し込んでから金型で溝を中間に押し出してしっかりと放熱ヒートシンクフィンを抱きしめさせてしっかりとした堅牢な結合を達成する。
リベット留めは伝熱性能が上手であるが、リベット留めされた製品が繰り返して使用されてから隙間及び緩みにつながる。リベット留め技術の改善により信頼性を向上させることができるが、コストも相応しく向上するので、リベット留めされたプラグインヒートシンクが常に信頼性に関する要求があまり高くない場合に用いられる。
l 継ぎ合わせ：一般的に、伝熱できるエポキシ樹脂で放熱ヒートシンクフィンと基板をしっかりと継ぎ合わせて伝熱する。
継ぎ合わせは伝熱できるエポキシ樹脂を利用するので、溶接と比べると、伝熱係数が割合に低いが、フィンの倍率が高く、間隔が小さいヒートシンクに適し、放熱性能に関する要求があまり高くない場合に使用できる。
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1
応用シーン
工況：高熱流密度の状況
典型な応用：顧客定制
取り付け：片側面組立
特性：放熱効果が高い
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流体シミュレーション
ラジエーターと冷板の放熱性能をシミュレーションソフトで解析します。
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応用シーン
プロセス：アルミ型材接合溶接
取り付け：底部液冷
典型な応用：顧客定制
特性：軽量で冷却効果が高い
バッテリー液体冷却
液体冷却システムでは、冷板をバッテリーの底部に直接置いて、またはバッテリーの隙間に差し込みます。
押出アルミ合金製バッテリートレイ
アルミ合金バッテリーケースは、主にアルミ合金型枠とアルミ合金型基板で構成され、系列６の押出型材を用いて溶接されています。溶接強度と密封性を保証するために、常に低応力変形の小さい攪拌摩擦溶接を選択しています。アルミ合金型材に適用できる標準部品はワイヤナット、抜けカシメナット、カシメナットがあります。
新エネルギー車(EV)
新エネルギー車とは非通常車両の燃料を動力源として使う車です（或いは従来の車両用燃料と新しい車両用動力装置を使います）車両の動力制御やお運転面において先進技術を統合し、新しい技術や仕組みで先進的な原理を形成している車です。
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DFMの最適化提案
潜在的な生産過程でのミスや欠陥を減らし、製品が設計要求の品質基準を満たすことを保証します。
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応用シーン
工況：高熱流密度の状況
典型な応用：顧客定制
取り付け：片側面組立
特性：放熱効果が高い
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応用シーン
プロセス：アルミ型材接合溶接
取り付け：底部液冷
典型な応用：顧客定制
特性：軽量で冷却効果が高い
技術とビジネストレンド
クリーンエネルギーの使用：
気候、環境、資源、エネルギーは国民の生活に深く関わっています。これらの問題に対処することが人類社会のサステナビリティを決定します。エネルギー不足と環境汚染のストレスの下で、エネルギー貯蔵バッテリー自動車と燃料バッテリーの二つのロードマップが新エネルギー自動車産業の発展の主な方向となっています。
自動車の軽量化：
エネルギー消費量の75%は車両の重量と関係があることを考えると、軽量化は新エネルギー車の省エネ、節減、行程向上の重要な技術手段であり、軽量化設計は自動車のエネルギー消費を低減するための重要な駆動要素の一つです。軽量化の新しい材料の使う、構造の最適化、プロセスの改善が自動車の軽量化のクリティカルパスです。
熱管理：
エネルギー電動自動車について、急速充電と航続距離の向上には熱管理が重要な技術となります。
水素燃料電池自動車にとって、水と熱管理は燃料電池パワートレイン研究開発の重要なコア技術であり、自動車パワートレインの性能、安全、寿命に決定的な影響を与えます。
チップ冷却
通常は外気を熱沈として使い,チップの操作で発生した熱を,異なるばいしつやインタフェースでラジエータに伝え,放熱します。
マルチユニットパワートレインケース
高度な集積によって電気駆働システムの低減と減量を実現しました。国内外の主流車企業の電気駆働システムには、三合一、四合一、六合一、七合一、八合一など、様々な集積形式があります。
新エネルギー車のパワートレイン分野について、Walmateは電気制御、モーター、自動車制御装置、減速ボックス、充電などの製品を一体化した新エネルギー車のドライブトレイン構成部品を開発・製造しました。
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製品のテスト
カスタムテストプログラムを提供し、お客様のご要望にお応えします。
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応用シーン
工況：高熱流密度の状況
典型な応用：顧客定制
取り付け：片側面組立
特性：放熱効果が高い
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応用シーン
プロセス：アルミ型材接合溶接
取り付け：底部液冷
典型な応用：顧客定制
特性：軽量で冷却効果が高い
電子制御ラジエーター
IGBTは、自動車の電気駆動の効率、電力密度、信頼性に主導的な役割を果たす、新エネルギー自動車の駆動モーターのコアデバイスです。新エネルギー自働車用電気制御システムの主な発熱机器はインバータで、バッテリーの直流をモータを駆働する交流に逆変換します。この過程で、インバータの中のIBGTは大量の熱を発生して、その働作の熱安定性は電気駆働システムの性能の高さを評価する鍵になります。
水素燃料バッテリー車の冷却システムの記述
要旨：水素燃料バッテリーは、プロトン交換膜燃料電池(PEMFC)とも呼ばれ、その高効率、ゼロエミッション、ゼロ汚染の利点から、電気自動車の充電ステーション、自動車、その他の発電施設で広く使用されています。水素燃料バッテリー車は運転中に従来の燃料バッテリー車の3 ~ 5倍の熱を排出します。本稿では、現在の水素燃料バッテリーの放熱に関する技術について簡単に紹介します。
1‐水素燃料電池の仕組みです
水素燃料バッテリーは運転中に大量の熱を放出し、電気化学反応熱が約55%、不可逆電気化学反応熱が約35%、ジュール熱が約10%、凝縮熱と各種の熱損失が約5%を占めます。水素燃料バッテリーは電気エネルギーと同じ熱量を生み出します早く散逸しないと、バッテリー内部の温度が著しく上昇し、寿命に影響が出ます。
2-水素燃料バッテリーから放熱する
水素燃料バッテリー車は、燃料自動車に比べて発熱量が高く、システムが複雑です。また、水素燃料バッテリーは動作温度の制約のため、外部との温度差が小さく、放熱システムからの放熱がより困難になります。水素燃料バッテリーの動作温度は流体流動抵抗、触媒活性、炉効率、安定性に大きな影響を与えるため、効率的な放熱システムが求められます。
液冷技術は現在、水素燃料バッテリーの自動車への応用の主流技術です。システムの電圧降下を低減することでポンプの電力消費を低減し、水素燃料バッテリーにおける余分な熱を最小限の電力消費で抑え、循環作動流体流路の分布を最適化することで内部温度差を低減し、バッテリー温度分布の均一性を高めることを目指しています。
水素燃料バッテリーで発生する熱の90%は熱伝導と対流によって放熱系によって取り除かれ、10%は放熱によって外部環境に分散されます。従来の放熱には、空気冷却、液体冷却、相転移冷却などがあります。
3-PEMFCシステムの熱伝導
3.1バッテリーヒープ放熱
PEMFC内部で熱が発生すると、PEMFC内部のさまざまな部品や外部環境の間を熱が伝わります。燃料バッテリーヒープ内部の熱伝達は、主に各部品の熱抵抗と異なる部品間の接触熱抵抗に依存します。ガス拡散層は主要な発熱部品(膜電極)と主要な放熱部品(双極板)をつなぐ「架け橋」であるため、その熱抵抗と他の部品との接触熱抵抗の大きさがPEMFC内部の伝熱性能に大きな影響を与えます。さらに、異なる部品間の接触熱抵抗は燃料電池ヒープ内部の熱伝達に大きな影響を与えます。
3.2 クーラント熱伝導
燃料バッテリーの冷却には、空気冷却、液体冷却、相転移冷却などがあります。
冷却材の熱伝達に影響を与える要因には、PEMFCヒープ端、冷却材自体、放熱器端などがあります。冷却材はPEMFC炉端部のバイノーラルプレートと直接接触しているため、冷却材流路構造が伝熱に大きな影響を与えます。また、冷却剤の性質も熱伝達プロセスに影響を与えます。使用可能なスペースの不足を考慮し,より熱容量の大きい冷却材を選ぶことで放熱器を小型化し,PEMFCの熱管理性能を向上させることができます。そのため、新しい高効率冷却剤の需要がますます高まっている。
熱設計と軽量化に関する技術と情報を定期的に更新し、ご参考までにご共有します。Walmateをフォローして頂きありがとうございます。
放熱器加工と熱設計の挑戦
電子機器の小型化がますます進む一方で,より多機能・高性能化のニーズがパッケージレベルの外形寸法の縮小に拍車をかけ,電力密度が急速に高まっている。
チップ実装プロセスとTDPです
装置の小型化はコスト削減の観点から来ており、放熱ソリューションは直接製品の重量、体積、コストを増加させ、何の機能効果もありませんが、製品の信頼性を提供します。部品の温度を一定の範囲内に抑えることは、ある設計の許容範囲を決める通行基準であり、効率的な放熱は、電子製品の安定的な運転と長期的な信頼性にとって重要です。
一方で、装置が小型化した結果、設計マージンが少なくなり、過剰な設計への耐性が低下しています。一方、小型化の全体的な傾向はますます乱雑で復雑な幾何学モデルを生み、製品中の机械成分と電子成分の緊密な集積を深め、その結果、流働空間が大幅に圧縮され、対流放熱の範囲を制限し、熱設計の中心物質である放熱器の構造がより復雑になった。
放熱器は電子設備の熱設計で最もよく使われる放熱強化部品で、その強化原理は熱交換面積を増やすことで、設計時一般に発熱源の熱流密度、発熱部材温度要求、製品内部空間寸法、放熱器の取り付け及び外観設計などの要求を考慮しなければなりません。
放熱器の性能の表現は材質、幾何学寸法、底の平面度、熱抵抗、表面処理、取り付け締付方式と作業環境の温湿度などの多くの要素の影響を受けます。
1-放熱器の材質
放熱器の主の材料は：アルミニウム、アルミ合金、銅、鉄など。アルミニウムは自然界の中で最も豊富な金属元素を貯蔵して、しかも質量が軽くて、抗腐食性が強くて、熱伝導率が高くて、非常に放熱器の原材料として適します。アルミニウムの中でいくつかの金属を加えてアルミニウム合金を形成して、大幅に材料の硬度を高めることができます。グラファイトは、金属材料としての導電性や熱伝導性、有機プラスチックのような可塑性を持ち、電子や通信、照明などへの応用が進んでいます。
2-放熱器製造のプロセス
放熱器の加工プロセスは主にCNC、アルミ押出し、二番取り、などがあります
アルミ押出し：アルミ押出し型の放熱器はアルミ錠を460℃ぐらいまで加熱して、高圧の下で半固体アルミニウムを流れさせて溝のある押出しの金型、放熱器の初期形状を押し出して、その後更に切断と加工を行います。アルミ押出しのプロセスは正確に放熱器の平面度などの寸法要求を保証できないので、通常は後からさらに再加工の必要が有ります。
二番取り：二番取りは、長いストリップの金属板(通常はアルミニウム合金や銅合金)を、二番取り加工機を使用して特定の角度で材料を切断してスライスし、補正を行い、繰り返し切削して、配列されている翼の構造を形成します。
歯を挿し：歯を挿して放熱器の加工は歯片をラジエータ基板の中に挿入するので、ゴム溶接、ロウ付けやプレスなどの方式を利用して歯片と下地を接続します;歯を挿して放熱器の歯片と基底結合は非常に重要で、もし処理を誤ると、一定の接触熱抵抗を形成して、放熱性能に影響を与えることがあります。
３-放熱器の表面処理
アルミニウム合金は空気中で酸化しやすいです(アルミナ膜を形成)が、このような自然酸化層は緻密ではなく、腐食に強い、汚染しやすい;美しさ、耐腐食性と放熱性能の向上などの要件に基づいて、金属放熱器は表面処理を行う必要があります、一般的な表面処理プロセス:陽極酸化、ブラスト、化学ニッケルめっきやラッカーなど。
陽極酸化：陽極酸化の原理は実質的に水電解で、アルミニウムやアルミニウム合金を陽極にして誘電体溶液の中で、電解作用を利用してその表面にアルミナ薄膜を形成させるプロセスはアルミニウムやアルミニウム合金の陽極酸化処理と呼ばれます;陽極酸化を行った後の放熱器の表面は率を放出して高めて、熱放射の放熱能力が少し増強します;陽極酸化はアルミ/ジュラルミンの色を維持・変化させることができ、ラジエータに多いのは黒の陽極酸化です。
ブラスト：ブラストは圧縮空気を使用して、高速の砂の流れの沖撃作用を利用して放熱器の表面をきれいにすることです。表面への沖撃と切削作用により、放熱器表面の錆皮など一切の汚物をきれいにするだけでなく、製品表面に均一な金属光沢を出すことができます。
化学ニッケルをめっきする：化学ニッケルめっきは、ニッケル合金を水溶液から物体の表面に沈殿させるプロセスです。その特徴は表面の硬度が高くて、摩耗に強い性能、めっき層の均一な美しいことと腐食に強い能力などです;銅とアルミは直接溶接できないため,化学ニッケルをめっきしてからはんだ付けなどで溶接します。
ラッカー：ラッカーは高温(280℃~400℃)を通じてラジエータの表面に特フッ素の高性能の特殊な塗料を添加して、放熱器の表面は粘性がなくて、耐熱性、耐湿性、耐摩耗、耐腐食性などの特徴があります;伝統的な塗装工芸に比べて、美観上と熱伝導性の上でラッカーはすべて優位を占めて、しかし熱管ラジエータは高温のために容易に膨張して変形して、だからラッカーを焼く時特別に低温ラッカーの形式を採用する必要があります。
処理しなければならない電力がますます高まるにつれて、放熱器はヒートパイプ、フィンなどのデバイスと組み合わせて性能のより高い放熱モジュールを構成し始めて、しかも放熱効率のより高い水冷放熱器が現れます。
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新エネルギー車の電気制御システムへのIGBTの応用と放熱技術です
要旨:新エネルギー自働車の電気制御システムの主な発熱装置はインバータで、その役割は電池の直流をモータを駆働する交流に逆変換します。この過程でインバータ内のIBGTが大量の熱を発生させますこれらの設備の放熱問題を解決するために、本記事はインバータの働作原理と先進の液冷放熱技術を紹介します。
1-新エネルギー車の電気制御システムへのIGBTの応用
電気制御システムは、新エネルギー車のバッテリーと駆動モータをつなぐ電気エネルギー変換ユニットとして、モータの駆動・制御の中核を担っています。インバータは高圧のバッテリーと電机の働力を接続して相互に変換する装置で、直流の電気エネルギー(バッテリー、蓄電器)を定周波数定圧または調周波数調圧の交流(普通は220V、50Hzの正弦波)に変換する役割を担います。
電気制御システムの構成図
インバータの中でIGBTパワーモジュールはこの過程でとても重要な役割を果たして、エネルギー変換の過程でIBGTは大量の熱を発生して、IGBTの温度が150℃を超える時、IGBTは作用を発揮できないので、風冷または水冷の放熱装置を使用します。IGBTの動作の熱安定性は電気駆働システムの性能の高さを評価する鍵になります。
インバータ仕事の原理
電気制御システムのほかに、IGBTは新エネルギー車の中の車上空調制御システム、充電杭システムも広く応用があります。
電気自働車や充電ポールなどのコア部品として使われています。IGBTモジュールは電気自働車のコストの約10%、充電杭のコストの約20%を占めており、その動作の熱安定性が電気駆働システムの性能の高さを評価する鍵となっています。
２-IGBT液冷放熱技術
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貯蔵バッテリーパックの冷却性能のシミュレーションと液冷板流路の最適化です
1-前書
エネルギー貯蔵システムは、電力網のバランス、新エネルギーの利用効率などの面で重要な役割を果たしており、世界のエネルギー発展と変革を主導する力となっています。電気化学エネルギー貯蔵技術が成熟して、建設期間が短くて、電力とエネルギーは応用の需要に応じて柔軟に配置することができて、充放電の応答速度が速くて、多くの場合に応用することができます。
エネルギー貯蔵システムは充放電の過程で、熱の発生に伴います。放熱が悪いとバッテリー温度が上がりすぎたり、バッテリー温度差が大きくなったり、軽い場合は電池寿命が低下したり、ひどい場合は熱暴走などの安全問題が発生します。
本論文はある実際のプロジェクトを手本にして、バッテリーパックの実際のサイズに基づいて熱流体シミュレーションモデルを構築して、全体の放熱システムの圧力、速度及び温度の分布状況を詳しく分析して、システムの熱負荷状況を得て、バッテリーパック液冷板流路設計のために構造最適化の提案を提供します。
2-プロジェクトの概要
2-1環境の情報
2-2熱源デバイス仕様情報
2-3 熱伝導のシリカゲル
3-放熱モデル
熱を逃がす液冷方式のバッテリーパックで、72個の280AHコアと液冷プレートで構成されています。液冷板は長さ1570mm、幅960mm、高さ42mmで、内部には24本の流路が設けられています。バッテリーパックの放熱モデルは次の通りです。
放熱システムモデル
4-水入れ8L／minでのシミュレーション結果です
コアの温度分布は18.38-28.77℃で、最も温度の高いコアの温度分布は21.46-26.37℃、最も温度の低いコアの温度分布は18.76-26.37℃です。図(a)のようになります。
液冷板の温度分布は18.00 ~ 21.99℃ 写真(b)を御参照お願います。
流れ抵抗は約17KPa、液冷板の圧力断面図(c)、液冷板のスピード断面図(d):
5-结论
このスキームでは、全体の温度は18.38-28.77℃の間で、最高と最も低温のコア温度差2.4℃、液冷板全体の温度は18.00-21.99℃の間で、温度性を最適化する必要がありますが、多くの高温地域が現れます。
液冷板の圧力とスピードの断面図を照らし合わせてみると、液冷板の高温域は主に圧力と速度の低い領域に分布しています。コアの配置位置と合わせて、液冷板の幅の余裕が大きいことが分かります。液冷板の最も外側の2本の流路を封じ込むか、液冷板の幅を小さくてて放熱効果を高めます。
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パワーバッテリーの放熱概要
自動車やバッテリーが急速に発展する可能性があります。
その中心部品であるパワーバッテリーは化学電源で、温度に敏感で、適切な温度環境で動作する必要があります。パワーバッテリーの充放電では、内部のインピーダンスが原因で大量の熱が発生します。また、バッテリーパックは比較的密閉された環境にあります。熱を蓄積しやすく、温度を上げやすく、熱暴走を起こすこともあります。そのため、効率的で安全な動力バッテリーの冷却システムが重要になります。
現在、バッテリーの冷却方案は3種類があって、それぞれ風の冷却、液体の冷却と直接冷媒の冷却です。
構造が比較的簡単でコストも安いため、バッテリー容量が小さく放熱圧力が低いシーンに適しています。
実際に使用するには、液体媒体は伝熱系数が高く、熱容量が大きく、冷却速度が速いため、バッテリー温度の均一性を高める効果があります。液体冷却法が主流です。
冷媒の直接冷却技術はさらにバッテリーに対する冷却効果を高めることができますが、バッテリーの蒸発器の均一な温度設計は技術的な難点です。セル間の温度差が5℃(冷却条件+加熱条件)を超えないことが一般的な要件です。現在、冷媒の直接冷却はまだ業界内の主流の設計ソリューションになっていません。
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新エネルギー自動車用バッテリーケースの設計開発の探索です
現在の新エネルギー車開発の3大重点——安全性、軽量化、信頼性は、すべてバッテリーパックと密接に関連しています。また、バッテリーケースはバッテリーシステムの搭載要素であり、バッテリーパックひいては車全体の沖突、エネルギー消費量などに大きな影響を与えます。
新エネルギー自動車用バッテリーパックです
1-バッテリーパックの安全性です
新エネルギー車の三電システムの中で最も核心的な部品として、電池パックは直接に新エネルギー車の主要な性能指標に影響して、その安全性はよく車全体の信頼性を決定します。新エネルギー車のバッテリーパックは衝突時に大きな安全上の危険があります。衝突変形は内部バッテリーモジュールに短絡、遮断路、常発熱、爆発などの現象を引き起こします。バッテリーパック筐体の抗衝突性能は直接バッテリーモジュールの安全性に影響します。
バッテリーパックの安全性設計の鍵は、衝突中のバッテリーパックの損傷を低減することです。そのため、車両全体の衝突伝力経路を最適化し、バッテリーパック筐体の防護効果を高めることが設計の鍵です。現在のシミュレーション技術は広く使われています
バッテリーパケットシミュレーションモデルでは、沖突、押出し、沖撃、落下などの環境条件の失効形態を予測し、システムはバッテリーパケットケースの構造、部品のサイズを最適化し、バッテリーパックの安全性を高めるための多目標最適化を行います。
２-バッテリーパックの軽量化
高強度鋼、超高強度鋼、アルミニウム合金、複合材料の応用は、新エネルギー車の軽量化を実現するために必要です。バッテリーパック上の筐体は保護と支持用がないため、ただ密封防塵の役割を果たして、上の筐体は主に鋼板、アルミニウム合金、復合材料を使用します。バッテリーパックの下の筐体はバッテリーシステムで主に全体のバッテリーの品質を担って、外部の沖撃を防いで、バッテリーのモジュールの役割を保護します。電池パック筐体の主流制造プロセスはあります:押し出しアルミ型材+溶接成型、プレスアルミ板+溶接成型、ダイカストアルミ+鋳造成型する。現在、押出アルミ型材+溶接成型は、国内企業の一般的な下筐体製造案であり、それよりプレスアルミ制筐体、制造難度が低く、圧鋳アルミ制筐体より、成型サイズが大きいです。
バッテリトレイ（バッテリパック下ケース）
新エネルギー車は、バッテリーパックとシャーシが高い重複領域にあるため、シャーシとバッテリーパック構造の統合最適化が、軽量化に重要です。
CTP技術では、一般的なバッテリーパックはコアから組み立ててモジュールになり、さらにモジュールをバッテリーパックの中に取り付けて中間モジュールの段階を省略して、コアを直接バッテリーパックの上に集積して、バッテリーパックは車全体の構造部材の一部として車体の床下に集積します。CTP技術は、バッテリーパックの空間利用率とエネルギー密度、バッテリーパック全体の剛性の向上に効果的です。
CTC技術は、CTP技術の進化版で、コアをフロアフレーム内に直接集積し、バッテリーケースをフロア下板とし、シートを直接バッテリーカバーに接続することで、空間利用率63%を実現しています。
CTB技術は、CTCの改良版で、梁の構造と座席の支持部分を残して、一部の基板は電池の被覆で代替されて、空間利用率が66%まで向上して、しかも車体の構造は比較的完備して、安全性がより高くなります。
バッテリーパック搭載モードです
3-バッテリーパックの信頼性です
バッテリーパックの筐体は、軍の兵役から疲労失効までの全プロセス:サイクル負荷の下で、筐体の表面に微細な亀裂が発生し始め、局所の微細な疲労亀裂が徐々に拡張され、最終的には部品の瞬間的な破断失効が発生します。特に、電池パック筐体の接続部は高疲労障害領域となっています。バッテリーケースの実験シミュレーションを行い、バッテリーパックの信頼性設計を向上させる一般的な方法となります。
業界の要求によると、バッテリーパック筐体のシール性はIP6K7等級、さらにいくつかの企業はIP6K9K等級を達成する必要があります。バッテリーパック筐体の密封長さが長いため、一般的に数メートル、密封設計構造が少ないので、そのシール性に注意が必要です。
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攪拌摩擦溶接技術の電池トレイ製造への応用です
１-撹拌摩擦溶接（FSW）の基本的な原理です。
高速回転ミキサーヘッドをワークに挿入後、溶接方向に移働します。ミックスヘッドとワークの接触部は摩擦により熱を発生し、攪拌針の働きによって周囲の金属の塑性を柔らかくし、攪拌針の後ろの空洞を埋める金属層を柔らかくします。
現在,撹拌摩擦溶接は主にアルミ,銅,マグネシウム,チタニウムなどの媒体や異材料の接続に使われています。
2-攪拌摩擦溶接（FSW）プロセス
溶接始める時：溶接部分の溶接エリアに高速回転するピボットと針状突起のあるミキサーを入れます。ピボットは塑性状態での材料のオーバーフローを防ぐために同時に使用できます。
溶接作業中：撹拌ヘッドと溶接材料の間の摩擦抵抗は摩擦熱を発生し、材料を柔らかくして塑性変形を引き起こし、塑性変形エネルギーを放出します。撹拌ヘッドが溶接する界面に沿って前方に移働する時、熱可塑性材料は撹拌ヘッドの前部から後部に転移して、撹拌ヘッドの軸肩の鍛造作用の下で、ワーク間の固相接続を実現します。
溶接完了する時：撹拌ヘッドが回転して部品を出します。
撹拌摩擦溶接
３-技術の特徴です
変形小さい：材料は溶解する必要はありません、低入力熱、変形最小；
適応性が強い：環境の温湿度の影響を受けないで、適応性が強いです；
優れた性能です：溶接エリアは緻密な「鍛造構造」を形成し、気泡や収縮欠陥がありません；
環境と安全です：溶接プロセスはアーク、煙、飛散物などを発生しません、安全、グリーン、環境にやさしいです。
攪拌摩擦溶接継手の強度試験です
一般的な溶接方式と比較して、攪拌摩擦溶接には以下の優れた利点があります：
固体の溶接技術に属して、溶接の過程の中で溶接材料は溶けません；
溶接位置の制限、継手溶接の様々な形を実現することができます；
溶接効率が高くて、0.4-100mmの厚さ範囲内で片道溶接成形を実現できます；
溶接部位の残存応力が低く、変形が小さく、高精度な溶接を実現できます；
ジョイントの強度が高くて、疲労の性能が良くて、沖撃の靱性が良いです；
溶接コストが低くて、溶接プロセスの消耗がなくて、溶接線の充填と保護ガスが必要ありません；
溶接操作が簡単で、自働化溶接を実現しやすいです。
4-攪拌摩擦溶接技術の電池トレイ製造への応用です
アルミ合金は、低密度、高強度、熱安定性、耐腐食性と熱伝導性、無磁性、簡単な成形、リサイクル価値などの利点を持っており、電池パック軽量化設計の理想的な材料です。
現在、アルミ合金製の電池トレイやプラスチック製のカバーは、軽量化効果が高く、多くの自働車メーカーに採用されています。電池トレイはアルミニウム押出型+摩擦攪拌溶接+MIG溶接の方式を採用して、総合的な応用コストが低くて、性能要求を満たして、水冷電池循環の水通路を一体化することができます。
典型的な電池トレイは主にアルミ合金形材フレームとアルミ合金形材基板で構成され、それらは6シリーズ押出形材を使用して一緒に溶接されています。以下の図に示します。
アルミ合金の電池トレイ
断面の構造と材料：
フレームと基板はアルミニウム合金押出型材で作られ、材料は通常6061-T6(屈伏強度240 MPa、引張強度260 MPa)、6005A-T6(屈伏強度215 MPa、引張性能255 MPa)と6063-T6(屈伏性能170 MPa、引張耐性215 MPa)です。断面の復雑さ、コスト、金型の消耗などによって、どの特定のブランドを選ぶかを考えます。
技術的な難易度です：
フレームと基板は電池モジュールの担体であり、強度が要求されます。したがって、強度を確保するために空洞を有する二層断面が一般的に選択されます。基板の厚さは10mm前後,壁の厚さは2mmが一般的です。単層のアルミ板はあまり使われません。
フレームの典型的な断面は復数の空洞で構成され、6061-T6材料で作られ、最も薄い壁の厚さは2mmです。
基板の典型的な断面は、主に電池モジュールを取り付けるための上部突起を含む複数の空洞で構成されています。断面寸法が大きく、厚さは2mm、材料の一般的な選択600a -T6です。
型材の断面
解決策です:
基板と基板、および基板とフレームは、主に攪拌摩擦溶接によって接続されます。溶接強度は基材の約80%までできます。
基板型材は攪拌摩擦溶接継手を採用し、基板間は両面ドッキング継手を採用して溶接します。両面溶接の強度が高く変形が小さいです。
フレームと基板の間に両面攪拌摩擦溶接継手を形成します。撹拌ヘッドに十分なスペースを確保するために、フレームと基板の連結部の延長長は十分に長くして、フレームと撹拌ヘッドの間の干渉を避け、フレームの型材のサイズの増加と押し出し難度を避けるべきです。しかし、両面溶接は強度が高く変形が少ないのが長所です。
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アルミ押出のマニュアル
数年前から製品の製造と設計において、アルミ押出の需要が増加しています。その結果、信頼性の高いアルミ押出専門メーカーのに必要が増えています。
製造過程を知らなければ、この記事の途中でアルミニウム押圧について詳しく説明します。
アルミ押出のマニュアル
1-アルミ押出しは何ですか
これは、特定の断面輪郭を使用しながら金型にアルミ合金材料を通すプロセスです。製造者は強いパンチでアルミを金型から押し出します。強い圧力により、金型開口部からアルミが出てきます。
金型の先端からアルミが出ると、金型と同じ形になります。ジャンプ台がアルミを引っ張り出します。アルミニウム押出プロセスは、特に基礎的なレベルで理解しやすいです。
金型の先端を通ってアルミニウムを押す力とパイプを押して成分を取り出す力を結びつけることができます。パイプ中に圧力をかけると、パイプの中の物質はパイプの開口部と同じ形になります。
従って、アルミニウムの形状は金型の開口部に依存することを意味します。円形の場合は円形の開口部です、四角の場合は四角開口部などが必要です。
2-押出しの形
押出しの形を3つのカテゴリーに分類することができます。
a．実心
実心形には閉じた開口部や隙間がありません。角度、梁、または棒は、この特定のカテゴリに属する一般的な例です。
b．空心
空心形には通常は通常は1つ以上の隙間があります例えば、長方形の管や四角のパイプです。
c. 半分空心
これらの形状には通常部分的に閉じた隙間があります例えば、狭い間隙が有する「C」チャネルである。
3-アルミ押出しのプロセス
押出しは多くの業界の中でとても人気があって、エネルギー、航空宇宙、電子、自働車、建設と他のいくつかの業界を含みます。複数の絞り出しプロセスを用いることで、非常に複雑な形状にすることもできます。
下記、アルミ押出工程を10ステップに分けて紹介します。
ステップ1：プレス型の準備と移動です
先に、アルミ押出メーカーは、円形の金型を加工するためにH13鋼を使用します。もちろん、いくつかのメーカーはすでに意図した形を持っています。この場合、倉庫から取り出すだけです。
金型は450 ~ 500℃で予熱します。金型の寿命を最大限に延ばすだけでなく、金属の均一な流れを確保することができます。金型を予熱したら、押出机に入れることができます。
ステップ2:アルミインゴットを押出し前に加熱します
ステップ２はアルミ素地を加熱します。基本的にアルミ合金製の円柱状の実心固まりですメーカーはアルミニウム合金材料の長い原木から素地を取ります。オーブンで予熱します。400から500度が必要です。
素地を加熱しても完全に溶けることはありません。しかし、プレスの過程で屈するのに十分なストレッチ性を持つようになります。
ステップ３：方坯プレス機にプレスを移します
必要に応じて素地を加熱すると、押圧機に機械的に移されます。ただし、素地に離型剤や潤滑剤を加えることが重要です。プレス機に素地を積み込む前に行う必要があります。
また、同じ型抜き剤を押し出しパンチに適用することも重要です。こうすることで,パンチと素地が密着しないようにします。
ステップ４：素地を容器に押し込みます
押出機に素地を移したら、圧力をかけるタイミングです。パンチは鍛造可能な素地に数百、数千、ときには数万トンの圧力をかけます。圧力がかかり、押圧機の容器の中に素地が入ります。このような材料は膨張して容器の壁を満たしていきます。
ステップ５：材料を押出して型から出します
容器に材料を充填した後でさえ、プランジャーに圧力がかかります。これは、材料が押し出し型に押されていることを意味します。継続的な圧力により、アルミ材料が金型の開口部を通ります。
金型の開口部から出ると、金型の開口部と全く同じ形になります。これは、今までのところ、貴方が望む形になっているということです。
ステップ６：焼入れと時効
押し出し物が金型の先端から出てくると、引っ張り手がそれをつかみます。そして、この引張器が、跳動台と一緒に誘導する役割を果たします。押し出し機が出てくるスピードとに合わせて、作業台のスピードが速くなります。
跳動台の移働に伴い、型材が焼き入れられます。堅牢性を確保するため、均一に冷却する必要があります。扇風機を使って風で冷やすか、冷たい水で冷ますことができます。
ステップ７：プレス裁断です
押圧が作業台全体の長さに達した後、まだ押圧プロセスから切り取る時ではありません。そのためメーカーはホットノコギリを使っています。ノコギリは特定のプレスとプレスのプロセスを分離します。
注記：温度は押圧プロセスの極めて重要な側面です。絞り出すプロセスの各段階で、しっかりとチェックする必要があります。押出物がプレス機から離れた後に焼き入れをしても、完全に冷却するまでに時間がかかります。
ステップ８：室温で押出の冷却です
裁断が終わったら、押し出しを冷却台に移します。このプロセスは一般的に機械的に行われます。現在、メーカーは型材が室温になるのを待って、別の場所に移しています。冷却してから伸ばすことが大切です。
ステップ９：引張作業を引っ張り機に移します
断面にある種の歪みが生じることがあります。アルミ押出の専門メーカーとして、この作業をしなければなりません。この問題を解決するには、作業台の長さのプレスピースをストレッチャーに移します。すべての側面が両側から挟まれています機械的に必要な仕様になるまで引っ張られます。
ステップ10：規範に基づいて切ります
作業台の長さのプレスは完全に冷却されており、それらもまっすぐなので、のこぎり作業台に移動する時間です。ここでは、絞り出し物は長さに応じて切ります。
注記：この特定の段階でのプレス性能は、T4焼戻しの性能と似ています。のこぎりを切った後、プレスをT5またはT6まで延ばすことができます。そのためには古いオーブンに移しておく必要があります。
4-押出の後処理
押出完了後、型材を熱処理することで、型材の性能を向上させることができます。押出品の外観を強化するために、アルミ押出品メーカーはそれぞれのタイプを使用しています。
しかし、これらは熱処理が必要です。最終的なサイズまで押し出すためには、異なる処理プロセスを経る必要があります。
(a)設備性能の改善
7000、6000、2000シリーズの合金の引張強度と応力を高めることができます。これらの強化機能を得るためには、型材をオーブンに入れることが重要です。これらの加熱処理により、合金はT5またはT6の性能を達成します。
(b)表面補強です
アルミ型材は多くの仕上げ作業を経ます。表面補強によりアルミ全体の外観を改善するとともに、腐食性を向上させました。
例えば、アルミニウムを陽極酸化すると、酸化層が自然にできます。金属が厚くなりますまた、このプロセスは型材の耐腐食性を向上させます。また、この金属はより強くなります。同様に、これは様々な色を受け入れることを意味する多孔質の表面をもたらします。表面発射率も上がります
他にもいくつかの仕上げ工程があります。ブラスト、粉末塗料、ペンキなどです。
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バッテリートレイ溶接の熱変形の影響を効果的に防止または軽減するにはどうすればよいでしょうか?
バッテリートレイは、バッテリーボックスまたはPACKボックスとも呼ばれ、新エネルギー車の開発において非常に重要なコンポーネントとしてますます評価されています。バッテリートレイの設計では、重量、安全性、コスト、材料性能などの要素間の関係のバランスを取る必要があります。アルミニウム合金は、密度が低く比強度が高いため、車体の性能を確保しながら剛性を確保できるため、自動車の軽量化エンジニアリングで広く使用されています。
1-バッテリートレイの溶接位置と方法の選定
アルミニウム製のバッテリートレイは押出成形されたアルミニウムプロファイルで作られ、さまざまな部品が溶接によって結合されて完全なフレーム構造を形成します。このような構造は、エネルギー貯蔵パックボックスにも広く使用されています。
バッテリートレイの溶接部分には、通常、底板の接合、底板と側面の接続、側面フレームと水平ビームと垂直ビームの接続、液体冷却システムコンポーネントの溶接、ブラケットや吊り耳などのアクセサリの溶接が含まれます。溶接方法を選択するときは、異なる材料と構造の要件に応じて異なる溶接方法が選択されます。下の表を参照してください。
2-溶接熱変形の影響の分析
溶接は局所加熱加工法です。熱源が溶接部に集中するため、溶接部の温度分布が不均一になり、最終的に溶接構造内部に溶接変形や溶接応力が生じます。溶接熱変形とは、溶接工程中の入熱と出熱の不均一により、溶接部の形状やサイズが変化する現象です。実際のエンジニアリングプロジェクトの経験と組み合わせると、溶接熱変形が発生しやすい部品とその影響要因がまとめられます。
a.長い直線溶接エリア
実際の生産では、バッテリートレイの底板は、一般的に2〜4枚のアルミニウム合金プロファイルを攪拌摩擦溶接で接合して作られています。溶接部は長く、底板と側板の間、底板と間隔梁の間にも長い溶接部があります。長い溶接部は、集中した入熱により溶接領域で局所的な過熱が発生しやすく、熱変形を引き起こします。
バッテリートレイフレーム溶接
b.多成分ジョイント
これは、多成分溶接時の溶接工程中に局所的に高温加熱され、その後冷却されることによって引き起こされます。溶接工程中、溶接部は不均一な入熱を受け、溶接部と周囲の母材との間に大きな温度差が生じ、熱膨張と収縮の影響を引き起こし、溶接部の変形を引き起こします。エネルギー貯蔵パックボックスの電気設備端には通常、水ノズル、配線ハーネスブラケット、ビームなどが装備されており、溶接部は密で変形しやすいです。
溶接が集中する部分では、パレットの前面が歪んで変形している
c.コールドプレートチャネル側壁
液冷プレート一体型設計のバッテリートレイでは、薄板やパイプ構造など構造剛性の小さい部品は溶接時の熱変形に十分耐えられず、変形しやすくなります。たとえば、液冷プレートの流路の側壁は非常に薄く、通常はわずか2mm程度です。モジュール取り付け面の梁、ワイヤーハーネスブラケットなどの部品を溶接すると、流路の側壁に亀裂や変形しわが発生しやすく、全体の性能に影響を与えます。
ビーム溶接による液体冷却チャネル壁の熱亀裂欠陥
3-溶接熱変形制御方法
a. セグメント溶接、両面溶接
強度要求が比較的低い部品については、分割溶接を採用し、溶接工程を複数の小セクションに分割します。溶接部は対称的に配置され、構造セクション内の中立軸付近で溶接部が対称的に配置され、溶接部による変形が互いに相殺されます。同時に、溶接部の長さと数を最小限に抑え、溶接部の過度の集中や交差を避けることで、溶接温度勾配を下げ、溶接変形を減らすことができます。底板、底板、側枠など、強度要求が高い部品については、両面溶接を採用して強度を高め、大きな部品や長い溶接部による曲げ変形を減らします。
b.溶接シーケンスの最適化
溶接変形を制御し、剛性の低いジョイントを使用し、2 方向および 3 方向の交差溶接を避け、高応力領域を避けます。溶接シーケンスを最適化し、剛性の弱い領域を最初に溶接し、剛性の高い領域を最後に溶接します。たとえば、最初に隅肉溶接を溶接し、次に短い溶接、最後に長い溶接を溶接します。最初に横方向の溶接を溶接し、次に縦方向の溶接を溶接します。適切な溶接シーケンスにより、溶接変形を効果的に制御し、それによって溶接寸法を制御できます。
c. 溶接パラメータの調整
溶接パラメータとプロセスを制御し、溶接速度、溶接層数、各溶接部の厚さを適切に設定します。より厚い溶接部の場合は、多層および多チャンネル溶接法を使用し、各溶接層の厚さは4mmを超えてはなりません。多層溶接は構造微細構造を減らし、接合部性能を向上させることができます。溶接パラメータを正確に制御し、溶接電流、電圧、電極モデル、溶接速度などのパラメータを適切に選択して、溶融池の形状とサイズの一貫性を確保し、不適切なパラメータ選択によるエラーを回避します。
d.溶接技術の向上
溶接作業者の操作スキルを向上させ（厳しい要件のある大型部品やノードには機械加工を使用）、溶接中の動作の一貫性と標準化を確保し、人的要因による寸法の問題を軽減します。
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アルミニウム合金が液体冷却プレートとラジエーターの第一選択材料となった理由：アルミニウム合金の熱伝導率の原理の分析
アルミニウム合金は、業界で最も広く使用されている非鉄金属構造材料であり、特に材料の熱伝導率が大きな懸念事項となるシナリオや、電子機器の放熱、電気自動車の三電源放熱、バッテリーエネルギー貯蔵システムなど、効率的な熱伝導が求められる状況で使用されています。放熱と航空宇宙の分野では、通常、ラジエーター、熱伝導プレート、電子部品などの効率的な熱伝達装置の製造に使用されます。
熱伝導率は、熱伝導率とも呼ばれ、材料の熱伝導率を特徴付けるパラメータ指標です。単位時間、単位面積、および負の温度勾配あたりの熱伝導を示します。単位はW/m·KまたはW/m·℃です。アルミニウム合金は、アルミニウムと他の金属で構成される合金材料です。その熱伝導率は非常に優れており、熱伝導係数は通常140〜200W /（m·K）です。地殻に最も多く含まれる金属であるアルミニウムは、熱伝導率が比較的低く、高さが高く、密度が低く、価格が安いため好まれています。
1-アルミニウム合金材料の熱伝導原理
材料の隣接領域に温度差がある場合、接触部分を通じて高温領域から低温領域に熱が流れ、熱伝導が発生します。金属材料には多数の自由電子があります。自由電子は金属内を高速で移動できるため、熱をすばやく伝達できます。格子振動は金属の熱伝達のもう1つの方法ですが、自由電子伝達方法と比較すると後回しにされます。
金属と非金属の熱伝導方法の比較
2-アルミニウム合金の熱伝導率に影響を与える要因
a.合金化は熱伝導率に影響を与える主な要因の 1 つです。合金元素は固溶体原子、析出相、中間相の形で存在します。これらの形態は、空孔、転位、格子歪みなどの結晶欠陥をもたらします。これらの欠陥により、電子散乱の確率が高まり、自由電子の数が減少し、合金の熱伝導率が低下します。異なる合金元素は、Al マトリックスに異なる程度の格子歪みを生じさせ、熱伝導率に異なる影響を及ぼします。この違いは、合金元素の価数、原子体積の違い、核外電子配置、凝固反応の種類など、複数の要因の結果です。
b.熱処理は、アルミニウム合金の加工において非常に重要なステップです。アルミニウム合金の微細構造と相変態を変えることで、その熱伝導率に大きな影響を与えることができます。固溶体処理は、アルミニウム合金を特定の温度に加熱してマトリックス内の溶質原子を完全に溶解し、その後急速に冷却して均一な固溶体を得ることです。この処理により、材料の機械的特性が向上しますが、通常、熱伝導率は低下します。時効処理は、固溶体処理後の適切な冷間変形と再加熱によって行われ、合金の微細構造を最適化し、全体的な性能を向上させることができます。時効処理では、合金の機械的特性と熱伝導率を考慮しているため、合金は高い強度を維持しながら、優れた熱伝導率も備えています。アニーリングは、合金を低温に維持して合金内の第2相を析出させて再分配することにより、合金の微細構造を改善します。アニーリング処理は、アルミニウム合金の可塑性と靭性を向上させることができますが、熱伝導率への影響は具体的な状況によって異なります。
Al-Cu合金の老化過程における結晶構造変化の模式図
c.その他の要因の影響、不純物、第2相粒子：アルミニウム合金中の不純物と第2相粒子（酸化物、炭化物など）は、ホットキャリア（電子とフォノン）を散乱させ、熱伝導率を低下させます。不純物含有量が多いほど、第2相粒子は粗くなり、一般的に熱伝導率が低くなります。アルミニウム合金の粒径も熱伝導率に影響します。一般的に、粒径が小さいほど、粒界が多くなり、熱伝導率が低くなります。また、アルミニウム合金の加工方法（圧延、押し出し、鍛造など）は、その微細構造と残留応力状態に影響を与え、それによって熱伝導率に影響します。加工硬化と残留応力は熱伝導率を低下させます。
要約すると、アルミニウム合金は高熱伝導性材料として理想的な選択肢です。アルミニウム合金の合金元素の種類とその形状、熱処理方法、不純物、結晶粒度、成形方法などの要因はすべて、アルミニウム合金材料の熱伝導性に影響します。材料組成とプロセス計画を設計する際には、総合的な考慮が必要です。
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浸漬液体冷却エネルギー貯蔵Packボックス構成設計のポイント
エネルギー貯蔵浸漬液体冷却技術は進んだバッテリー冷却方法であり、液体の効率的な伝熱の特性によりバッテリーに対する快速、直接、充分な冷却を達成し、バッテリーが安全、効率的な周囲で稼働できるようにしている。その基本原理として、エネルギー貯蔵バッテリーを完全に絶縁、無毒、放熱力のある液体浸漬する。この技術は液体により直接にバッテリーと接触して熱交換を行って快速的にバッテリーが充放電の過程に生じた熱を吸収し、外部循環システムに連れて冷却する。
個別浸漬液体冷却エネルギー貯蔵システムの原理図
浸漬液体冷却エネルギー貯蔵Packボックスはバッテリーセルが適切な周囲で稼働することを負荷、保障するためのバッテリーパッケージのキーとなる部品として、主にバッテリーパッケージ及びクーラントの負荷、安保、伝導及び熱交換などの機能を担当する。よって、システムの効率的、安全及び信頼可能な稼働を確保するために、ボックス構成の設計で密閉性、冷却効率、安全性、材料選択及び加工プロセスなどについて包括的に検討しなければいけない。それに、ボックス構成の設計は液体冷却システムの全体の基礎である。
1-均一的な負荷
浸漬液体冷却エネルギー貯蔵Pack下ボックスは底板及び側板からなり、底板が基礎的支持であり、側板が底板の周りに締め付けられ、共にボックスのメインフレームを構成する。ボックスの寸法について包括的に液体冷却システムの全体上の需要及び荷重を考えに入れて調整を行い、大寸法ボックスの設計で適切に内部仕切り板またはプロセスの構成を設置でき、大空間を複数の小空間にし、応力面積を増やして均一負荷力を向上させるが、内部構成でサポートリブ及び補強リブを増やして局部の負荷力を向上させることができるし、ボックスの内部に均一負荷構成を設置して各角の負荷のバランスを図ってもいい。
それと同時に、均一負荷性に対する可塑性変形の影響を低くするために、高さの異なる加工面を同一の平面に設計すると、工作機械の調整回数を少なくしたり、異なる高さによる変形を避けたりすることができる上、ボックスの幅または高さを向上させて荷重を分散させたり、変形を少なくしたりすることもできる。
また、液体冷却流路とボックス底板の一体化設計は摩擦撹拌接合またはレーザー溶接で合わせを完成し、この設計が有効に全体構成の強度を向上させることができる。
個別浸漬液体冷却エネルギー貯蔵Pack下ボックスの構成図
2-熱交換設計
伝熱力は浸漬液体冷却エネルギー貯蔵技術の重要なプロセスであり、バッテリーが高温周囲で有効に放熱して性能及び安全性を確保することができることに設計の目標を置く。
ボックスの材料は高い伝熱性能がなければいけなく、常用の材料にアルミ合金、銅、アルミニウム母材複合材がある。ボックスの設計について周囲温度変化の影響を考えに入れ、適当な厚さの保温層によりボックス内部の温度が一定の領域にあるようにしてシステムの全体的効率を向上させることができる。
ボックスの構成に関する設計はその伝熱力に直接な影響を与え、適切な流路設置により液体がボックス内部でスムーズに流れ、最大限で接触面積を増やすことを確保でき、ボックスの伝熱力を向上させるための主な対策である。クーラントの循環経路を増やして放熱効果を向上させるために、ボックスの内部に複数の流路を設置してもいい。
ソリューション1 全浸漬+個別+パネル交換 ソリューション2 全浸漬+個別+ボックス交換
液体冷却システムは冷媒、伝熱構成、液体冷却管路及び支持構成を含む。
ソリューション1では、同種または異種のクーラントを選んで各々液体冷却パネル流路チャンバー及びボックスの空チャンバーに充填し、チャンバーの2つが密閉されていて、通じ合っていない。ボックスの空チャンバーで、クーラントがバッテリーモジュールを浸漬し、充分に接触させ、冷却して流れなく、液体の伝熱性が上手であるという特徴を利用してバッテリーの表面にある熱量を吸収し、温度の向上を抑える。液体冷却パネルでは、クーラントが入水集管で複数の流路に分けられて冷却パネルに入り、出水集管に集まって流れ出て、主に熱を持って行き、放熱を達成することを担当する。
ソリューション2では、温度の低いクーラントが下または側面から流れ込み、温度の高いものが上から流れ出て、クーラントがバッテリーパッケージの内部で循環して流れ、有効、均一的に熱を分配したり、全体的冷却効率を向上させたり、バッテリーセルまたはバッテリーパッケージの温度の一致性を保ったりすることができる。
より一歩に冷却効果を向上させるために、多種の最適化対策（液体流量及び循環方法の最適化、高熱容量のクーラント選択及び液体の温度分布に対する改善など）を講じることができる。これらの対策は熱の集まり及びエネルギーの損失を削減し、バッテリーが効率的な冷却状態で稼働することを確保できる。
3-シール設計
液体冷却packボックスにとって、進んだシール材及び構成で全密閉設計を行い、密閉設計について気密性の上、液体媒質の密閉も考えに入れ、バッテリーユニットがどの方向にも漏れがないようにしなければいけない。
設計について具体的な応用の需要に応じて適切な密閉形式及び形状の上、シールの漏れ自由度、耐摩耗性、媒質及び温度互換性、低摩擦などを考えに入れ、詳細な仕様に従って適切なシール種類及び材料を選択しなければいけない。
なお、溶接プロセスの選択はシール性能に与える影響もとても大きく、材料及び厚さに応じて適切な溶接方法を選択すると、有効に溶接継ぎ目の品質を向上させ、システムの全体的強度及び密閉性を確保できる。
個別浸漬液体冷却エネルギー貯蔵Pack下ボックスの完成品のイメージ
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液体冷却パネルの工程における流路汚染のリスク及び洗浄制御技術
様々な電子・電力製品の電力密度及び発熱量の途切れない向上に伴って、放熱は日増しに深刻な挑戦に直面していて、液体冷却関係のソリューションが効率的放熱性能、低いエネルギー消費、低い騒音及び高い信頼性などによりソリューションの主流となっている。
液体冷却ソリューションは液体冷却パネルをバッテリーパッケージ（他の熱源）と貼り合わせ、内部で循環させ、冷却剤が熱源の稼働による熱を持って行き、当該熱が冷却回路の1つまたは複数を通じて熱交換及び伝熱を行い、最終にエネルギー貯蔵システムの熱を放出する。
液体冷却ソリューションのコアコンポーネントとして、液体冷却パネルは効率的放熱コンポーネントであり、主な機能がクーラントの循環によりバッテリー（他の熱源）の稼働からの熱を持って行き、機器が安全な稼働温度範囲で稼働ようにする。液体冷却パネルの流路が汚染された場合、クーラントの流れの均一性が妨害され、大きすぎる顆粒の異物がクーラントの塞がれることまたはスムーズではない流れにつながるので、熱が有効に伝達できなくなり、電子機器の放熱効率及び全体的性能が妨害される。
また、流路に異物があると、金属壁面の酸化保護膜の破壊、液体冷却パネルに対する腐食または侵食につながる。なお、流路にある異物がコンポーネントの接触不良及びシールの劣化または損壊につながるので、漏れの恐れがあり、システムの長期にわたる安定な稼働に影響を与えるものである。
1-液体冷却パネルの流路の清潔さに関する要求
一般的に、現在のエネルギー貯蔵液体冷却ボックスに関するソリューションは水道に異物、アルミのくず、油及び液体などがないことと要求されていて、少数のソリューションに異物の具体的な質量、硬質・軟質顆粒の大さについて明らかな要求を示す。
2-液体冷却パネルの製造工程に流路が汚染されるリスクの高いプロセス
冷却パネル系部材の加工工程に、内部流路及び冷却インタフェース構成は加工工程が切断及び流路切りを含み、油、切削クーラント及び機械加工の切りくずなどの異物が極めて流路に入りやすく、切削加工部が流路口にあるので、防護し難く、切りくずが入ってから除去され難い。
冷却パネル・流路パネルの加工が完了すると、溶接でブロッキングストリップ及び蛇口を閉鎖された流路に加工し、流路の構成が一般的に非直線構成であるので、洗浄上のデッドゾーンがある。
冷却パネルを溶接してから機械加工の過程に大量の切削クーラントでツール及びワークに対する冷却を行い、大量の金属切りくずが生じる。このプロセスに極めてクーラントや切りくずなどの汚染物を引き込みやすく、切りくずが入ってから徹底的に除去し難く、流路汚染のリスクの高いプロセスでもある。
3-液体冷却パネル流路の洗浄と保護
液体冷却パネルコンポーネントの信頼性と性能を確保するために、徹底的洗浄を行うのが普通である。高圧ウォーターガン洗い流しで液体冷却パネルの内部流路を洗い流し、存在のおそれのある残渣、顆粒または他の異物を除去する。流路に残った水がないように、内部流路を洗い流してから液体冷却パネルのコンポーネントを乾燥させなければ行けない。
冷却パネルなどの液体冷却部材は工程中に適切に保護されなければ汚染されやすい（冷却パネル機械の加工過程における金属切りくず、油及び切削クーラントなどの汚染）。それと同時に、冷却パネルの流通過程にも異物が極めて入りやすい。流路口に対する保護策（防塵ステッカー、蛇口ゴムスリーブなど）を検討するのは普通である。
よって、冷却パネル内部流路に対する洗浄は流路汚染の除去及び流路清潔さの向上のための必要な対策となる。実際な生産で全過程の予防と制御が必要である。その上、具体的な部材及びプロセスについて汚染対策を講じなければ有効に冷却パネル流路内部の汚染を制御できない。
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バッテリーエネルギー貯蔵用の下部ボックスのテーラー溶接のプロセスの設計
バッテリーエネルギー貯蔵用のバッテリーボックスはエネルギー貯蔵システムでとても重要であり、その重要な機能が負荷保護、伝熱・温度の均一化、電気工事及び防水シールなどを含む。バッテリーのエネルギー密度に対する需要の途切れない向上に伴って、更に高い伝熱性能及び低い密度を備えるアルミ合金材料を利用することはバッテリーシステムの効能を向上させるための有効な解决ソリューションとなっている。
流路とボックス側壁との一体化成型の設計にすると、キーとなる負荷部の溶接作業が不要となるので、全体的構成強度を向上させ、静的負荷、持ち上げ及びランダムの振動など多種の場合に構成の安全と安定性を保ち、決まった程度でボックスの気密性表現を改善できる。
また、一体化設計は部品数量及びボックス重量の削減に役に立ち、押し出し成型技術で製造を行う場合、型開きコストが低く、加工に便利であり、直しやすいので、柔軟に異なるバッチに対応できる。
1-アルミの押し出しテーラー溶接エネルギー貯蔵下ボックスの主な区分
普通、エネルギー貯蔵用液体冷却下ボックスは幅が790～810mm、高さが40～240mmにあり、フラット系及びフランジ系（下図）に分けられ、長さがエネルギー貯蔵製品の容量などに関わり、汎用ソリューションに48s、52s、104sなど多種の仕様がある。
フラット系液体冷却下ボックス
フランジ系液体冷却下ボックス
2-アルミ押し出しテーラー溶接エネルギー貯蔵下ボックスの構成
液体冷却下ボックスはバッテリーパッケージ全体の基礎的構成であり、流路付きの底板、ブロッキングストリップ、蛇口、フレーム、梁、ブラケット及び懸吊バンドなどがテーラー溶接されて矩形の枠構成となり、すべての部品がアルミ合金製である。
液体冷却下ボックス部品組み立てのイメージ
液体冷却下ボックスは十分な負荷力及び構成強度が必要である。実際な応用中の安全性及び信頼性を確保するために、高い溶接品質（溶接技術、溶接等級管理及び溶接技師の技能などを含む）が必要である。
液体冷却技術は液体冷却ボックスの気密性に対する要求（下ボックス及び液体冷却流路の気密性を含む）が高く、液体冷却流路がクーラントの流れの圧力も受けるので、液体冷却流路の気密性に対する要求が更に高い。
3-溶接品質に対する要求
普通、液体冷却底板は摩擦撹拌接合による溶接が必要であり、フラット系液体冷却下ボックスのプラグにも摩擦撹拌接合による溶接が必要である。普通、摩擦撹拌接合は縫い目の凹みが0.5までであり、落ちまたは振動の場合の落ちられる金属異物が認められない。
普通、液体冷却流路、フレーム、蛇口、懸吊バンド、梁及び部品などはTIG溶接またはCMT溶接を利用する。部品性能に対する需要に応じて、液体冷却流路、フレーム、蛇口及び懸吊バンドなどに完全溶接を行うが、梁及び部品などにセクション溶接を行う。前バッテリーモジュール梁エリアは平面度がシングルモジュールの場合に1.5mm以下、全体平面度が2mm以下、フレーム平面度がシングルフレームの長さが500mmごとに増加する場合に±0.5にある。
溶接継ぎ目は表面における割れ目、未貫通溶接、未融合溶接、表面気孔、露出したスラグ含有物及び不完全溶接などが認められなく、蛇口の溶接継ぎ目の高さが6mmまでであり、他所の溶接継ぎ目がボックスの下表面を超えなく、前後モジュール梁の内側溶接継ぎ目が内側面を超えないことが一般的な需要である。
溶接継ぎ目は溶込みが関係の規格を満たし、アーク溶接で溶接されたコネクタは引張強さが少なくとも母材の引張強さの最小値の60%にあたり、レーザー溶接及び摩擦撹拌接合で溶接されたコネクタは引張強さが少なくとも母材の引張強さの最小値の70%にあたること。
また、下ボックスの溶接が気密性IP67の基準を満たすことも必要であるので、溶接後の仕上げについて、前後モジュール梁エリアにおける溶接スラグ及び溶接継ぎ目が平になるまで研磨し、トレイ外部溶接部に対する研磨が認められなく、密封面の溶接部が平になるまで研磨し、フレームとの間に顕著な段差がないようにすること。
表：エネルギー貯蔵系素材合わせ液体冷却下ボックスのプロセス選択及び代表的な応用
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矩形ストレートリブヒートシンクの設計
ヒートシンクは役割が決まった体積空間で更に広く伝熱面積を取得し、構成・形状の改善によりその表面から周りの流体までの伝熱効率を向上させ、表面処理などにより有効伝熱面積を広くて放熱強化及び温度制御の目標を達成することにある。
体積電力密度及び熱流密度に関する需要が高くないアプリケーションシナリオで、矩形ストレートリブヒートシンクは簡単な構成、適切な製造コスト及び優れた放熱性能などによりエンジニアに喜ばれている。
さまざまな伝熱方法の比較
1-ヒートシンクフィンの設計
ヒートシンクは放熱拡張面であり、主にフィンの高さ、形状、間隔及び基板の厚さなどのパラメータに関わる。
プレートフィンヒートシンクの寸法
上図によりヒートシンクの拡張面積を算出できる：
個別フィンの面積：
Af = 2L（h+t/2），
隙間のところの面積：Ab= Lh，
放熱部の総面積：At=nAf +(n±1）Ab（n：フィン数）
フィンの断面図
プレートフィンは主な役割が表面積の増加により伝熱効率を向上させることにある。ヒートシンクフィンは間隔、厚さ及び高さがヒートシンクフィンの数量、分布及び展開面積を決めるための重要な要素である。上図の通りに、h↑またはt↓の場合、フィンが更に高く、更に薄く、更に密であると、放熱拡張面積は更に広くなる。
プレートフィンは表面積が広くなる場合、空気との接触面積も広くなり、熱が更に容易に放出されるようになる。フィンの形状（波状やギザギザなど）に対する最適化によりより一歩にヒートシンクの拡張面積を広くすることもできる。
プレートフィンは表面積が広ければ広いほど放熱効果がよくなるが、プレートフィンが大きければ大きいほどよくなると一方的に考えては行けない。自然放熱も強制冷却も問わず、ヒートシンクフィンの間隔はその表面を流れる空気伝熱係数を決める上の重要な要素である。
間隔と高さが放熱効率に与える影響
自然放熱の場合、ヒートシンクの壁面で表面の温度変化により自然対流が生じ、フィン壁面の空気層（境界層）流を形成し、フィン間隔が小さすぎると、順調な自然対流が妨害される。強制冷却の場合、フィンは境界層の厚さが圧縮され、間隔が相対的に狭くなるが、加工手段及びパワー部品の駆動力の影響により、小さすぎるといけないので、実際な設計でフィンの厚さと高さとのバランスが非常に重要である。
2-ヒートシンク基板の設計
ヒートシンクは基板の厚さがヒートシンクの効率に影響を与える重要な要素であり、薄い場合、熱源から遠ざけるフィンに伝達する熱抵抗が大きく、ヒートシンクにおける不均一な温度分布につながり、熱衝撃耐力が弱い。
基板を厚くすると、不均一な温度分布を改善し、ヒートシンクの熱衝撃耐力を向上させることができるが、基板が厚すぎると、熱の累積につながるので、伝熱力が逆に低くなる。
ヒートシンクの稼働原理図
上図の通りに、熱源面積が底板の以下にある場合、熱が中心から縁部へ広がり、拡張熱抵抗が形成する。熱源の位置は拡張熱抵抗にも影響がある。熱源がヒートシンクの縁部に近い場合、熱量が更に容易に縁部を通じて伝導していき、拡張熱抵抗が小さくなる。
注：拡張熱抵抗とはヒートシンクの設計で熱が熱源の中心部から縁部へ広がる過程に遭遇する抵抗のことである。この現象は通常に熱源面積と底板面積との差が大きい場合に発生し、熱が小さなエリアから大きなエリアへ広がる。
3-フィンと基板との連結プロセス
両者間の優れた伝熱及び機械的安定性を確保するために、ヒートシンクフィンと基板との連結プロセスは通常に多種の方法に関わり、主に一体成型及び非一体成型という２種に分けられる。
一体成型のヒートシンクはヒートシンクフィンとヒートシンク基板が一体であり、接触熱抵抗があり、関係のプロセスが主に下記のとおりである。
l アルミのダイカスト成型：アルミの塊を液態に溶けてから高圧で金型に充填し、ダイカストマシンで直接にダイカスト成型を行ったヒートシンクで複雑な形状のプレートフィンを製造できる。
l アルミの押し出し成型：アルミを加熱してから押出バレルに入れて決まった圧力を与え、所定のダイ穴から流れ出るようにして所要の断面形状及び寸法の粗形材を取得し、切断や仕上げなどのより一歩の加工を行う。
l 冷間鍛造処理は長所が細く、密なヒートシンクフィンを作り出すことができ、素材の伝熱係数が高く、異型処理力が押し出しより優れることにあるが、コストが高い。
l シャベルトゥースヒートシンクは銅製であってもよく、伝熱係数が高く、フィンが非常に細く、密であってもよく、フィンが直接にカッターで基板からすくい取られるので、フィンが高く、長い場合、フィンが応力の影響により変形しやすい。
非一体成型はヒートシンクフィン及びヒートシンク基板が各々加工され、ヒートシン溶接、リベット留めまたは継ぎ合わせなどにより結び合わせる。
l 溶接：ヒートシンクフィンと基板ははんだ付け（高温ろう付け及び低温はんだペーストはんだ付け）により結び合わせる。
高温ろう付けは伝熱性能が上手であり、はんだペーストはんだ付けでAl基板及びプレートフィンを連結させる場合、早期ニッケルメッキが必要であるので、コストが高く、 大寸法のヒートシンクに適しなく、ろう付けはニッケルメッキが不要であるが、溶接コストが相変わらずとても高い。
l リベット留め：ヒートシンクフィンを基板の溝に差し込んでから金型で溝を中間に押し出してしっかりと放熱ヒートシンクフィンを抱きしめさせてしっかりとした堅牢な結合を達成する。
リベット留めは伝熱性能が上手であるが、リベット留めされた製品が繰り返して使用されてから隙間及び緩みにつながる。リベット留め技術の改善により信頼性を向上させることができるが、コストも相応しく向上するので、リベット留めされたプラグインヒートシンクが常に信頼性に関する要求があまり高くない場合に用いられる。
l 継ぎ合わせ：一般的に、伝熱できるエポキシ樹脂で放熱ヒートシンクフィンと基板をしっかりと継ぎ合わせて伝熱する。
継ぎ合わせは伝熱できるエポキシ樹脂を利用するので、溶接と比べると、伝熱係数が割合に低いが、フィンの倍率が高く、間隔が小さいヒートシンクに適し、放熱性能に関する要求があまり高くない場合に使用できる。
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流体シミュレーション
ラジエーターと冷板の放熱性能をシミュレーションソフトで解析します。
1
応用シーン
工況：高熱流密度の状況
典型な応用：顧客定制
取り付け：片側面組立
特性：放熱効果が高い
1
応用シーン
プロセス：アルミ型材接合溶接
取り付け：底部液冷
典型な応用：顧客定制
特性：軽量で冷却効果が高い
熱量交換
クーラントはポンプ駆動で配管を通って循環します。冷却材がサーバー内部の熱交換器を流れると、高温コンポーネント(CPU、GPUなど)と熱交換を行い、熱を奪います。
Lori Customer Cases
Lori is a heat sink manufacturer of design and manufacturing high power heat sink, we have provided innovative thermal solutions for many high power industry device such as Aerospace industry,Medical, Communication server, Consumer Electronics etc. Our solutions include high power heat pipe thermal mould, liquid cooling system, staked fin heat sink solution etc.
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液体冷却技術の特性
液冷方案の基本的な原理：液冷とは、液体を冷却剤とし、液体の流れを利用してデータセンターのIT設備の内部部材で発生した熱を設備の外に伝え、IT機器の発熱部を冷却して安全に運用する技術です。
液冷の利点：液冷は高いエネルギー効率、高い熱密度を備え、熱を効率よく放熱し、標高、地域、気温などの環境に影響されません。
Walmateの液冷板式の液冷ソリューション
冷板な液冷は、液冷板(通常は銅やアルミなどの熱伝導性のある金属で構成された密閉空洞)を通じて発熱デバイスの熱を循環管に閉じ込められた冷却液に間接的に伝え、冷却液によって熱を持ち去る放熱形態です。冷板な液冷案の中で技術的成熟度が最も高く、大電力消費設備の配置、エネルギー効率の向上、冷房運行費用の低減、TCO (Total Cost of Ownership)の効果的な応用案です。
AI及びスパコン分野における放熱ニーズの特性
高電力消費、高密度はデータセンターの未来で、液冷はAIサーバーの放熱のメインストリーム案になります。
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DFMの最適化提案
潜在的な生産過程でのミスや欠陥を減らし、製品が設計要求の品質基準を満たすことを保証します。
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応用シーン
工況：高熱流密度の状況
典型な応用：顧客定制
取り付け：片側面組立
特性：放熱効果が高い
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応用シーン
プロセス：アルミ型材接合溶接
取り付け：底部液冷
典型な応用：顧客定制
特性：軽量で冷却効果が高い
なぜ液冷サーバーが人気なのでしょうか?
●大型モデルやAIGCの普及で、各地域のAI計算センターや計算力センターの建設が急増しました。
●「カーボンピークとカーボンニュートラル」政策が進むにつれて、データセンターのPUEに対する国の要求が高くなっています。コアITインフラであるサーバーは、放熱、「炭素エネルギーのダブルテスト」など、複数のストレスに耐えなければなりません。
● チップの熱出力は空気冷却の限界に達しています，液冷却技術はサーバーの中で応用して第1選択の方法の1つになりました。
技術とビジネスのトレンド
ビックモデルなどのAIGC製品群の商用化により、AIサーバーの需要は急速に高まるであることです。大量の高電力CPUやGPUチップがAIサーバー全体の電力消費を増大させます。CPUは、コアの数が増えるにつれてプロセッサの性能が向上し、プロセッサの出力が増加していきます。高性能クラウドコンピューティングのような特別なシナリオでは、プロセッサはオーバークロックを使用して演算性能を向上させ、電力消費量をさらに向上させます。GPUについては,最新のものでは最大700Wの消費電力を実現しており,従来の空冷システムの放熱能力を超えています。
未来のAIクラスタの計算力密度は普遍的に20-50kW/キャビネットに達することが期待され、自然風冷技術は一般的に8-10kWだけをサポートして、冷熱風道隔離マイクロモジュールプラス水冷エアコンレベル冷凍キャビネットの出力が15kWを超えた後に大幅にコストパフォーマンスが落ちて、液冷放熱方案の能力と経済性の優位性が徐々に明らかになりました。
放熱
ラジエーターを通して冷却剤が熱を放出して低温に保つことで、サーバーの連続で安定稼働を実現しています。
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製品のテスト
カスタムテストプログラムを提供し、お客様のご要望にお応えします。
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応用シーン
工況：高熱流密度の状況
典型な応用：顧客定制
取り付け：片側面組立
特性：放熱効果が高い
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応用シーン
プロセス：アルミ型材接合溶接
取り付け：底部液冷
典型な応用：顧客定制
特性：軽量で冷却効果が高い
水素燃料バッテリー車の冷却システムの記述
要旨：水素燃料バッテリーは、プロトン交換膜燃料電池(PEMFC)とも呼ばれ、その高効率、ゼロエミッション、ゼロ汚染の利点から、電気自動車の充電ステーション、自動車、その他の発電施設で広く使用されています。水素燃料バッテリー車は運転中に従来の燃料バッテリー車の3 ~ 5倍の熱を排出します。本稿では、現在の水素燃料バッテリーの放熱に関する技術について簡単に紹介します。
1‐水素燃料電池の仕組みです
水素燃料バッテリーは運転中に大量の熱を放出し、電気化学反応熱が約55%、不可逆電気化学反応熱が約35%、ジュール熱が約10%、凝縮熱と各種の熱損失が約5%を占めます。水素燃料バッテリーは電気エネルギーと同じ熱量を生み出します早く散逸しないと、バッテリー内部の温度が著しく上昇し、寿命に影響が出ます。
2-水素燃料バッテリーから放熱する
水素燃料バッテリー車は、燃料自動車に比べて発熱量が高く、システムが複雑です。また、水素燃料バッテリーは動作温度の制約のため、外部との温度差が小さく、放熱システムからの放熱がより困難になります。水素燃料バッテリーの動作温度は流体流動抵抗、触媒活性、炉効率、安定性に大きな影響を与えるため、効率的な放熱システムが求められます。
液冷技術は現在、水素燃料バッテリーの自動車への応用の主流技術です。システムの電圧降下を低減することでポンプの電力消費を低減し、水素燃料バッテリーにおける余分な熱を最小限の電力消費で抑え、循環作動流体流路の分布を最適化することで内部温度差を低減し、バッテリー温度分布の均一性を高めることを目指しています。
水素燃料バッテリーで発生する熱の90%は熱伝導と対流によって放熱系によって取り除かれ、10%は放熱によって外部環境に分散されます。従来の放熱には、空気冷却、液体冷却、相転移冷却などがあります。
3-PEMFCシステムの熱伝導
3.1バッテリーヒープ放熱
PEMFC内部で熱が発生すると、PEMFC内部のさまざまな部品や外部環境の間を熱が伝わります。燃料バッテリーヒープ内部の熱伝達は、主に各部品の熱抵抗と異なる部品間の接触熱抵抗に依存します。ガス拡散層は主要な発熱部品(膜電極)と主要な放熱部品(双極板)をつなぐ「架け橋」であるため、その熱抵抗と他の部品との接触熱抵抗の大きさがPEMFC内部の伝熱性能に大きな影響を与えます。さらに、異なる部品間の接触熱抵抗は燃料電池ヒープ内部の熱伝達に大きな影響を与えます。
3.2 クーラント熱伝導
燃料バッテリーの冷却には、空気冷却、液体冷却、相転移冷却などがあります。
冷却材の熱伝達に影響を与える要因には、PEMFCヒープ端、冷却材自体、放熱器端などがあります。冷却材はPEMFC炉端部のバイノーラルプレートと直接接触しているため、冷却材流路構造が伝熱に大きな影響を与えます。また、冷却剤の性質も熱伝達プロセスに影響を与えます。使用可能なスペースの不足を考慮し,より熱容量の大きい冷却材を選ぶことで放熱器を小型化し,PEMFCの熱管理性能を向上させることができます。そのため、新しい高効率冷却剤の需要がますます高まっている。
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放熱器加工と熱設計の挑戦
電子機器の小型化がますます進む一方で,より多機能・高性能化のニーズがパッケージレベルの外形寸法の縮小に拍車をかけ,電力密度が急速に高まっている。
チップ実装プロセスとTDPです
装置の小型化はコスト削減の観点から来ており、放熱ソリューションは直接製品の重量、体積、コストを増加させ、何の機能効果もありませんが、製品の信頼性を提供します。部品の温度を一定の範囲内に抑えることは、ある設計の許容範囲を決める通行基準であり、効率的な放熱は、電子製品の安定的な運転と長期的な信頼性にとって重要です。
一方で、装置が小型化した結果、設計マージンが少なくなり、過剰な設計への耐性が低下しています。一方、小型化の全体的な傾向はますます乱雑で復雑な幾何学モデルを生み、製品中の机械成分と電子成分の緊密な集積を深め、その結果、流働空間が大幅に圧縮され、対流放熱の範囲を制限し、熱設計の中心物質である放熱器の構造がより復雑になった。
放熱器は電子設備の熱設計で最もよく使われる放熱強化部品で、その強化原理は熱交換面積を増やすことで、設計時一般に発熱源の熱流密度、発熱部材温度要求、製品内部空間寸法、放熱器の取り付け及び外観設計などの要求を考慮しなければなりません。
放熱器の性能の表現は材質、幾何学寸法、底の平面度、熱抵抗、表面処理、取り付け締付方式と作業環境の温湿度などの多くの要素の影響を受けます。
1-放熱器の材質
放熱器の主の材料は：アルミニウム、アルミ合金、銅、鉄など。アルミニウムは自然界の中で最も豊富な金属元素を貯蔵して、しかも質量が軽くて、抗腐食性が強くて、熱伝導率が高くて、非常に放熱器の原材料として適します。アルミニウムの中でいくつかの金属を加えてアルミニウム合金を形成して、大幅に材料の硬度を高めることができます。グラファイトは、金属材料としての導電性や熱伝導性、有機プラスチックのような可塑性を持ち、電子や通信、照明などへの応用が進んでいます。
2-放熱器製造のプロセス
放熱器の加工プロセスは主にCNC、アルミ押出し、二番取り、などがあります
アルミ押出し：アルミ押出し型の放熱器はアルミ錠を460℃ぐらいまで加熱して、高圧の下で半固体アルミニウムを流れさせて溝のある押出しの金型、放熱器の初期形状を押し出して、その後更に切断と加工を行います。アルミ押出しのプロセスは正確に放熱器の平面度などの寸法要求を保証できないので、通常は後からさらに再加工の必要が有ります。
二番取り：二番取りは、長いストリップの金属板(通常はアルミニウム合金や銅合金)を、二番取り加工機を使用して特定の角度で材料を切断してスライスし、補正を行い、繰り返し切削して、配列されている翼の構造を形成します。
歯を挿し：歯を挿して放熱器の加工は歯片をラジエータ基板の中に挿入するので、ゴム溶接、ロウ付けやプレスなどの方式を利用して歯片と下地を接続します;歯を挿して放熱器の歯片と基底結合は非常に重要で、もし処理を誤ると、一定の接触熱抵抗を形成して、放熱性能に影響を与えることがあります。
３-放熱器の表面処理
アルミニウム合金は空気中で酸化しやすいです(アルミナ膜を形成)が、このような自然酸化層は緻密ではなく、腐食に強い、汚染しやすい;美しさ、耐腐食性と放熱性能の向上などの要件に基づいて、金属放熱器は表面処理を行う必要があります、一般的な表面処理プロセス:陽極酸化、ブラスト、化学ニッケルめっきやラッカーなど。
陽極酸化：陽極酸化の原理は実質的に水電解で、アルミニウムやアルミニウム合金を陽極にして誘電体溶液の中で、電解作用を利用してその表面にアルミナ薄膜を形成させるプロセスはアルミニウムやアルミニウム合金の陽極酸化処理と呼ばれます;陽極酸化を行った後の放熱器の表面は率を放出して高めて、熱放射の放熱能力が少し増強します;陽極酸化はアルミ/ジュラルミンの色を維持・変化させることができ、ラジエータに多いのは黒の陽極酸化です。
ブラスト：ブラストは圧縮空気を使用して、高速の砂の流れの沖撃作用を利用して放熱器の表面をきれいにすることです。表面への沖撃と切削作用により、放熱器表面の錆皮など一切の汚物をきれいにするだけでなく、製品表面に均一な金属光沢を出すことができます。
化学ニッケルをめっきする：化学ニッケルめっきは、ニッケル合金を水溶液から物体の表面に沈殿させるプロセスです。その特徴は表面の硬度が高くて、摩耗に強い性能、めっき層の均一な美しいことと腐食に強い能力などです;銅とアルミは直接溶接できないため,化学ニッケルをめっきしてからはんだ付けなどで溶接します。
ラッカー：ラッカーは高温(280℃~400℃)を通じてラジエータの表面に特フッ素の高性能の特殊な塗料を添加して、放熱器の表面は粘性がなくて、耐熱性、耐湿性、耐摩耗、耐腐食性などの特徴があります;伝統的な塗装工芸に比べて、美観上と熱伝導性の上でラッカーはすべて優位を占めて、しかし熱管ラジエータは高温のために容易に膨張して変形して、だからラッカーを焼く時特別に低温ラッカーの形式を採用する必要があります。
処理しなければならない電力がますます高まるにつれて、放熱器はヒートパイプ、フィンなどのデバイスと組み合わせて性能のより高い放熱モジュールを構成し始めて、しかも放熱効率のより高い水冷放熱器が現れます。
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新エネルギー車の電気制御システムへのIGBTの応用と放熱技術です
要旨:新エネルギー自働車の電気制御システムの主な発熱装置はインバータで、その役割は電池の直流をモータを駆働する交流に逆変換します。この過程でインバータ内のIBGTが大量の熱を発生させますこれらの設備の放熱問題を解決するために、本記事はインバータの働作原理と先進の液冷放熱技術を紹介します。
1-新エネルギー車の電気制御システムへのIGBTの応用
電気制御システムは、新エネルギー車のバッテリーと駆動モータをつなぐ電気エネルギー変換ユニットとして、モータの駆動・制御の中核を担っています。インバータは高圧のバッテリーと電机の働力を接続して相互に変換する装置で、直流の電気エネルギー(バッテリー、蓄電器)を定周波数定圧または調周波数調圧の交流(普通は220V、50Hzの正弦波)に変換する役割を担います。
電気制御システムの構成図
インバータの中でIGBTパワーモジュールはこの過程でとても重要な役割を果たして、エネルギー変換の過程でIBGTは大量の熱を発生して、IGBTの温度が150℃を超える時、IGBTは作用を発揮できないので、風冷または水冷の放熱装置を使用します。IGBTの動作の熱安定性は電気駆働システムの性能の高さを評価する鍵になります。
インバータ仕事の原理
電気制御システムのほかに、IGBTは新エネルギー車の中の車上空調制御システム、充電杭システムも広く応用があります。
電気自働車や充電ポールなどのコア部品として使われています。IGBTモジュールは電気自働車のコストの約10%、充電杭のコストの約20%を占めており、その動作の熱安定性が電気駆働システムの性能の高さを評価する鍵となっています。
２-IGBT液冷放熱技術
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貯蔵バッテリーパックの冷却性能のシミュレーションと液冷板流路の最適化です
1-前書
エネルギー貯蔵システムは、電力網のバランス、新エネルギーの利用効率などの面で重要な役割を果たしており、世界のエネルギー発展と変革を主導する力となっています。電気化学エネルギー貯蔵技術が成熟して、建設期間が短くて、電力とエネルギーは応用の需要に応じて柔軟に配置することができて、充放電の応答速度が速くて、多くの場合に応用することができます。
エネルギー貯蔵システムは充放電の過程で、熱の発生に伴います。放熱が悪いとバッテリー温度が上がりすぎたり、バッテリー温度差が大きくなったり、軽い場合は電池寿命が低下したり、ひどい場合は熱暴走などの安全問題が発生します。
本論文はある実際のプロジェクトを手本にして、バッテリーパックの実際のサイズに基づいて熱流体シミュレーションモデルを構築して、全体の放熱システムの圧力、速度及び温度の分布状況を詳しく分析して、システムの熱負荷状況を得て、バッテリーパック液冷板流路設計のために構造最適化の提案を提供します。
2-プロジェクトの概要
2-1環境の情報
2-2熱源デバイス仕様情報
2-3 熱伝導のシリカゲル
3-放熱モデル
熱を逃がす液冷方式のバッテリーパックで、72個の280AHコアと液冷プレートで構成されています。液冷板は長さ1570mm、幅960mm、高さ42mmで、内部には24本の流路が設けられています。バッテリーパックの放熱モデルは次の通りです。
放熱システムモデル
4-水入れ8L／minでのシミュレーション結果です
コアの温度分布は18.38-28.77℃で、最も温度の高いコアの温度分布は21.46-26.37℃、最も温度の低いコアの温度分布は18.76-26.37℃です。図(a)のようになります。
液冷板の温度分布は18.00 ~ 21.99℃ 写真(b)を御参照お願います。
流れ抵抗は約17KPa、液冷板の圧力断面図(c)、液冷板のスピード断面図(d):
5-结论
このスキームでは、全体の温度は18.38-28.77℃の間で、最高と最も低温のコア温度差2.4℃、液冷板全体の温度は18.00-21.99℃の間で、温度性を最適化する必要がありますが、多くの高温地域が現れます。
液冷板の圧力とスピードの断面図を照らし合わせてみると、液冷板の高温域は主に圧力と速度の低い領域に分布しています。コアの配置位置と合わせて、液冷板の幅の余裕が大きいことが分かります。液冷板の最も外側の2本の流路を封じ込むか、液冷板の幅を小さくてて放熱効果を高めます。
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パワーバッテリーの放熱概要
自動車やバッテリーが急速に発展する可能性があります。
その中心部品であるパワーバッテリーは化学電源で、温度に敏感で、適切な温度環境で動作する必要があります。パワーバッテリーの充放電では、内部のインピーダンスが原因で大量の熱が発生します。また、バッテリーパックは比較的密閉された環境にあります。熱を蓄積しやすく、温度を上げやすく、熱暴走を起こすこともあります。そのため、効率的で安全な動力バッテリーの冷却システムが重要になります。
現在、バッテリーの冷却方案は3種類があって、それぞれ風の冷却、液体の冷却と直接冷媒の冷却です。
構造が比較的簡単でコストも安いため、バッテリー容量が小さく放熱圧力が低いシーンに適しています。
実際に使用するには、液体媒体は伝熱系数が高く、熱容量が大きく、冷却速度が速いため、バッテリー温度の均一性を高める効果があります。液体冷却法が主流です。
冷媒の直接冷却技術はさらにバッテリーに対する冷却効果を高めることができますが、バッテリーの蒸発器の均一な温度設計は技術的な難点です。セル間の温度差が5℃(冷却条件+加熱条件)を超えないことが一般的な要件です。現在、冷媒の直接冷却はまだ業界内の主流の設計ソリューションになっていません。
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新エネルギー自動車用バッテリーケースの設計開発の探索です
現在の新エネルギー車開発の3大重点——安全性、軽量化、信頼性は、すべてバッテリーパックと密接に関連しています。また、バッテリーケースはバッテリーシステムの搭載要素であり、バッテリーパックひいては車全体の沖突、エネルギー消費量などに大きな影響を与えます。
新エネルギー自動車用バッテリーパックです
1-バッテリーパックの安全性です
新エネルギー車の三電システムの中で最も核心的な部品として、電池パックは直接に新エネルギー車の主要な性能指標に影響して、その安全性はよく車全体の信頼性を決定します。新エネルギー車のバッテリーパックは衝突時に大きな安全上の危険があります。衝突変形は内部バッテリーモジュールに短絡、遮断路、常発熱、爆発などの現象を引き起こします。バッテリーパック筐体の抗衝突性能は直接バッテリーモジュールの安全性に影響します。
バッテリーパックの安全性設計の鍵は、衝突中のバッテリーパックの損傷を低減することです。そのため、車両全体の衝突伝力経路を最適化し、バッテリーパック筐体の防護効果を高めることが設計の鍵です。現在のシミュレーション技術は広く使われています
バッテリーパケットシミュレーションモデルでは、沖突、押出し、沖撃、落下などの環境条件の失効形態を予測し、システムはバッテリーパケットケースの構造、部品のサイズを最適化し、バッテリーパックの安全性を高めるための多目標最適化を行います。
２-バッテリーパックの軽量化
高強度鋼、超高強度鋼、アルミニウム合金、複合材料の応用は、新エネルギー車の軽量化を実現するために必要です。バッテリーパック上の筐体は保護と支持用がないため、ただ密封防塵の役割を果たして、上の筐体は主に鋼板、アルミニウム合金、復合材料を使用します。バッテリーパックの下の筐体はバッテリーシステムで主に全体のバッテリーの品質を担って、外部の沖撃を防いで、バッテリーのモジュールの役割を保護します。電池パック筐体の主流制造プロセスはあります:押し出しアルミ型材+溶接成型、プレスアルミ板+溶接成型、ダイカストアルミ+鋳造成型する。現在、押出アルミ型材+溶接成型は、国内企業の一般的な下筐体製造案であり、それよりプレスアルミ制筐体、制造難度が低く、圧鋳アルミ制筐体より、成型サイズが大きいです。
バッテリトレイ（バッテリパック下ケース）
新エネルギー車は、バッテリーパックとシャーシが高い重複領域にあるため、シャーシとバッテリーパック構造の統合最適化が、軽量化に重要です。
CTP技術では、一般的なバッテリーパックはコアから組み立ててモジュールになり、さらにモジュールをバッテリーパックの中に取り付けて中間モジュールの段階を省略して、コアを直接バッテリーパックの上に集積して、バッテリーパックは車全体の構造部材の一部として車体の床下に集積します。CTP技術は、バッテリーパックの空間利用率とエネルギー密度、バッテリーパック全体の剛性の向上に効果的です。
CTC技術は、CTP技術の進化版で、コアをフロアフレーム内に直接集積し、バッテリーケースをフロア下板とし、シートを直接バッテリーカバーに接続することで、空間利用率63%を実現しています。
CTB技術は、CTCの改良版で、梁の構造と座席の支持部分を残して、一部の基板は電池の被覆で代替されて、空間利用率が66%まで向上して、しかも車体の構造は比較的完備して、安全性がより高くなります。
バッテリーパック搭載モードです
3-バッテリーパックの信頼性です
バッテリーパックの筐体は、軍の兵役から疲労失効までの全プロセス:サイクル負荷の下で、筐体の表面に微細な亀裂が発生し始め、局所の微細な疲労亀裂が徐々に拡張され、最終的には部品の瞬間的な破断失効が発生します。特に、電池パック筐体の接続部は高疲労障害領域となっています。バッテリーケースの実験シミュレーションを行い、バッテリーパックの信頼性設計を向上させる一般的な方法となります。
業界の要求によると、バッテリーパック筐体のシール性はIP6K7等級、さらにいくつかの企業はIP6K9K等級を達成する必要があります。バッテリーパック筐体の密封長さが長いため、一般的に数メートル、密封設計構造が少ないので、そのシール性に注意が必要です。
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igbt1
igbt2
igbt3
igbt4
Igbt5
