In letzter Zeit ist dem Herausgeber aufgefallen, dass viele Unternehmen der Energiespeicherung durch Immersionsflüssigkeitskühlung Aufmerksamkeit schenken und diese planen. Nach einer Zeit der Stille hat die Immersionsflüssigkeitskühlungstechnologie wieder Aufmerksamkeit erregt und scheint wieder populär zu werden. Ich glaube, dass auch viele Kollegen dieser Entwicklung Aufmerksamkeit schenken.

1- Merkmale der Immersionsflüssigkeitskühlungstechnologie

Energiespeicherzellen bewegen sich in Richtung 300+ Ah und Energiespeichersysteme in Richtung 5MWh+. Je größer die Zelle, desto mehr Wärme erzeugt sie, desto schwieriger ist es, Wärme abzuleiten und desto schwieriger ist es, eine Temperaturkonstanz sicherzustellen. Darüber hinaus besteht das Energiespeichersystem aus einer großen Anzahl gestapelter Zellen und die Betriebsbedingungen sind komplex und veränderlich, was eher zu einer ungleichmäßigen Wärmeerzeugung und einer ungleichmäßigen Temperaturverteilung führt. Wenn die Probleme der Wärmeableitung und der Temperaturkonstanz nicht richtig gelöst werden, verringern sich die Lade- und Entladeleistung, die Kapazität und die Lebensdauer der Batterie, was sich auf die Leistung des gesamten Systems auswirkt. Darüber hinaus war die Sicherheit schon immer das „Damoklesschwert“, das über der Energiespeicherung von Lithiumbatterien schwebt, und die gängigste Methode zur Verbesserung der Sicherheit besteht darin, sich den drei Dimensionen Eigensicherheit, aktive Sicherheit und passive Sicherheit zuzuwenden.

Bei der Immersionsflüssigkeitskühlung wird die Batteriezelle in eine isolierende, ungiftige, wärmeableitende Flüssigkeit eingetaucht. Das Kühlmittel hat eine höhere Wärmeleitfähigkeit und spezifische Wärmekapazität. Diese Methode des direkten Kontakts kann eine extrem hohe Wärmeübertragungseffizienz bieten und gleichzeitig eine bessere Temperaturgleichmäßigkeit verbessern. Darüber hinaus kann das Kühlmittel nicht nur als Temperaturkontrollmedium, sondern auch als Feuerlöschflüssigkeit für Energiespeichersysteme verwendet werden, wodurch Temperaturkontrolle und Brandschutz kombiniert werden, was ebenfalls ein wichtiges Merkmal der Immersionsflüssigkeitskühlungstechnologie ist. Die Immersionsflüssigkeitskühlung wird im Kontext einer Branche, die eine höhere Wärmeableitungsleistung und mehr Sicherheit erfordert, zweifellos weitere Vorteile bieten.

Abbildung 1:Eintauchende Flüssigkeitskühlung Energiespeicher Batteriepack-Box

2-Eintauchende Flüssigkeitskühlungsspeichersystemlösung

Als Zweig der Flüssigkeitskühlungstechnologie ist die Immersionsflüssigkeitskühlungstechnologie nicht die erste, die in der Energiespeicherbranche eingesetzt wird. Sie wurde zunächst im Bereich des Hochleistungsrechnens eingesetzt und später schrittweise auf Rechenzentren, künstliche Intelligenz, Kryptowährung usw. ausgeweitet.

Die ursprüngliche Absicht des Designs des Energiespeichersystems mit Immersionsflüssigkeitskühlung besteht darin, die Mängel der herkömmlichen Luftkühlung und der indirekten Flüssigkeitskühlung hinsichtlich der Kühleffizienz und der Kontrolle der Batterietemperaturdifferenz zu beheben. Die offizielle Inbetriebnahme des Projekts Southern Power Grid Meizhou Baohu markiert die erfolgreiche Anwendung der Immersionsflüssigkeitskühlung, einer Spitzentechnologie, im Bereich der neuen Energiespeichertechnik.

l Kühlmethode und Kühlmittelzirkulationsmethode

Die Kühlmethoden werden in einphasig und phasenwechselnd unterteilt. Es wird einphasige Immersionsflüssigkeitskühlung verwendet, die hauptsächlich Mineralöl, Silikonöl, natürliche Ester usw. umfasst. Andere Schemata verwenden zweiphasige Immersionsflüssigkeitskühlung, die hauptsächlich durch Fluorwasserstoff dargestellt wird, und verwenden latente Phasenwechselwärme, um Wärme abzuleiten und die Wärmeableitungseffizienz zu verbessern. Unvollständigen Statistiken zufolge ist das Schema der „einphasigen Immersionskühlung“ das am weitesten verbreitete unter den derzeit auf dem Markt erhältlichen Energiespeichersystemen mit Immersionsflüssigkeitskühlung.

Je nach dem Unterschied im Zirkulationsmodus des Kühlmittels gibt es bei der einphasigen Immersionsflüssigkeitskühlung drei technische Wege: natürliche Konvektion, Pumpenantrieb und immersionsgekoppelte Kaltplattenflüssigkeitskühlung. Die natürliche Konvektion nutzt die Eigenschaften der Flüssigkeitsvolumenausdehnung und Dichtereduzierung nach dem Erhitzen, um das Schweben des heißen Kühlmittels und das Absinken nach dem Abkühlen zu erreichen und so die Zirkulationswärmeableitung abzuschließen; der Kern des Pumpenantriebssystems besteht darin, dass die Flüssigkeitskühleinheit das Kühlmittel antreibt, um es zwischen der Flüssigkeitskühlleitung und der Batterietauchbox zirkulieren zu lassen, um den gesamten Zirkulationswärmeableitungsprozess abzuschließen; und beim Immersionskühlungsschema mit gekoppelter Plattenflüssigkeit wird die Batterie in die dielektrische Flüssigkeit eingetaucht und die in Kontakt mit der dielektrischen Flüssigkeit stehende Kühlplatte wird zum Abführen der Wärme verwendet, wodurch die Verwendung komplexer Sekundärkreisläufe zum Kühlen der dielektrischen Flüssigkeit vermieden wird.

l Produktform und Integrationslösung

Die Iteration der Integrationslösung des flüssigkeitsgekühlten Energiespeichersystems ist ein Prozess vom Ganzen zum Teil und dann zum Detail. Jeder Schritt wird auf der Grundlage der vorherigen Phase optimiert und verbessert, um eine höhere Leistung und Sicherheit zu erreichen.

Von der Kabinenebene bis zur Paketebene weist die Systemintegrationstechnologie die Merkmale der Szenenanpassung auf. Die Diversifizierung der Energiespeicherszenarien macht die Nachfrage nach Energiespeichersystemen unterschiedlich. Ein einzelnes Produkt kann die Marktnachfrage nicht befriedigen. Das modulare Design ermöglicht die Optimierung und Erweiterung von Energiespeicherprodukten entsprechend der Größe und dem Leistungsbedarf des Projekts, sodass Energiespeicherlösungen schnell angepasst und entsprechend unterschiedlichen Anwendungsszenarien und Anforderungen eingesetzt werden können.

3-Herausforderungen und Implementierungsszenarien im Industrialisierungsprozess

Während des Kommerzialisierungsprozesses stehen flüssigkeitsgekühlte Energiespeichersysteme vor zahlreichen Herausforderungen, darunter der wirtschaftlichen Machbarkeit, der technischen Komplexität, der Marktakzeptanz und der Reife der Industriekette.

l Technische Komplexität: Im Vergleich zu Kaltplatten-Flüssigkeitskühlsystemen sind Immersions-Flüssigkeitskühlsysteme komplexer zu entwerfen und zu implementieren.

l Reife der Industriekette: Die Industriekette der Immersionsflüssigkeitskühlungstechnologie ist noch nicht vollständig ausgereift, was ihre Anwendung in einem breiteren Bereich einschränkt. Die Reife der Industriekette wirkt sich direkt auf die Förderung und Kommerzialisierung der Technologie aus.

l Wirtschaftliche Herausforderungen: Die Energiespeicherbranche befindet sich noch in der Anfangsphase der kommerziellen Entwicklung, und die mangelnde Rentabilität erschwert es, teure Technologiewege auf dem Markt zu bevorzugen. Viele Unternehmen konkurrieren mit niedrigen Preisen um befristete Aufträge, was die Verbreitung der Immersionsflüssigkeitskühlung einschränkt.

Derzeit wird der Hauptmarkt der Energiespeicherbranche noch immer von Luftkühlung und Kaltplattenflüssigkeitskühlung dominiert, und die Immersionsflüssigkeitskühlung wurde vom Markt noch nicht vollständig akzeptiert. Obwohl die Marktdurchdringung und Akzeptanz der Immersionsflüssigkeitskühlungstechnologie nicht hoch sind, weist sie in einigen speziellen Szenarien möglicherweise kein erhebliches Potenzial auf, wie zum Beispiel:

l Gefahrstoffindustrie: Unternehmen, die Gefahrstoff produzieren, haben extrem strenge Sicherheitskontrollen für Energiespeichergeräte, da die meisten der von ihnen produzierten und gelagerten Chemikalien leicht entflammbar, explosiv, giftig oder ätzend sind. Kommt es zu einem Unfall, verursacht dies nicht nur schwere Verluste für das Unternehmen selbst, sondern kann auch Umweltverschmutzung und Schäden in den umliegenden Gemeinden verursachen.

l Basisstationen und Rechenzentren: Basisstationen und Rechenzentren haben eine geringe Toleranz gegenüber thermischem Durchgehen. Energiespeichersysteme in Rechenzentren müssen über Batterien mit stabiler Leistung verfügen und dürfen nicht zu thermischem Durchgehen neigen, um die Systemsicherheit zu gewährleisten. Die Anforderungen an die Stromqualität sind hoch und das Energiespeichersystem muss schnell reagieren können. Im Falle eines Notfalls wie einem Netzausfall oder Stromausfall muss das Energiespeichersystem in der Lage sein, direkt in den Entlademodus zu wechseln, um die Kontinuität und Stabilität der Stromversorgung zu gewährleisten.

l Schnellladestation: Beim Laden und Entladen mit hoher Geschwindigkeit erzeugt die Batterie in kurzer Zeit viel Wärme, was zu einer zu hohen und ungleichmäßigen Temperatur der Batterie führt und die Leistung, Lebensdauer und Sicherheit der Batterie gefährdet. Dies bedeutet, dass das Wärmemanagement der Batterie in Szenarien mit hoher Lade- und Entladegeschwindigkeit besonders wichtig wird.

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Die Luftdichtheit des Akkupacks ist ein entscheidender Indikator in Elektrofahrzeugen und Energiespeichersystemen. Der Luftdichtheitstest des Akkupacks wird hauptsächlich an der Akkupackhülle, der Schnittstelle, dem Anschluss, der Kühleinheit usw. durchgeführt, um sicherzustellen, dass das Innere des Akkupacks nicht durch Verunreinigungen wie Staub und Feuchtigkeit aus der äußeren Umgebung verunreinigt oder befallen ist und dass die Kühleinheit nicht leckt, um sicherzustellen, dass der Akkupack seine normale Leistung und Lebensdauer beibehält und keine Sicherheitsunfälle wie Kurzschlüsse oder Explosionen verursacht.

1-Standardformulierung für die Prüfung des Schutzniveaus und der Luftdichtheit von Batteriepacks

Internationale Schutzart (IEC60529), auch bekannt als Fremdkörperschutzniveau oder IP-Code. Das IP-Schutzniveausystem (Ingress Protection) ist ein von der International Electrotechnical Commission (IEC) festgelegter Standard zur Klassifizierung des Schutzniveaus von Gehäusen elektrischer Geräte gegen das Eindringen von Fremdkörpern und Wasser. Der Luftdichtigkeitsgrad des Akkupackgehäuses muss normalerweise IP67 oder IP68 erreichen, was bedeutet, dass das Akkupackgehäuse vollständig vor dem Eindringen von Staub geschützt sein muss (Staubdichtigkeitsgrad 6) und für einen bestimmten Zeitraum in Wasser mit einem bestimmten Druck eingetaucht werden kann, ohne dass Wasser bis zu einem schädlichen Grad eindringt (Wasserdichtigkeitsgrad 7). Strengere Anforderungen sind, dass der Akkupack 60 Minuten lang in 1 m tiefes Wasser eingetaucht werden kann, ohne dass Wasser eindringt (Wasserdichtigkeitsgrad 8). Das IP-Schutzniveau besteht normalerweise aus zwei Ziffern. Je größer die Zahl, desto höher das Schutzniveau, wie in Abbildung 1 dargestellt:

Abbildung 1: Beschreibung der IP-Schutzstufen

Um sicherzustellen, dass der Akkupack die IP67- und IP68-Anforderungen erfüllt, muss der Akkupack in Wasser getaucht werden. Diese Methode ist zeitaufwändig, zerstört den Akkupack und birgt gewisse Sicherheitsrisiken. Sie ist nicht als Offline-Test für Akkus geeignet. Daher ist es in der Branche gängige Praxis geworden, Luftdichtheitstests durchzuführen, um sicherzustellen, dass der Akkupack die IP67- und IP68-Anforderungen erfüllt. Bei der Formulierung von Luftdichtheitsteststandards muss die Beziehung zwischen Druckabfallwert und Leckrate sowie die Beziehung zwischen Öffnung und Wasserleckage berücksichtigt werden. Die Formulierung von Luftdichtheitsteststandards umfasst eine Reihe von Schritten von theoretischen Extremen bis hin zur experimentellen Überprüfung, um die Umwandlung von IP-Ebene in Luftdichtheitsteststandards zu erreichen. Nehmen wir beispielsweise IP68 als Beispiel:

Abbildung 2: Schritte zur Formulierung von Standards für luftdichte Prüfungen

2- Auswahl der Luftdichtheitsprüfmethoden und Analyse der Prüfschwierigkeiten

Die Konstruktions- und Fertigungsqualität des Akkupacks sind Schlüsselfaktoren, die die Luftdichtheit beeinflussen, darunter die Robustheit und Festigkeit des Akkugehäusedeckels, die Abdichtung des Akkupackgehäuses, Schnittstellen und Anschlüsse, explosionssichere Entlüftungsöffnungen und die Abdichtung des elektrischen Anschlusses selbst. Darüber hinaus treten während des Gebrauchs einige Probleme auf, die die Luftdichtheit beeinträchtigen, wie z. B. Probleme mit Wärmeausdehnung und -kontraktion, Materialalterung sowie Vibrationen und Stöße. Bei der Herstellung und Fertigung von Akkupackgehäusen achten wir stärker auf schlechte Luftdichtheit, die durch Probleme wie Schweißpunkte und Verbindungsqualität verursacht wird, wie z. B. ungleichmäßige Schweißpunkte, schwache oder rissige Schweißnähte, Luftspalte und schlechte Abdichtung von Verbindungsverbindungen.

Der Luftdichtheitstest des Akkupacks ist hauptsächlich in den Luftdichtheitstest der Oberschale, der Unterschale und der Montageteile unterteilt. Der Luftdichtheitstest der Ober- und Unterschale muss nach der Montage die Anforderungen an die Luftdichtigkeit erfüllen. Bei der Auswahl der Luftdichtheitstestmethode für den Akkupack werden die Eigenschaften des Akkupacks, die Anforderungen an die Testgenauigkeit, die Produktionseffizienz und die Kosten im Allgemeinen umfassend berücksichtigt.

Die Prüfung von Batteriepackhüllen in der Technik wird im Allgemeinen in Prozessluftdichtheitsprüfungen und Versandluftdichtheitsprüfungen unterteilt. Darüber hinaus muss die Luftdichtheitsprüfung der Ober- und Unterschale nach der Montage die Anforderungen an die Luftdichtheit erfüllen, was strengere Anforderungen an die Prüfnormen mit sich bringt. Um sicherzustellen, dass die Luftdichtheit den Anforderungen entspricht, müssen im tatsächlichen Betrieb die folgenden Schwierigkeiten überwunden werden:

l Stabilität der Produktstruktur: Die Qualität der Schweißnähte, einschließlich Lochschweißnähte, Hahnschweißnähte, Balkenschweißnähte, Schweißnähte der Rahmenbodenplatte, Schweißnähte der vorderen und hinteren Rahmenabdeckungsplatten usw. Schweißleckageprobleme konzentrieren sich hauptsächlich auf die Start- und Endpunkte des Lichtbogens sowie auf Defekte, die durch Durchbrennen verursacht werden; Risse, die durch Schweißverformungsspannungen verursacht werden, wie z. B. Schweißen der Seitenwände der Bodenplattenhohlräume, Schichtung des Materials der Bodenplattenhohlräume und Unfähigkeit, Schweißverformungsspannungen standzuhalten.

l Anpassungsfähigkeit und Stabilität luftdichter Vorrichtungen: Das Design der Vorrichtungen sollte der Form und den Abmessungen der getesteten Komponenten möglichst genau entsprechen, um sicherzustellen, dass die Komponenten während des Testvorgangs sicher an den Vorrichtungen befestigt werden können, wodurch Testfehler durch Positionsverschiebungen oder Vibrationen reduziert werden. In der Praxis variieren Größe und Form von Batteriepacks jedoch erheblich, was die Entwicklung und Herstellung mehrerer verschiedener Testvorrichtungen erforderlich macht, was die Kosten und die betriebliche Komplexität erhöht. Die Entwicklung einer universellen Vorrichtung würde den Designprozess noch komplizierter machen.

l Repeatability of airtightness test results: Factors such as air pressure, temperature, and dryness of the test workpiece/fixture will affect the airtightness test results.

l Bei Werkstücken mit vielen nicht durchdringenden winzigen Rissen kann es aufgrund von Faktoren wie der Genauigkeit der Erkennungsausrüstung und den Erkennungsparametern vorkommen, dass die Leckquelle nicht erkannt wird, was zu einer verpassten Erkennung führt.

Abbildung 3: Werkzeug zur Prüfung der Luftdichtheit

3-Kombination von in der Technik häufig verwendeten Lösungen zur Erkennung der Luftdichtheit von Batteriepacks

Der Luftdichtheitstest des Batteriepackgehäuses umfasst im Allgemeinen einen Luftdichtheitstest und einen Wassertauchtest. Beim Luftdichtheitstest wird die obere Abdeckung des Batteriekastens versiegelt, sodass nur ein Anschlussanschluss als Lufteinlass übrig bleibt. Die Luftdichtheit des Batteriepacks wird beurteilt, indem der Luftdruck kontrolliert und beobachtet wird, ob Luft austritt. Beim Wassertauchtest wird der gesamte Batteriekasten vollständig in Wasser getaucht und seine Luftdichtheit beurteilt, indem geprüft wird, ob sich Wasser im Kasten befindet.

Helium leak detection is a technology that uses helium as a tracer gas to detect leaks by detecting the helium concentration at the leak location. If helium enters the inside or outside of the device under test where a leak may exist, if a leak occurs, the helium will quickly enter or escape from the system through the leak and be detected by the mass spectrometer. The helium leak detection method has high detection efficiency, especially in detecting small leaks.

Abbildung 4: Vergleich der Lecksuchmethoden

In der tatsächlichen Produktion werden in der Regel mehrere Erkennungsmethoden kombiniert, um die Erkennungseffizienz und -genauigkeit zu verbessern. Beispielsweise eignet sich die Helium-Leckerkennungsmethode für die hochpräzise und kleine Leckerkennung, während die Differenzdruckmethode die Eigenschaften hoher Präzision und schneller Reaktion aufweist. Darüber hinaus weist die herkömmliche Wassererkennungsmethode zwar eine geringe Erkennungsgenauigkeit auf, ist aber intuitiv und kostengünstig und stellt eine bequeme Möglichkeit zum Auffinden von Lecks dar.

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Der mögliche Ausfall der Flüssigkeitsdichtigkeit des Energiespeicher-Flüssigkeitskühlpakets ist auf mehrere Aspekte zurückzuführen, beispielsweise: Leckage, Korrosion und Ablagerung, Kondenswasser und andere Ausfallarten.

1- Fluidverbindung und Zusammensetzung

Im Flüssigkeitskühlsystem des Energiespeichers ist die Flüssigkeitsverbindung für die Übertragung des Kühlmittels zwischen den verschiedenen Komponenten verantwortlich. Durch eine effektive Flüssigkeitsverbindung wird sichergestellt, dass das Kühlmittel effizient im System zirkuliert und so die überschüssige Wärme abgeführt wird, die beim Laden und Entladen der Batterie entsteht.

Ein gut abgedichtetes System kann Kühlmittellecks wirksam verhindern. Leckagen führen nicht nur zu Kühlmittelverlust und erfordern häufiges Nachfüllen, sondern beeinträchtigen auch die Wärmeableitungsleistung und Stabilität des Systems. Bei der Energiespeicherung kann ein Kühlmittelleck auch zu einem Kurzschluss der Batterie führen, was Sicherheitsprobleme verursacht.

2-Flüssigkeitsdichtes Design des Flüssigkeitsverbindungssystems

Das flüssigkeitsdichte Design des Flüssigkeitsverbindungssystems ist das Schlüsselglied, um sicherzustellen, dass das System unter verschiedenen Betriebsbedingungen dicht bleibt und Flüssigkeitslecks vermieden werden.

Abbildung 1: Typischer Einsatz eines Flüssigkeitskühlsystems zur Energiespeicherung

(1) Analysieren Sie mögliche Leckagequellen und Risikopunkte im System:

l Die selbstdichtende Eigenschaft der Flüssigkeitskühlungsbaugruppe. Beispielsweise werden beim integrierten Design des Flüssigkeitskühlkanalsystems und der Packbox die Komponenten durch Schweißen verbunden. Schweißqualitätsmängel, schlechte Schweißnähte, Poren, Risse usw. können zu Problemen mit dem Austreten von Flüssigkeit führen.

l Die Konstruktion ist nicht sinnvoll. Beispielsweise liegen die Positionierungslöcher oder Gewindelöcher der Flüssigkeitskühlbox zu nahe am Strömungskanal, und die schlecht geschweißten Teile können leicht zu Kanälen für das Austreten von Flüssigkeit werden.

l Verbindungsteile: Die Rohrverbindungen, Ventile und Verbindungen des Flüssigkeitskühlsystems sind häufige Leckstellen. Wenn die Verbindungsstruktur nicht richtig ausgelegt ist oder der Herstellungsprozess nicht ausgereift ist, gibt es in den Verbindungen winzige Defekte, und das Kühlmittel kann auch aus diesen Defekten austreten.

l Undichtigkeiten aufgrund unsachgemäßer Installation, Alterung oder Beschädigung des Materials usw.

(2) Gestaltung der Dichtungsstruktur:

l Das flüssigkeitsgekühlte PACK verwendet eine Trocken-Nass-Kühlmethode mit getrennter Kaltplatte. Unter normalen Betriebsbedingungen haben die Batteriezellen keinen Kontakt mit dem Kühlmittel, wodurch der normale Betrieb der Batteriezellen gewährleistet werden kann. Eine Lösung für den Energiespeicher-Flüssigkeitskühler besteht darin, ihn durch einen Extrusionsprozess zu formen, den Strömungskanal direkt auf der Kaltplatte zu integrieren und dann durch mechanische Bearbeitung den Kühlkreislaufweg zu öffnen. Bei diesem Prozess ist die Wahl des richtigen Schweißverfahrens ein wichtiger Schritt, um die Abdichtung sicherzustellen. Einzelheiten finden Sie unter „Entwurf des Schweißverfahrens für die untere Box zur Energiespeicherung“.

l Flüssigkeitskühlleitungen werden hauptsächlich für Übergangsverbindungen zwischen weichen (harten) Rohren zwischen Flüssigkeitskühlquellen und Geräten, zwischen Geräten und zwischen Geräten und Leitungen verwendet. Die wichtigsten Verbindungsmethoden sind:

Schnellanschluss: Eine der Anschlussmethoden für Flüssigkeitskühlsysteme zur Energiespeicherung ist die Verwendung eines VDA- oder CQC-Schnellanschlusses.

Gewindeverbindung: Beide Enden der Verbindungsstruktur sind gleitend mit Rohren verbunden, und die Gewindeverbindung zwischen dem Innengewindering und der Gewindehülse erhöht die Festigkeit der Verbindung.

Begrenzungsrohr- und Mutternverbindung: Ein Verbindungsrohr ist an einem Ende des Rohrs festgeklemmt, und Begrenzungsrohre sind auf beiden Seiten des Verbindungsrohrs fest installiert. Gummischeiben und konvexe Ringe sind fest in den Begrenzungsrohren installiert, und eine Begrenzungsringnut ist auf der Oberfläche des Verbindungsrohrkopfes geöffnet. Eine Mutter ist drehbar mit der Oberseite des Begrenzungsrohrs verbunden und durch Gewinde drehbar mit dem Begrenzungsrohr verbunden.

Dichtringverbindung: Ein Dichtring wird mit starkem Klebstoff an der Innenwand der Gewindehülse befestigt, und die Innenwand des Dichtrings ist beweglich mit der Außenfläche des Rohrs verbunden, um ein Auslaufen während des Gebrauchs zu verhindern.

(3) Die PACK-Flüssigkeitskühlplatte, die Kabinenschnittstelle, die Kabinenrohrleitung usw. sind alle mit einem langfristigen Korrosionsschutz unter üblichen Kühlmittel-, Temperatur- und Durchflussbedingungen ausgestattet, um einen langfristigen Betrieb ohne Korrosion zu gewährleisten. Einfluss der Betriebsbedingungen auf die Flüssigkeitsdichtigkeit:

l Temperatur. Einfluss hoher Temperaturen: Mit steigenden Temperaturen nimmt die Viskosität der Flüssigkeit im Allgemeinen ab, was zu einer Verringerung der Dichtleistung der Flüssigkeit und damit zu einer Beeinträchtigung der Flüssigkeitsdichtigkeit führen kann. Beispielsweise können sich bestimmte Dichtungsmaterialien bei hohen Temperaturen verformen oder verschlechtern, was zu Undichtigkeiten führt. Einfluss niedriger Temperaturen: In einer Umgebung mit niedrigen Temperaturen kann die Flüssigkeit viskos werden, was den Durchfluss erschwert, aber die Leistung des Dichtungsmaterials kann sich verbessern und dadurch die Flüssigkeitsdichtigkeit bis zu einem gewissen Grad erhöhen.

l Druck. Hochdruckumgebung: Unter hohem Druck können Dichte und Viskosität der Flüssigkeit zunehmen, wodurch die Dichtleistung der Flüssigkeit verbessert wird. Übermäßiger Druck kann jedoch auch das Dichtungsmaterial beschädigen und zu Undichtigkeiten führen. Niederdruckumgebung: Unter niedrigem Druck kann die Dichtleistung der Flüssigkeit relativ schwach sein, insbesondere wenn das Dichtungsmaterial selbst defekt oder gealtert ist, besteht eine höhere Wahrscheinlichkeit von Undichtigkeiten.

l Durchflussrate. Hohe Durchflussrate: Wenn die Flüssigkeit mit hoher Geschwindigkeit fließt, kann dies eine große Aufprallkraft auf die Dichtungsfläche ausüben, was zu Verschleiß oder Verformung des Dichtungsmaterials führt und dadurch die Flüssigkeitsdichtigkeit beeinträchtigt. Niedrige Durchflussrate: Bei niedriger Durchflussrate ist die Dichtungsleistung der Flüssigkeit relativ gut, dies kann jedoch auch einige potenzielle Dichtungsprobleme wie kleinere Materialfehler verbergen.

3-Korrosions- und Ablagerungsprobleme

l Auswirkungen der Sperrung auf die Vertraulichkeit:

Kühlmittel, Ablagerungen oder Kesselwachstum können zu internen Verstopfungen, schlechtem Kühlmittelfluss und verringerter Kühlleistung führen.

Verschmutzung und Ablagerung: Mineralien im Kühlmittel können nach längerem Betrieb Ablagerungen an der Innenwand des Rohrs bilden, die als „Ablagerung“ bezeichnet werden. Verschmutzungen können auch durch Niederschlag von Feststoffpartikeln, Kristallisation, Korrosion oder mikrobielle Aktivität entstehen. Dieser Schmutz verstopft Rohre und Kühlplatten, erhöht den Strömungswiderstand und verringert die Wärmeübertragungseffizienz.

Schaumproblem: Im Flüssigkeitskühlsystem kann Schaum entstehen. Der Schaum bleibt an der Oberfläche der Kühlplatte haften, was zu einer Verringerung der Wärmeübertragungswirkung führt und den Widerstand im Systembetrieb erhöhen, Kavitationskorrosion an der Pumpe usw. verursachen und das Gerät beschädigen kann.

l Der Einfluss von Wirbelströmen auf die Luftdichtheit:

Wenn eine Flüssigkeit in einem Rohr oder Spalt fließt, können Geschwindigkeitsänderungen zur Bildung von Wirbeln führen. Insbesondere wenn die Flüssigkeit durch enge Stellen oder Hindernisse fließt, ist die Wahrscheinlichkeit der Wirbelbildung höher. Die Viskosität und Dichte der Flüssigkeit beeinflussen ebenfalls die Entstehung von Wirbeln. Flüssigkeiten mit höherer Viskosität bilden eher Wirbel, während Flüssigkeiten mit höherer Dichte die Wirbelbildung abschwächen können.

Leckagepfade: Wirbelströme bilden auf Kontaktflächen Wirbel, die in Lücken oder unregelmäßigen Oberflächen winzige Leckagepfade bilden können, die zum Austreten von Gas oder Flüssigkeit führen.

Oberflächenverschleiß: Wirbelströmungen können zu Verschleiß der Kontaktflächen führen, insbesondere bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten. Dieser Verschleiß kann die Luftdichtigkeit weiter verringern, da sich auf den abgenutzten Oberflächen mit größerer Wahrscheinlichkeit neue Leckagekanäle bilden.

Thermische Effekte: Wirbelstromflüsse erzeugen Wärme, die zu einer Verformung oder Wärmeausdehnung des Kontaktoberflächenmaterials führen und somit die Luftdichtheit beeinträchtigen kann, insbesondere in Systemen mit großen Temperaturschwankungen.

4-Kondenswasserproblem

Unter bestimmten Bedingungen kann sich in den Flüssigkeitskühlleitungen Kondenswasser bilden, das zu Geräteschäden oder Effizienzeinbußen führen kann. Isolationsfehler: Wenn das Isolationsmaterial der Leitung beschädigt oder gealtert ist, geht Wärme verloren und die Kühlwirkung wird beeinträchtigt. Besonders in Umgebungen mit niedrigen Temperaturen kann ein Isolationsfehler zur Bildung von Frost oder Eis auf der Rohroberfläche führen. Frostrisse: In kalten Umgebungen kann das Kühlmittel in den Leitungen gefrieren und zum Platzen der Leitungen führen, wenn keine geeigneten Frostschutzmaßnahmen getroffen werden.

Lösungen

l Abdichtungsmaßnahmen: Stellen Sie sicher, dass Einlass und Auslass der Flüssigkeitskühlleitung vollständig blockiert sind, um zu verhindern, dass feuchte Außenluft in das Batteriefach eindringt.

l Entfeuchtungseinrichtung: Installieren Sie eine Entfeuchtungsklimaanlage oder nutzen Sie die Entfeuchtungsfunktion, um die Luftfeuchtigkeit im Batteriefach in einem angemessenen Bereich zu halten.

l Temperaturkontrolle: Durch den Einbau von Klimaanlagen oder Lüftungssystemen können Temperatur und Luftfeuchtigkeit in der Umgebung, in der sich der Energiespeicherschrank befindet, kontrolliert werden. So kann die Temperatur beispielsweise bei 20–25 Grad Celsius gehalten und die relative Luftfeuchtigkeit bei 40–60 % geregelt werden.

l Isolationsmaßnahmen: Einfache Isolierung leerer Batterieracks, um das Eindringen von Feuchtigkeit in den Raum mit dem Batteriecluster zu verhindern.

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

Anwendungsszenarien

Betriebsbedingungen:

Szenario mit hohem Wärmestrom

Installationsanordnung:

Einseitige Installation

Typische Anwendung: Kundenspezifische Anpassung

Eigenschaften: Gute Wärmeableitung

Fluid-Simulation

Verwendung von Simulationssoftware zur Analyse der Wärmeableitungsleistung von Kühlern und Kühlelementen

Anwendungsszenarien

Technologie:

Schweißen von Aluminiumprofilen

Anordnung und Installation:

Boden-Flüssigkeitskühlung

Typische Anwendung: Kundenspezifische Anpassung

Eigenschaften: leichtes Gewicht, gute Kühlwirkung

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

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

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

DFM-Optimierungsvorschläge

Wir helfen Ihnen, potenzielle Fehler und Mängel im Produktionsprozess zu reduzieren und stellen sicher, dass das Produkt während der Fertigung die Qualitätsstandards des Designs erfüllt.

Anwendungsszenarien

Betriebsbedingungen:

Szenario mit hohem Wärmestrom

Installationsanordnung:

Einseitige Installation

Typische Anwendung: Kundenspezifische Anpassung

Eigenschaften: Gute Wärmeableitung

Anwendungsszenarien

Technologie:

Schweißen von Aluminiumprofilen

Anordnung und Installation:

Boden-Flüssigkeitskühlung

Typische Anwendung: Kundenspezifische Anpassung

Eigenschaften: leichtes Gewicht, gute Kühlwirkung

Verwendung sauberer Energien：

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

Leichtbau:

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

Wärmemanagement:

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

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

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

Produktprüfungen

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

Anwendungsszenarien

Betriebsbedingungen:

Szenario mit hohem Wärmestrom

Installationsanordnung:

Einseitige Installation

Typische Anwendung: Kundenspezifische Anpassung

Eigenschaften: Gute Wärmeableitung

Anwendungsszenarien

Technologie:

Schweißen von Aluminiumprofilen

Anordnung und Installation:

Boden-Flüssigkeitskühlung

Typische Anwendung: Kundenspezifische Anpassung

Eigenschaften: leichtes Gewicht, gute Kühlwirkung

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

Die Immersionsflüssigkeits-gekühlte Energiespeichertechnologie ist eine fortschrittliche Batteriekühlungsmethode. Sie nutzt die effiziente Wärmeleitfähigkeit von Flüssigkeiten, um die Batterien schnell, direkt und umfassend zu kühlen und den Betrieb in einer sicheren und effizienten Umgebung zu gewährleisten.Das Grundprinzip besteht darin, die Energiespeicherbatterien vollständig in eine isolierende, ungiftige und wärmeleitende Flüssigkeit einzutauchen.Diese Technologie ermöglicht den direkten Wärmeaustausch zwischen der Flüssigkeit und den Batterien, wodurch die bei Lade- und Entladevorgängen entstehende Wärme schnell aufgenommen und an ein externes Kühlsystem abgegeben wird.

Schematische Darstellung des Prinzips eines einzelnen Immersions-Flüssigkeitskühlsystems für Energiespeicher

Der Immersions-Flüssigkeitskühlungs-Energiespeicher-Pack dient als Träger und als Schutzkomponente für die Batteriezellen. Seine Hauptfunktionen bestehen in der Unterstützung des Batterie-Packs und des Kühlmittels, der Sicherheit sowie dem Wärmetransfer.Daher müssen bei der Gestaltung des Gehäuses Faktoren wie Abdichtung, Kühleffizienz, Sicherheit, Materialauswahl und Herstellungsverfahren umfassend berücksichtigt werden, um einen effizienten, sicheren und zuverlässigen Betrieb des Systems zu gewährleisten.Das Design der Gehäusestruktur bildet die Grundlage des gesamten Flüssigkeitskühlsystems.

1-Gleichmäßige Belastung

Der untere Kasten des flüssigkeitsgekühlten Energiespeichers besteht aus einer Bodenplatte und Seitenplatten. Die Bodenplatte dient als Grundträger, und die Seitenplatten sind um die Bodenplatte herum befestigt, die zusammen den Hauptrahmen des Kastens bilden. Die Größe des Kastens sollte unter Berücksichtigung der Gesamtanforderungen und Lastbedingungen des Flüssigkeitskühlsystems angepasst werden. Bei der Konstruktion größerer Kästen können interne Trennwände oder Stützstrukturen sinnvoll eingerichtet werden, um den großen Raum in mehrere kleine Räume zu unterteilen. Kraftbereich, um die gleichmäßige Tragfähigkeit zu verbessern. In der internen Struktur kann die lokale Tragfähigkeit durch Hinzufügen von Stützrippen und Verstärkungsrippen verbessert werden, und im Inneren des Kastens kann auch eine Lastverteilungsstruktur eingerichtet werden, um die Last an jeder Ecke auszugleichen.

Um die Auswirkungen plastischer Verformungen auf die gleichmäßige Belastung zu verringern, können unterschiedliche Bearbeitungsoberflächen auf eine Ebene ausgelegt werden, wodurch die Anzahl der Anpassungen an der Werkzeugmaschine verringert und Verformungen aufgrund von Höhenunterschieden vermieden werden können. Außerdem kann die Breite oder Höhe des Gehäuses erhöht werden, um die Last zu verteilen und Verformungen zu reduzieren.

Darüber hinaus erhöht das integrierte Design des Flüssigkeitskühlkanals und der Bodenplatte des Gehäuses, das durch Rührreibschweißen oder Laserschweißen hergestellt wird, die strukturelle Festigkeit des gesamten Systems erheblich.

Schematische Darstellung der unteren Gehäusestruktur des Einzel-Immersions-Flüssigkeitskühlungs-Energiespeicher-Packs

2-Wärmeübertragungsdesign

Die Wärmeleitfähigkeit ist ein wichtiger Aspekt der immersiven Flüssigkeitskühltechnologie. Das Ziel des Designs besteht darin, sicherzustellen, dass die Batterie in einer Hochtemperaturumgebung effektiv gekühlt wird, um ihre Leistung und Sicherheit zu erhalten.

Die Materialien des Gehäuses sollten eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Übliche Materialien sind Aluminiumlegierungen, Kupfer und aluminium-basierte Verbundwerkstoffe.Das Gehäusedesign muss auch die Auswirkungen von Umwelttemperaturänderungen berücksichtigen. Eine angemessene Dicke der Isolierung kann die Innentemperatur des Gehäuses in einem relativ konstanten Bereich halten und damit die Gesamteffizienz des Systems erhöhen.

Das strukturelle Design des Gehäuses hat direkten Einfluss auf die Wärmeleitfähigkeit. Eine durchdachte Anordnung der Flüssigkeitskanäle sorgt für einen reibungslosen Fluss der Flüssigkeit im Gehäuse und maximiert die Kontaktfläche, was die Wärmeleitfähigkeit des Gehäuses verbessert.Innerhalb des Gehäuses können mehrere Kanäle eingerichtet werden, um die Zirkulationswege des Kühlmittels zu erhöhen und damit die Kühlleistung zu verbessern.

    （linke Seite）Option 1: Vollständig eingetaucht + Einzelkomponente + Plattenwärmetauscher   

（Rechte Seite）Option 2: Vollständig eingetaucht + Einzelkomponente + Gehäusewärmetauscher

Das Flüssigkeitskühlsystem umfasst Kühlmittel, Wärmeleitstrukturen, Flüssigkeitskühlschläuche und Stützstrukturen.

In Option 1 kann die gleiche oder verschiedene Kühlmittel in die Kanäle der Kühlplatte und in den Gehäusehohlraum gefüllt werden, wobei beide Hohlräume versiegelt und voneinander getrennt sind.Im Gehäusehohlraum wird das Batteriemodul vollständig in das Kühlmittel eingetaucht, wodurch eine vollständige Berührung entsteht. Das Kühlmittel bleibt statisch und nutzt die gute Wärmeleitfähigkeit der Flüssigkeit, um die Wärme von der Oberfläche der Batterie zu absorbieren und die Temperaturerhöhung zu senken.In der Kühlplatte wird das Kühlmittel in den Einspeiseverteilers verteilt und strömt parallel in die Kühlplatte, um dann im Auslassverteiler zusammenzukommen und abzufließen. Diese Konfiguration ist hauptsächlich verantwortlich für den Abtransport von Wärme und die Gewährleistung der Kühlung.

In Option 2 strömt das kühle Kühlmittel von unten oder von der Seite ein, während das warme Kühlmittel von oben austritt. Das Kühlmittel zirkuliert innerhalb des Batteriepacks, wodurch die Wärme gleichmäßig verteilt wird, die Gesamteffizienz des Kühlsystems erhöht und die Temperaturkonsistenz der Zelle oder des Batteriepakets aufrechterhalten wird.

Um die Kühlwirkung weiter zu verbessern, können verschiedene Optimierungsmaßnahmen ergriffen werden, wie die Optimierung des Flüssigkeitsflusses und der Zirkulationsmethoden, die Auswahl von Kühlmitteln mit hoher Wärmekapazität und die Verbesserung der Temperaturverteilung der Flüssigkeit.Diese Maßnahmen können die Ansammlung von Wärme und den Energieverlust reduzieren und sicherstellen, dass die Batterie effizient gekühlt betrieben wird.

3-Dichtungsdesign

Für die Flüssigkeitskühlpack-Box wird ein vollständiges Dichtungsdesign unter Verwendung fortschrittlicher Dichtmaterialien und -strukturen entwickelt. Das Dichtungsdesign muss nicht nur die Luftdichtheit, sondern auch die Dichtheit des Flüssigkeitsmediums berücksichtigen, um sicherzustellen, dass die Batteriezellen in alle Richtungen keine Leckagen aufweisen.

Das Design sollte je nach spezifischen Anwendungsanforderungen die geeignete Dichtungsform und -gestalt auswählen. Zudem sind Faktoren wie die Leckagefreiheit der Dichtungen, Abriebfestigkeit, Kompatibilität mit dem Medium und der Temperatur sowie geringe Reibung zu berücksichtigen. Basierend auf den detaillierten Spezifikationen sollten geeignete Dichtungsarten und -materialien ausgewählt werden.

Darüber hinaus hat die Wahl des Schweißverfahrens einen erheblichen Einfluss auf die Dichtungsleistung. Die Auswahl der geeigneten Schweißmethode für unterschiedliche Materialien und Dicken kann die Schweißnahtqualität erheblich verbessern, um die Gesamtheit der Systemstärke und Dichtheit zu gewährleisten.

Abbildung des Fertigprodukts des unteren Gehäuses des Einzel-Eintauch-Flüssigkeitskühl-Packs

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Aluminiumlegierungen sind die am weitesten verbreitete Gruppe von Nichteisenmetall-Strukturwerkstoffen in der Industrie.  Besonders dort, wo die Wärmeleitfähigkeit des Materials eine wichtige Rolle spielt, und ein effizienter Wärmetransport erforderlich ist – beispielsweise bei der Kühlung elektronischer Geräte, der Kühlung der drei Hauptkomponenten von Elektrofahrzeugen (Elektromotor, Leistungselektronik, Batterie), der Kühlung von Batteriespeichersystemen sowie in der Luft- und Raumfahrt – werden sie häufig zur Herstellung von Kühlkörpern, Wärmeleitplatten und elektronischen Bauteilen eingesetzt.

Die Wärmeleitfähigkeit, auch Wärmeleitfähigkeit genannt, ist ein Parameterindex, der die Wärmeleitfähigkeit von Materialien charakterisiert. Sie gibt die Wärmeleitung pro Zeiteinheit, Flächeneinheit und negativen Temperaturgradienten an. Die Einheit ist W/m·K oder W/m·℃. Aluminiumlegierungen sind Legierungen aus Aluminium und anderen Metallen. Ihre Wärmeleitfähigkeit ist sehr gut und der Wärmeleitfähigkeitskoeffizient liegt normalerweise zwischen 140 und 200 W/(m·K). Als Metall mit dem höchsten Gehalt in der Erdkruste hat Aluminium einen relativ niedrigen Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten. Es wird aufgrund seiner hohen Höhe, geringen Dichte und seines niedrigen Preises bevorzugt.

1-Wärmeleitfähigkeitsprinzip von Aluminiumlegierungsmaterialien

Wenn zwischen benachbarten Bereichen eines Materials ein Temperaturunterschied besteht, fließt Wärme durch den Kontaktteil vom Hochtemperaturbereich zum Niedertemperaturbereich, was zu Wärmeleitung führt. In Metallmaterialien gibt es eine große Anzahl freier Elektronen. Freie Elektronen können sich im Metall schnell bewegen und Wärme schnell übertragen. Gitterschwingungen sind eine weitere Möglichkeit der Wärmeübertragung bei Metallen, sie treten jedoch im Vergleich zur Methode der freien Elektronenübertragung in den Hintergrund.

Vergleich der Wärmeleitungsmethoden zwischen Metallen und Nichtmetallen

2-Faktoren, die die Wärmeleitfähigkeit von Aluminiumlegierungen beeinflussen

a.Die Legierung ist einer der Hauptfaktoren, die die Wärmeleitfähigkeit beeinflussen. Legierungselemente kommen in Form von Atomen fester Lösungen, ausgefällten Phasen und Zwischenphasen vor. Diese Formen führen zu Kristalldefekten wie Leerstellen, Versetzungen und Gitterverzerrungen. Diese Defekte erhöhen die Wahrscheinlichkeit der Elektronenstreuung, was zu einer Verringerung der Anzahl freier Elektronen führt und somit die Wärmeleitfähigkeit von Legierungen verringert. Verschiedene Legierungselemente erzeugen unterschiedliche Grade der Gitterverzerrung in der Al-Matrix und haben unterschiedliche Auswirkungen auf die Wärmeleitfähigkeit. Dieser Unterschied ist das Ergebnis mehrerer Faktoren wie der Wertigkeit der Legierungselemente, Atomvolumenunterschieden, der Anordnung der extranuklearen Elektronen und der Art der Erstarrungsreaktion.

b.Die Wärmebehandlung ist ein sehr wichtiger Schritt bei der Verarbeitung von Aluminiumlegierungen. Durch Veränderung der Mikrostruktur und Phasenumwandlung von Aluminiumlegierungen kann deren Wärmeleitfähigkeit erheblich beeinflusst werden. Bei der Mischkristallbehandlung wird die Aluminiumlegierung auf eine bestimmte Temperatur erhitzt, um die gelösten Atome in der Matrix vollständig aufzulösen, und dann schnell abgekühlt, um eine gleichmäßige Mischkristalllösung zu erhalten. Diese Behandlung verbessert die mechanischen Eigenschaften des Materials, verringert aber normalerweise seine Wärmeleitfähigkeit. Die Alterungsbehandlung erfolgt durch entsprechende Kaltverformung und Wiedererwärmung nach der Mischkristallbehandlung, wodurch die Mikrostruktur der Legierung optimiert und ihre Gesamtleistung verbessert werden kann. Bei der Alterungsbehandlung werden die mechanischen Eigenschaften und die Wärmeleitfähigkeit der Legierung berücksichtigt, sodass die Legierung eine hohe Festigkeit beibehält und gleichzeitig eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweist. Durch Glühen wird die Mikrostruktur der Legierung verbessert, indem sie bei niedrigerer Temperatur gehalten wird, um die zweite Phase in der Legierung auszufällen und neu zu verteilen. Durch Glühen können die Plastizität und Zähigkeit von Aluminiumlegierungen verbessert werden, die Auswirkung auf die Wärmeleitfähigkeit variiert jedoch je nach spezifischer Situation.

Schematische Darstellung der Veränderungen der Kristallstruktur während des Alterungsprozesses einer Al-Cu-Legierung

c.Andere Einflussfaktoren sind Verunreinigungen und Zweitphasenpartikel: Verunreinigungen und Zweitphasenpartikel (wie Oxide, Carbide usw.) in Aluminiumlegierungen können heiße Ladungsträger (Elektronen und Phononen) streuen und dadurch die Wärmeleitfähigkeit verringern. Je höher der Verunreinigungsgehalt, desto gröber sind die Zweitphasenpartikel und desto geringer ist im Allgemeinen die Wärmeleitfähigkeit. Die Korngröße von Aluminiumlegierungen beeinflusst ebenfalls die Wärmeleitfähigkeit. Im Allgemeinen gilt: Je kleiner die Korngröße, desto mehr Korngrenzen gibt es und desto geringer ist die Wärmeleitfähigkeit. Darüber hinaus beeinflusst das Verarbeitungsverfahren der Aluminiumlegierung (wie Walzen, Extrudieren, Schmieden usw.) ihre Mikrostruktur und ihren Eigenspannungszustand und damit die Wärmeleitfähigkeit. Kaltverfestigung und Eigenspannungen verringern die Wärmeleitfähigkeit.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Aluminiumlegierungen eine ideale Wahl für Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit sind. Faktoren wie die Art der Legierungselemente in Aluminiumlegierungen und deren Formen, Wärmebehandlungsmethoden, Verunreinigungen, Korngröße und Formgebungsverfahren wirken sich alle auf die Wärmeleitfähigkeit von Aluminiumlegierungsmaterialien aus. Bei der Gestaltung der Materialzusammensetzung und der Prozessplanung sollten umfassende Überlegungen angestellt werden.

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Batterieträger, auch Batteriekästen oder PACK-Boxen genannt, werden bei der Entwicklung von Fahrzeugen mit alternativer Antriebstechnik zunehmend als sehr wichtige Komponente geschätzt. Bei der Konstruktion von Batterieträgern muss das Verhältnis zwischen Faktoren wie Gewicht, Sicherheit, Kosten und Materialleistung ausgewogen sein. Aluminiumlegierungen werden im Automobil-Leichtbau häufig eingesetzt, da sie aufgrund ihrer geringen Dichte und hohen spezifischen Festigkeit Steifigkeit gewährleisten und gleichzeitig die Leistung der Fahrzeugkarosserie sicherstellen können.

1-Auswahl der Schweißposition und -methode für Batterieträger

Aluminium-Batterieträger bestehen aus stranggepressten Aluminiumprofilen und die verschiedenen Komponenten werden durch Schweißen zu einem Ganzen verbunden, um eine komplette Rahmenstruktur zu bilden. Ähnliche Strukturen werden auch häufig in Energiespeicherboxen verwendet.

Zu den Schweißteilen des Batteriefachs gehören normalerweise das Verbinden der Bodenplatte, die Verbindung zwischen der Bodenplatte und der Seite, die Verbindung zwischen dem Seitenrahmen, den horizontalen und vertikalen Balken, das Schweißen von Komponenten des Flüssigkeitskühlsystems und das Schweißen von Zubehör wie Halterungen und Aufhängeösen. Bei der Auswahl der Schweißverfahren werden je nach Material- und Strukturanforderungen unterschiedliche Schweißverfahren ausgewählt, siehe folgende Tabelle:

2-Analyse des Einflusses der thermischen Schweißverformung

Schweißen ist ein lokales Wärmeverarbeitungsverfahren. Da die Wärmequelle auf die Schweißnaht konzentriert ist, ist die Temperaturverteilung auf der Schweißnaht ungleichmäßig, was schließlich zu Schweißverformungen und Schweißspannungen innerhalb der Schweißstruktur führt. Schweißverformung ist das Phänomen, dass sich Form und Größe der geschweißten Teile aufgrund ungleichmäßiger Wärmezufuhr und Wärmeabgabe während des Schweißvorgangs ändern. In Kombination mit der Erfahrung aus tatsächlichen technischen Projekten werden die Teile, die anfällig für Schweißverformungen sind, und die Einflussfaktoren zusammengefasst:

a.Lange gerade Schweißfläche

In der tatsächlichen Produktion besteht die Bodenplatte des Batteriefachs im Allgemeinen aus 2 bis 4 Aluminiumlegierungsprofilen, die durch Rührreibschweißen zusammengefügt werden. Die Schweißnähte sind lang, und es gibt auch lange Schweißnähte zwischen der Bodenplatte und der Seitenplatte sowie zwischen der Bodenplatte und dem Abstandsträger. Lange Schweißnähte neigen aufgrund konzentrierter Wärmezufuhr zu lokaler Überhitzung im Schweißbereich, was zu thermischer Verformung führt.

Schweißen des Batteriefachrahmens

b.Mehrkomponentenverbindungen

Es wird durch lokale Hochtemperaturerhitzung und anschließende Abkühlung während des Schweißvorgangs an der Mehrkomponentenschweißnaht verursacht. Während des Schweißvorgangs wird die Schweißnaht einer ungleichmäßigen Wärmezufuhr ausgesetzt, was zu einem erheblichen Temperaturunterschied zwischen dem Schweißbereich und dem umgebenden Grundmaterial führt, was zu thermischen Ausdehnungs- und Kontraktionseffekten führt und eine Verformung der geschweißten Teile verursacht. Das Ende der elektrischen Installation der Energiespeicherbox ist normalerweise mit einer Wasserdüse, einer Kabelbaumhalterung, einem Balken usw. ausgestattet, und die Schweißnähte sind dicht und sehr leicht zu verformen.

Im schweißintensiven Bereich ist die Vorderseite der Palette verzogen und verformt

c.Seitenwand des Kühlplattenkanals

In Batterieträgern mit integriertem Design der Flüssigkeitskühlplatte können Teile mit geringerer struktureller Steifigkeit, wie dünne Platten und Rohrstrukturen, thermischen Verformungen beim Schweißen nicht gut standhalten und sind anfällig für Verformungen. Beispielsweise ist die Seitenwand des Strömungskanals der Flüssigkeitskühlplatte sehr dünn, im Allgemeinen nur etwa 2 mm. Beim Schweißen von Trägern, Kabelbaumhalterungen und anderen Teilen auf der Modulmontagefläche können leicht Risse und Verformungsfalten an der Seitenwand des Strömungskanals entstehen, was die Gesamtleistung beeinträchtigt.

Thermische Rissdefekte an der Flüssigkeitskühlkanalwand durch Strahlschweißen

3-Verfahren zur Kontrolle der thermischen Verformung beim Schweißen

a.Segmentschweißen, beidseitiges Schweißen

Bei Teilen mit relativ geringen Festigkeitsanforderungen wird Segmentschweißen angewendet, wobei der Schweißvorgang in mehrere kleine Abschnitte unterteilt wird. Die Schweißnähte sind symmetrisch angeordnet, und die Schweißnähte sind im Konstruktionsabschnitt symmetrisch in der Nähe der neutralen Achse angeordnet, sodass sich die durch die Schweißnähte verursachten Verformungen gegenseitig ausgleichen können. Gleichzeitig werden Länge und Anzahl der Schweißnähte minimiert und eine übermäßige Konzentration oder Kreuzung von Schweißnähten vermieden, wodurch der Schweißtemperaturgradient verringert und somit die Schweißverformung verringert werden kann. Bei Teilen mit hohen Festigkeitsanforderungen wie Bodenplatte, Bodenplatte und Seitenrahmen wird doppelseitiges Schweißen angewendet, um die Festigkeit zu erhöhen und gleichzeitig die durch große Teile und lange Schweißnähte verursachte Biegeverformung zu verringern.

b.Optimierung der Schweißreihenfolge

Kontrollieren Sie die Schweißverformung, verwenden Sie Verbindungen mit geringerer Steifigkeit, vermeiden Sie sich kreuzende Zwei- und Dreiwegeschweißnähte und vermeiden Sie Bereiche mit hoher Spannung. Optimieren Sie die Schweißreihenfolge, schweißen Sie zuerst die Bereiche mit geringerer Steifigkeit und zuletzt die Bereiche mit besserer Steifigkeit, z. B. zuerst die Kehlnähte, dann die kurzen Schweißnähte und schließlich die langen Schweißnähte; schweißen Sie zuerst die Quernähte, dann die Längsnähte. Eine vernünftige Schweißreihenfolge kann die Schweißverformung wirksam kontrollieren und dadurch die Schweißabmessungen steuern.

c.Einstellung der Schweißparameter

Kontrollieren Sie Schweißparameter und -prozesse und stellen Sie Schweißgeschwindigkeit, Anzahl der Schweißschichten und Dicke jeder Schweißnaht sinnvoll ein. Verwenden Sie für dickere Schweißnähte Mehrschicht- und Mehrkanalschweißverfahren, und die Dicke jeder Schweißschicht sollte 4 mm nicht überschreiten. Mehrschichtschweißen kann die strukturelle Mikrostruktur reduzieren und die Leistung der Verbindung verbessern. Kontrollieren Sie die Schweißparameter genau und wählen Sie Parameter wie Schweißstrom, Spannung, Elektrodenmodell und Schweißgeschwindigkeit sinnvoll aus, um eine gleichmäßige Form und Größe des Schmelzbades sicherzustellen und so Fehler durch falsche Parameterauswahl zu vermeiden.

d.Verbesserung der Schweißkenntnisse

Verbessern Sie die Bedienerkenntnisse des Schweißers (nutzen Sie mechanische Bearbeitung für große Komponenten oder Knoten mit strengen Anforderungen), um die Konsistenz und Standardisierung der Aktionen beim Schweißen sicherzustellen und durch menschliche Faktoren verursachte Maßprobleme zu reduzieren.

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Bei der Wärmeableitungskonstruktion kann die Einführung effektiver Methoden zur Kostensenkung die Zuverlässigkeit und Effizienz des Gesamtsystems verbessern und gleichzeitig unnötige Kosten reduzieren.

1-Derating-Design reduziert Kosten

Derating-Design ist eine Designmethode, die die elektrischen, thermischen und mechanischen Belastungen, denen Komponenten oder Produkte während des Betriebs ausgesetzt sind, absichtlich reduziert. In tatsächlichen Produktions- und Nutzungsszenarien kann die Stabilität elektronischer Geräte durch die Reduzierung der Belastung der Komponenten verbessert werden.

Schematische Darstellung der Wärmeableitungspfade für 2D- und 3D-Verpackungen

l Reduzieren Sie die Arbeitsbelastung: Während der Produktentwicklung und des Betriebs kann die Arbeitsbelastung der Komponenten durch Reduzierung der Arbeitslast, Steuerung der Betriebsfrequenz, Begrenzung von Strom und Spannung usw. reduziert werden.

l Reduzieren Sie die Umweltbelastung: Reduzieren Sie die Umweltbelastung durch die Auswahl geeigneter Komponententypen, Layouts und Verpackungsformen, z. B. durch die Auswahl von Komponenten mit einer großen Temperaturtoleranz oder die Verwendung von Verpackungsformen mit guter Versiegelung, um die Auswirkungen von Temperatur, Feuchtigkeit und Druck auf die Komponenten zu verringern.

l Anwendung der Zuverlässigkeitstechnik: Durch sinnvolles redundantes Design, Fehlererkennung und -isolierung usw. wird das Ausfallrisiko von Komponenten weiter reduziert.

Durch die Reduzierung der Belastung der Komponenten während des Betriebs können deren Stromverbrauch und Wärmeentwicklung reduziert werden. Wenn Leistungsgeräte unter Belastungsbedingungen betrieben werden, die unter ihrer Nennbelastung liegen, können ihr Stromverbrauch und ihre Wärmeentwicklung reduziert werden, was zur Verbesserung der Energieeffizienz und Zuverlässigkeit des Systems beiträgt. Auf lange Sicht erhöht das Derating-Design effektiv die Lebensdauer der Komponenten, verringert die Ausfallraten, verringert den Wartungsaufwand und senkt somit die Kosten.

2-Layout optimieren

Die Arbeitseffizienz des Kühlers kann durch eine sinnvolle Anordnung der thermischen Komponenten erheblich verbessert werden. Mit einer sinnvollen Strategie zur Komponentenanordnung kann ein Gleichgewicht zwischen Produktleistung und Kosten erreicht werden.

l Wärmeableitungskomponenten verteilen: Verteilen Sie Komponenten, die große Wärmemengen erzeugen, um die Wärmebelastung pro Flächeneinheit zu verringern.

l Wärmeableitungsfördernder Ort: Platzieren Sie das Heizelement an einem Ort, der die Wärmeableitung fördert, beispielsweise in der Nähe einer Lüftungsöffnung oder am Rand des Geräts.

l Versetzte Anordnung: Versetzen Sie die Heizkomponenten während der Anordnung mit anderen allgemeinen Komponenten und versuchen Sie, die Heizkomponenten zu hauptsächlich temperaturempfindlichen Komponenten zu machen, um ihren Einfluss auf die wärmeempfindlichen Komponenten zu verringern.

l Verbesserung des Luftstroms: Durch Änderung des Richtungsdesigns und der Komponentenanordnung wird der Luftstrompfad optimiert, die Durchflussrate erhöht und der Wärmeübertragungskoeffizient verbessert.

Empfehlungen zum Abstand zwischen den Komponenten

3-Wahl der Kühlmethode

Mit der Verbesserung der Leistung elektronischer Komponenten und dem zunehmenden Integrationsgrad nimmt die Leistungsdichte weiter zu, was zu einer erheblichen Zunahme der von den elektronischen Komponenten während des Betriebs erzeugten Wärme führt. Bei der Auswahl einer Wärmeableitungsmethode für elektronische Komponenten umfassen die Anforderungen an die Temperaturregelung hauptsächlich die folgenden Aspekte:

l Temperaturbereich: Verschiedene Komponenten haben unterschiedliche Temperaturtoleranzbereiche. Beispielsweise haben Hochleistungschips wie CPUs Betriebstemperaturanforderungen zwischen 85 und 100 °C, während einige Geräte mit geringem Stromverbrauch höhere Temperaturen vertragen. Daher muss das Kühlsystem sicherstellen, dass die Komponenten in einem sicheren Temperaturbereich arbeiten.

l Genauigkeit der Temperaturregelung: In einigen Szenarien mit strengen Anforderungen an die Temperaturregelung ist es erforderlich, eine Wärmeableitungslösung einzusetzen, die die Temperatur genau regeln kann, um eine Verschlechterung der Komponentenleistung oder sogar Schäden durch zu hohe oder zu niedrige Temperaturen zu vermeiden.

l Umgebungstemperatur: Die Wärmeableitungswirkung elektronischer Geräte hängt nicht nur von der Wärmeableitungskapazität des Geräts selbst ab, sondern wird auch von der Umgebungstemperatur beeinflusst. Das Wärmeableitungsdesign muss Änderungen der Umgebungstemperatur berücksichtigen und versuchen, das Gerät durch Wärmeableitungsmittel in einem geeigneten Temperaturbereich zu halten.

l Stromverbrauch und Zuverlässigkeit: Einige elektronische Komponenten mit geringem Stromverbrauch können die natürliche Wärmeableitung nutzen, wenn sie wenig Wärme erzeugen. Bei Geräten mit hohem Stromverbrauch muss auf die Wärmeableitungstechnologie der Universitäten gewartet werden, um sicherzustellen, dass die normale Leistung erhalten bleibt und der Betrieb unter hoher Belastung verlängert wird Lebensdauer.

l Versiegelung und Dichte: Bei versiegelten und hochdichten Geräten können Sie sich auf die natürliche Wärmeableitung verlassen, wenn die Wärmeentwicklung nicht hoch ist. Wenn Komponenten dicht gepackt sind und große Mengen Wärme erzeugen, sind effektivere Wärmeableitungstechnologien wie erzwungene Wärmeableitung oder Flüssigkeitskühlung erforderlich. Flüssigkeitskühlung und Heatpipe-Technologie werden in Szenarien mit hohem Stromverbrauch und großer Wärmeentwicklung eingesetzt, beispielsweise bei elektronischen Hochleistungskomponenten wie Wanderfeldröhren, Magnetrons und Leistungsverstärkerröhren, Servern und Geräten mit hohem Stromverbrauch sowie Drei-Elektro-Systemen von Fahrzeugen mit neuer Energie. Seine einzigartigen Anwendungsvorteile.

            Ladesäulen-Luftkühlmodul                                Ladesäulen-Flüssigkeitskühlmodul

Bei der Auswahl einer Kühlmethode für elektronische Komponenten müssen Faktoren wie Wärmeerzeugung und Wärmestrom, Umgebungstemperatur und Betriebstemperatur, Platzbeschränkungen und Anforderungen an die Wärmeisolierung sowie Kosten und Machbarkeit umfassend berücksichtigt werden. Durch den Einsatz geeigneter Kühltechnologie und Kühlgeräte, um sicherzustellen, dass die Komponenten bei einer geeigneten Temperatur arbeiten, können die Kosten für Systemaustausch und Wartung effektiv gesenkt werden. Darüber hinaus ist die Wiederverwendung historischer Projekte auch eine effektive Strategie, um Entwicklungs- und Herstellungskosten zu senken und die Zuverlässigkeit zu verbessern.

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

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

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

1-Wie Wasserstoff-Brennstoffzellen funktionieren

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

Wasserstoff-Brennstoffzellen produzieren ungefähr so viel Wärme wie Strom.

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

PEM-Reaktionsprinzip

2-Wärmeableitung einer Wasserstoff-Brennstoffzelle

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

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

3- Wärmeübertragung in PEMFC-Systemen

3.1 Wärmeableitung im Stapel

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

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

3.2 Wärmeübertragung des Kühlmittels

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

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

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

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

Chip-Verpackungsprozess und TDP

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

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

1-Material des Kühlkörpers

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

2-Kühlkörperherstellungsprozess

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

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

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

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

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

3-Oberflächenbehandlung des Kühlkörpers

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

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

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

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

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

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

Anodisieren

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

1- Anwendung von IGBT im elektronischen Steuerungssystem neuer Energiefahrzeuge

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

Vereinfachtes Diagramm des elektrische Steuersystems

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

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

So funktioniert der Wechselrichter

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

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

IGBT-Flüssigkeitskühlungstechnologie

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1-Einleitung:

Energiespeichersysteme haben sich aufgrund ihrer wichtigen Rolle bei der Netzstabilisierung und der Steigerung der Nutzung erneuerbarer Energien zur treibenden Kraft für die weltweite Energiewende und Entwicklung entwickelt.

Die Technologie ist ausgereift, die Bauzeit ist kurz, und Leistung sowie Energie können flexibel an verschiedene Anwendungsanforderungen angepasst werden. Die Lade- und Entladegeschwindigkeit ist hoch, und sie kann in verschiedenen Bereichen eingesetzt werden.

Energiespeichersysteme erzeugen während des Lade- und Entladevorgangs Wärme. Wenn die Wärmeabfuhr nicht ausreichend ist, kann dies zu einer Überhitzung der Batterie oder zu großen Temperaturunterschieden innerhalb der Batterie führen. Im besten Fall verkürzt dies die Lebensdauer der Batterie; im schlimmsten Fall können Sicherheitsprobleme wie thermisches Durchgehen auftreten.

Dieser Artikel basiert auf einem tatsächlichen Projekt und erstellt ein Thermoflüssigkeitssimulationsmodell entsprechend der tatsächlichen Größe des Batteriepakets. Es analysiert die Druck-, Geschwindigkeits- und Temperaturverteilung im gesamten Kühlsystem detailliert und ermittelt die thermische Belastungssituation des Systems , das ist der Flüssigkeitskühlplattenfluss des Batteriepakets. Road Design bietet strukturelle Optimierungsvorschläge.

2-Projektübersicht

2.1 Umweltinformationen

2.2 Informationen zur Spezifikation des Wärmequellengeräts:

2.3 Wärmeleitenden Silikons

3-Thermisches Modell

Der Akku nutzt Flüssigkeitskühlung zur Wärmeableitung und besteht aus 72 280-Ah-Zellen und einer Flüssigkeitskühlplatte.Die Abmessungen der Flüssigkeitskühlplatte betragen: Länge 1570 mm, Breite 960 mm, Höhe 42 mm und 24 Strömungskanäle im Inneren. Das Wärmeableitungsmodell des Akkupacks ist wie folgt:

Kühlsystemmodell

4-Simulationsergebnisse unter Wasserzuflussbedingungen von 8 l/min

Die Temperaturverteilung des Batteriekerns beträgt 18,38–28,77 °C. Dabei beträgt der Temperaturverteilungsbereich des Batteriekerns mit der höchsten Temperatur 21,46–26,37 °C und der Temperaturverteilungsbereich des Batteriekerns mit der niedrigsten Temperatur 18,76–26,37 °C. Wie in Abbildung (a) dargestellt:

（a）Temperaturverteilung des Batteriekerns 18,38-28,77℃

Der maximale Temperaturunterschied jeder Batteriezelle beträgt 2,4℃ (28,77-26,37).

Die Temperaturverteilung der Flüssigkeitskühlplatte beträgt 18,00–21,99℃, wie in Abbildung (b) dargestellt:

(b) Temperaturprofil der Flüssigkeitskühlplatte

er Strömungswiderstand beträgt etwa 17 kPa. Das Druckprofil der Flüssigkeitskühlplatte ist wie in (c) dargestellt, und das Geschwindigkeitsprofil der Flüssigkeitskühlplatte ist wie in (d) dargestellt:

(c) Druckprofil der Flüssigkeitskühlplatte

(d) Geschwindigkeitsprofil der Flüssigkeitskühlplatte

5-Abschließend

Bei dieser Lösung liegt die Gesamttemperatur zwischen 18,38 und 28,77 °C, der Temperaturunterschied zwischen dem höchsten und dem niedrigsten Batteriekern beträgt 2,4 °C und die Gesamttemperatur der Flüssigkeitskühlplatte liegt zwischen 18,00 und 21,99 °C. Die Temperaturgleichmäßigkeit muss weiterhin gewährleistet sein optimiert werden, und es gibt viele Hochtemperaturbereiche.

Vergleicht man die Druck- und Geschwindigkeitsprofile der flüssigkeitsgekühlten Platte, erkennt man, dass die Hochtemperaturbereiche der flüssigkeitsgekühlten Platte hauptsächlich in Bereichen mit niedrigerem Druck und niedrigerer Geschwindigkeit verteilt sind.

In Kombination mit der Anordnung der Batteriezellen ist ersichtlich, dass der Breitenspielraum der Flüssigkeitskühlplatte groß ist. Es wird empfohlen, die beiden äußersten Strömungskanäle der Flüssigkeitskühlplatte zu blockieren oder die Breite der Flüssigkeit entsprechend zu reduzieren Kühlplatte, um einen besseren Wärmeableitungseffekt zu erzielen.

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Automobile und Batterieenergiespeicher haben Chancen für eine schnelle Entwicklung gewonnen.

Die Hauptkomponente, die Antriebsbatterie, gehört zu den chemischen Energiequellen und ist sehr temperaturempfindlich, weshalb sie in einer geeigneten Temperaturumgebung arbeiten muss. Während des Lade- und Entladevorgangs der Antriebsbatterie entsteht aufgrund des inneren Widerstands eine große Menge Wärme.Außerdem befindet sich das Batteriepaket in einer relativ geschlossenen Umgebung. Dies begünstigt die Ansammlung von Wärme, die Temperatur steigt an und es kann sogar zu einem thermischen Durchgehen kommen. Daher wird ein effizientes und sicheres Kühlsystem für Antriebsbatterien besonders wichtig. 

Derzeit gibt es drei Arten von Batteriekühlsystemen: Luftkühlung, Flüssigkeitskühlung und direkte Kältemittelkühlung.

Diese Methode hat eine relativ einfache Struktur und geringe Kosten und eignet sich für Szenarien mit geringer Batteriekapazität und geringem Kühlungsbedarf.

In der Praxis hat das Flüssigkeitsmedium einen hohen Wärmeübergangskoeffizienten, eine große Wärmekapazität und eine schnelle Kühlgeschwindigkeit, was die Temperaturgleichmäßigkeit der Batterie besser verbessert. Flüssigkeitskühlung ist derzeit die gängige Lösung.

Die Kältemitteldirektkühlung kann die Kühlwirkung der Batterie weiter verbessern, jedoch ist das gleichmäßige Temperaturdesign des Batterieverdampfers eine technische Herausforderung. Allgemein wird gefordert, dass der Temperaturunterschied zwischen den Batteriezellen im Batteriesystem 5°C nicht überschreiten sollte (unter Kühl- und Heizbedingungen).Derzeit hat sich die Direktkühlung mit Kältemittel noch nicht als die gängige Designlösung in der Branche etabliert.

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Die drei aktuellen Schwerpunkte bei der Entwicklung neuer Energiefahrzeuge – Sicherheit, Leichtbau und Zuverlässigkeit – sind eng mit dem Batteriepacks verbunden, wobei das Batteriefachgehäuse als Tragelement des Batteriesystems eine wesentliche Rolle spielt und erhebliche Auswirkungen auf die Kollision und den Energieverbrauch des Batteriepacks sowie des gesamten Fahrzeugs hat.

Struktur des Batteriepacks für neue EnergiefahrzeugeElektrofahrzeug

1-Sicherheit des Batteriepacks

Als der wichtigste Bestandteil des Drei-Elektro-System von Neuen Energiefahrzeugen beeinflusst das Batteriefach direkt die wichtigsten Leistungskennzahlen des Fahrzeugs. Die Sicherheit des Batteriefachs bestimmt oft die Zuverlässigkeit des gesamten Fahrzeugs.

Bei einem Zusammenstoß besteht beim Batteriefach von Neuen Energiefahrzeugen ein erhebliches Sicherheitsrisiko. Verformungen bei einem Unfall können zu Problemen wie Kurzschlüssen, Unterbrechungen, Überhitzung und Explosionen innerhalb der Batteriemodule führen. Daher beeinflusst die Stoßfestigkeit des Batteriefachgehäuses direkt die Sicherheit der Batteriemodule.

Der Schlüssel zum Sicherheitsdesign des Batteriepacks liegt darin, den Schaden am Batteriefach während eines Zusammenstoßes zu minimieren. Daher sind die Optimierung des Krafteinleitungswegs des gesamten Fahrzeugs bei einem Unfall und die Verbesserung der Schutzwirkung des Batteriefachgehäuses entscheidend für das Design.

Derzeit wird Simulationstechnik weit verbreitet eingesetzt. Durch die Erstellung von Simulationsmodellen für Batteriepacks können Ausfallformen bei Kollisionen, Kompressionen, Stößen und Stürzen vorhergesagt werden. Diese Technologie ermöglicht eine systematische Optimierung der Batteriefachgehäuse-Struktur und der Teileabmessungen sowie eine mehrzielige Optimierung der Sicherheit des Batteriepacks zur Verbesserung der Sicherheitsleistung.

2-Leichtbau des Batteriepacks

Die Anwendung von hochfestem Stahl, ultra-hochfestem Stahl, Aluminiumlegierungen und Verbundwerkstoffen ist ein wesentlicher Schritt zur Erreichung des Leichtbaus von Neuen Energiefahrzeugen.

Da das obere Gehäuse des Batteriepacks keine Schutz- und Stützfunktionen erfüllt, sondern lediglich der Abdichtung und Staubschutz dient, wird hauptsächlich Stahlblech, Aluminiumlegierung und Verbundmaterialien verwendet.

Das untere Gehäuse des Batteriepacks hingegen übernimmt die Hauptaufgabe, das Gewicht der gesamten Batterie zu tragen, äußeren Stößen zu widerstehen und die Batteriemodule zu schützen.

Die gängigen Fertigungstechnologien für das untere Gehäuse des Batteriepacks sind: Extrusionsaluminiumprofile + Schweißformung, Stanzaluminiumbleche + Schweißformung, und Druckgussaluminium + Gussformung.

Derzeit ist die Kombination aus Extrusionsaluminiumprofilen und Schweißformung die in der Industrie am häufigsten verwendete Fertigungslösung für das untere Gehäuse. Diese Methode bietet im Vergleich zu gestanztem Aluminium ein geringeres Fertigungsaufwand und im Vergleich zu Druckgussaluminium größere Formgrößen.

Leichtbau des Batteriepacks

Da das Batteriefach von Neuen Energiefahrzeugen und das Chassis in einem stark überlappenden Bereich liegen, ist die integrierte Optimierung der Struktur von Chassis und Batteriefach für den Leichtbau von Neuen Energiefahrzeugen von großer Bedeutung.

CTP-Technologie: Normalerweise wird ein Batteriefach durch die Montage von Zellmodulen erstellt, die dann in das Batteriefach eingebaut werden. Bei der CTP-Technologie (Cell-to-Pack) wird dieser Zwischenschritt übersprungen, indem die Zellen direkt in das Batteriefach integriert werden, welches dann als Teil der Fahrzeugstruktur in den Fahrzeugboden integriert wird. 

Diese Technologie verbessert die Raumausnutzung und Energiedichte des Batteriefachs sowie die gesamte Steifigkeit des Batteriefachs.

CTC-Technologie: Die CTC-Technologie (Cell-to-Chassis) ist eine weiterentwickelte Version der CTP-Technologie, bei der die Zellen direkt in das Bodenrahmen integriert werden. Das Batteriefachgehäuse dient als obere und untere Platte des Fahrzeugsbodens, und die Sitze sind direkt mit der Oberseite des Batteriefachs verbunden. Die Raumausnutzung erreicht 63%.

CTB-Technologie: Die CTB-Technologie (Cell-to-Body) ist eine verbesserte Version der CTC-Technologie, bei der die Querträgerstruktur und die Sitzstütze beibehalten werden. Nur ein Teil des Bodens wird durch die obere Abdeckung des Batteriefachs ersetzt, wodurch die Raumausnutzung auf 66% erhöht wird. Darüber hinaus bleibt die Fahrzeugstruktur weitgehend intakt, was die Sicherheit erhöht.

Muster für den Zusammenbau des Batteriepacks

3-Zuverlässigkeit des Batteriepacks

Der gesamte Prozess der Zuverlässigkeit des Batteriepacks von der Inbetriebnahme bis zum Ermüdungsversagen ist wie folgt: Unter zyklischer Belastung beginnen feine Risse auf der Oberfläche des Gehäuses zu erscheinen. Lokale, kleine Ermüdungsrisse dehnen sich allmählich aus, bis schließlich ein plötzlicher Bruch des Teils auftritt.

Insbesondere sind die Verbindungsstellen des Batteriefachgehäuses Bereiche mit hoher Ermüdungsanfälligkeit.

Experimente und Simulationen am Batteriefachgehäuse sind allgemein übliche Methoden zur Optimierung und Verbesserung des Zuverlässigkeitsdesigns des Batteriepacks.

Nach den Branchenanforderungen muss die Dichtheit des Batteriepackhäuses den IP6K7-Standard erreichen, und in einigen Fällen verlangen Unternehmen sogar den IP6K9K-Standard.

Da die Dichtlänge des Batteriepackhäuses oft mehrere Meter beträgt und die Dichtungsdesignstruktur relativ einfach ist, ist besonders auf die Dichtheit zu achten.

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1-Grundprinzip der Rührreibschweißtechnologie (FSW)

Ein schnell rotierender Rührkopf wird in das Werkstück eingeführt und bewegt sich entlang der Schweißrichtung.

Der Kontaktbereich zwischen dem Mischkopf und dem Werkstück erzeugt durch Reibung Wärme. Durch die Bewegung der Rührnadel wird das umgebende Metall plastisch weich, wodurch die Metallschicht im Hohlraum hinter der Rührnadel ebenfalls erweicht wird.

Heutzutage wird das Rührreibschweißen hauptsächlich für die Verbindung von Aluminium, Kupfer, Magnesium, Titan und anderen Medien oder artfremden Materialien eingesetzt.

2-Rührreibschweißtechnologie (FSW)

Beim Beginn des Schweißens: Der schnell rotierende Schulterbereich und das Rührwerkzeug mit nadelförmigen Vorsprüngen werden in den Schweißbereich des Werkstücks eingeführt. 

Die Schulter kann gleichzeitig verwendet werden, um das Überlaufen des Materials im plastischen Zustand zu verhindern.

Während des Schweißvorgangs: Der Reibungswiderstand zwischen dem Rührkopf und dem Schweißmaterial erzeugt durch Reibung Wärme, die das Material erweicht und plastische Verformungen verursacht, wobei die plastische Verformungsenergie freigesetzt wird. Wenn sich der Rührkopf entlang der zu schweißenden Naht nach vorne bewegt, wird das thermoplastische Material von der Vorderseite des Rührkopfes zur Rückseite übertragen. Durch die Schmiedewirkung der Schulter des Rührkopfes wird eine feste Verbindung zwischen den Werkstücken erreicht.

Am Ende des Schweißvorgangs: Der Rührkopf wird vom Werkstück entfernt.

Rührreibschweißtechnologie (FSW)

3-Technologie und Funktionen

Geringe Verformung: Das Material muss nicht schmelzen, die Wärmezufuhr ist gering, und die Verformung ist minimal.

Hohe Anpassungsfähigkeit: Unempfindlich gegenüber Umgebungsfeuchtigkeit und -temperatur, hohe Anpassungsfähigkeit.

Hervorragende Leistung: Im Schweißbereich bildet sich eine dichte „Schmiedestruktur“ ohne Blasen oder Schrumpfungsfehler.

Umweltfreundlich und sicher: Der Schweißprozess erzeugt keinen Lichtbogen, Rauch oder Spritzer, wodurch er sicher, umweltfreundlich und nachhaltig ist.

Festigkeitsprüfung von Rührreibschweißverbindungen

Im Vergleich zu herkömmlichen Schmelzschweißverfahren bietet das Reibschweißen folgende herausragende Vorteile:

• Es handelt sich um eine Festkörper-Schweißtechnik, bei der das Schweißmaterial während des Prozesses nicht schmilzt.

• Die Qualität der Schweißverbindung ist gut; die Schweißnaht weist eine feinkörnige Schmiedestruktur auf und ist frei von Poren, Rissen und Schlackenfehlern.

• Es gibt keine Einschränkungen hinsichtlich der Position der Schweißnaht, wodurch verschiedene Arten von Verbindungen geschweißt werden können.

• Hohe Schweißeffizienz, ermöglicht einmalige Schweißbildung im Bereich von 0,4 bis 100 mm Dicke.

• Geringe Restspannungen und geringe Verformung im Schweißbereich ermöglichen hochpräzises Schweißen.

• Hohe Festigkeit der Verbindung, gute Ermüdungsfestigkeit und hohe Schlagzähigkeit.

• Niedrige Schweißkosten, keine Verbrauchsmaterialien für das Schweißverfahren erforderlich, keine Schweißdrahtzufuhr oder Schutzgase notwendig.

• Einfache Schweißoperationen, leicht zu automatisieren.

  
  

4-Anwendung der Rührreibschweißtechnologie bei der Herstellung von Batteriewannen

Aluminiumlegierungen haben den Vorteil einer geringen Dichte, einer hohen spezifischen Festigkeit, einer guten thermischen Stabilität, einer guten Korrosionsbeständigkeit und Wärmeleitfähigkeit, keiner Magnetizität, einer leichten Formbarkeit und eines hohen Recyclingwerts. Sie sind daher das ideale Material für ein leichtes Design von Batteriesätzen.

Derzeit zeigen Aluminiumlegierungs-Batteriewannen und Kunststoffabdeckungen eine signifikante Gewichtseinsparung und werden von vielen Automobilherstellern übernommen. 

Der Batteriewannen verwendet eine Kombination aus Aluminium-Extrusionsprofilen, Rührreibschweißen und MIG-Schweißen, was zu niedrigen Gesamtkosten führt und die Leistungsanforderungen erfüllt. Zudem ermöglicht er die Integration eines wassergekühlten Batteriezirkulationskanals.

Ein typischer Batteriewannen besteht hauptsächlich aus einem Rahmen aus Aluminiumlegierungsprofilen und einer Bodenplatte aus Aluminiumlegierungsprofilen. Diese werden mit 6er-Serie-Extrusionsprofilen zusammengeschweißt, wie im folgenden Bild gezeigt:

Aluminiumlegierungs-Batteriewannen

Querschnittsstruktur und Material:

Der Rahmen und die Bodenplatte bestehen aus Aluminium-Extrusionsprofilen, wobei das Material üblicherweise 6061-T6 (Streckgrenze 240 MPa, Zugfestigkeit 260 MPa), 6005A-T6 (Streckgrenze 215 MPa, Zugfestigkeit 255 MPa) und 6063-T6 (Streckgrenze 170 MPa, Zugfestigkeit 215 MPa) ist.  Bei der Auswahl einer bestimmten Legierung werden Faktoren wie die Komplexität des Querschnitts, die Kosten und der Werkzeugverschleiß berücksichtigt.

Technische Herausforderungen:

Der Rahmen und die Bodenplatte tragen das Batteriemodul und erfordern daher eine hohe Festigkeit. Üblicherweise wird ein doppelwandiger Querschnitt mit Hohlräumen gewählt, um die Festigkeit zu gewährleisten. Die Bodenplattendicke beträgt normalerweise etwa 10 mm, die Wandstärke 2 mm. Einzelne Aluminiumbretter werden weniger verwendet. Der typische Querschnitt des Rahmens besteht aus mehreren Hohlräumen und ist aus 6061-T6 gefertigt, wobei die dünnste Wandstärke 2 mm beträgt. Der typische Querschnitt der Bodenplatte besteht aus mehreren Hohlräumen, einschließlich einer oberen Erhöhung, die hauptsächlich zur Befestigung des Batteriemoduls dient. Die Querschnittsgröße ist relativ groß, die Dicke beträgt nur 2 mm, und das Material ist normalerweise 6005A-T6.

Profilabschnitt

5-Lösung

Die Bodenplatten und die Rahmen werden hauptsächlich durch Rührreibschweißen verbunden. Die Schweißfestigkeit kann etwa 80 % der des Basismaterials erreichen. Die Profilquerschnitte der Bodenplatten verwenden Rührreibschweißverbindungen, und zwischen den Bodenplatten werden doppelseitige Stumpfnähte verwendet. Doppelseitige Schweißnähte haben eine hohe Festigkeit und geringe Verformung. Zwischen dem Rahmen und den Bodenplatten wird eine doppelseitige Rührreibschweißverbindung gebildet. Um genügend Platz für den Rührkopf zu lassen, sollte die Verlängerungslänge an der Verbindungsstelle zwischen dem Rahmen und den Bodenplatten lang genug sein, um eine Interferenz zwischen dem Rahmen und dem Rührkopf zu vermeiden und um eine Vergrößerung der Profilgröße und der Extrusionsschwierigkeit zu vermeiden. Dennoch zeichnet sich das doppelseitige Schweißen durch hohe Festigkeit und geringe Verformung aus, was auch sein Hauptvorteil ist.

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