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

1-Derating-Design reduziert Kosten

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

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

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

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

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

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

2-Layout optimieren

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

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

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

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

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

Empfehlungen zum Abstand zwischen den Komponenten

3-Wahl der Kühlmethode

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

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

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

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

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

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

            Ladesäulen-Luftkühlmodul                                Ladesäulen-Flüssigkeitskühlmodul

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

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

1-Auswahl der Schweißposition und -methode für Batterieträger

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

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

2-Analyse des Einflusses der thermischen Schweißverformung

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

a.Lange gerade Schweißfläche

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

Schweißen des Batteriefachrahmens

b.Mehrkomponentenverbindungen

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

Im schweißintensiven Bereich ist die Vorderseite der Palette verzogen und verformt

c.Seitenwand des Kühlplattenkanals

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

Thermische Rissdefekte an der Flüssigkeitskühlkanalwand durch Strahlschweißen

3-Verfahren zur Kontrolle der thermischen Verformung beim Schweißen

a.Segmentschweißen, beidseitiges Schweißen

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

b.Optimierung der Schweißreihenfolge

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

c.Einstellung der Schweißparameter

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

d.Verbesserung der Schweißkenntnisse

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

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

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

1-Wärmeleitfähigkeitsprinzip von Aluminiumlegierungsmaterialien

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

Vergleich der Wärmeleitungsmethoden zwischen Metallen und Nichtmetallen

2-Faktoren, die die Wärmeleitfähigkeit von Aluminiumlegierungen beeinflussen

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

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

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

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

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

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

Schematische Darstellung des Prinzips eines einzelnen Immersions-Flüssigkeitskühlsystems für Energiespeicher

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

1-Gleichmäßige Belastung

Der Unterbau des Immersions-Flüssigkeitskühlungs-Energiespeicher-Packs besteht aus einer Bodenplatte und Seitenwänden. Die Bodenplatte dient als fundamentale Stütze, während die Seitenwände rund um die Bodenplatte fixiert sind und zusammen das Hauptgerüst des Gehäuses bilden.Die Abmessungen des Gehäuses werden an die Gesamtanforderungen des Flüssigkeitskühlsystems und die Lastsituation angepasst. Bei der Gestaltung von größeren Gehäusen können intern Trennwände oder Strukturteile sinnvoll eingesetzt werden, um einen großen Raum in mehrere kleine Räume zu unterteilen, wodurch die Tragfläche erhöht wird und die gleichmäßige Belastbarkeit verbessert wird.Darüber hinaus kann die Tragfähigkeit durch die Hinzufügung von Stützrippen und Verstärkungen erhöht werden, und innerhalb des Gehäuses können gleichmäßige Tragstrukturen installiert werden, um die Last an den verschiedenen Ecken auszubalancieren.

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

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

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

2-Wärmeübertragungsdesign

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

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

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

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

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

Das Flüssigkeitskühlsystem umfasst Kühlmittel, Wärmeleitstrukturen, Flüssigkeitskühlschläuche und Stützstrukturen.

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

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

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

3-Dichtungsdesign

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

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

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

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

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

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

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

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

1-Sauberkeitsanforderungen für die Kanäle von Flüssigkeitskühlplatten

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

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

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

Verarbeitung von Flüssigkeitskühlplattenkomponenten: Rillenreinigung und Entgraten

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

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

3-Reinigung und Schutz der Kanäle der Flüssigkeitskühlplatte

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

Bearbeitung von Flüssigkeitskühlplattenkomponenten: Spülen und Entfetten

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

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

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

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

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

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

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

Flachbauweise der flüssigkeitsgekühlten Bodenbox

Flanschbauweise der flüssigkeitsgekühlten Bodenbox

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

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

Schematische Darstellung der Montage von Komponenten des flüssigkeitsgekühlten Kasten

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

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

3-Anforderungen an die Schweißqualität

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

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

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

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

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

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

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

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

Vergleich verschiedener Wärmeübertragungsmethoden

1-Entwurf der Wärmetauscher-Rippen

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

Plate fin heat sink dimensions

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

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

Spaltfläche：A_b= Lh，

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

Querschnittsansicht der Rippe

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

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

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

Der Einfluss des Finnenabstands und der Höhe auf die Kühleffizienz

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

2-Design des Kühlkörper-Basiselements

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

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

Schematische Darstellung des Funktionsprinzips eines Kühlkörpers

Wie in der Abbildung oben gezeigt:

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

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

3-Verbindungstechnik zwischen Rippen und Grundplatte

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Wir werden regelmäßig Informationen und Technologien zu Wärmedesign und Leichtbau aktualisieren und mit Ihnen teilen. 

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Anwendungsszenarien

Betriebsbedingungen:

Szenario mit hohem Wärmestrom

Installationsanordnung:

Einseitige Installation

Typische Anwendung: Kundenspezifische Anpassung

Eigenschaften: Gute Wärmeableitung

Fluid-Simulation

Verwendung von Simulationssoftware zur Analyse der Wärmeableitungsleistung von Kühlern und Kühlelementen

Anwendungsszenarien

Technologie:

Schweißen von Aluminiumprofilen

Anordnung und Installation:

Boden-Flüssigkeitskühlung

Typische Anwendung: Kundenspezifische Anpassung

Eigenschaften: leichtes Gewicht, gute Kühlwirkung

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

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

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

DFM-Optimierungsvorschläge

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

Anwendungsszenarien

Betriebsbedingungen:

Szenario mit hohem Wärmestrom

Installationsanordnung:

Einseitige Installation

Typische Anwendung: Kundenspezifische Anpassung

Eigenschaften: Gute Wärmeableitung

Anwendungsszenarien

Technologie:

Schweißen von Aluminiumprofilen

Anordnung und Installation:

Boden-Flüssigkeitskühlung

Typische Anwendung: Kundenspezifische Anpassung

Eigenschaften: leichtes Gewicht, gute Kühlwirkung

Verwendung sauberer Energien：

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

Leichtbau:

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

Wärmemanagement:

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

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

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

Produktprüfungen

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

Anwendungsszenarien

Betriebsbedingungen:

Szenario mit hohem Wärmestrom

Installationsanordnung:

Einseitige Installation

Typische Anwendung: Kundenspezifische Anpassung

Eigenschaften: Gute Wärmeableitung

Anwendungsszenarien

Technologie:

Schweißen von Aluminiumprofilen

Anordnung und Installation:

Boden-Flüssigkeitskühlung

Typische Anwendung: Kundenspezifische Anpassung

Eigenschaften: leichtes Gewicht, gute Kühlwirkung

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

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

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

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

1-Wie Wasserstoff-Brennstoffzellen funktionieren

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

Wasserstoff-Brennstoffzellen produzieren ungefähr so viel Wärme wie Strom.

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

PEM-Reaktionsprinzip

2-Wärmeableitung einer Wasserstoff-Brennstoffzelle

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

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

3- Wärmeübertragung in PEMFC-Systemen

3.1 Wärmeableitung im Stapel

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

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

3.2 Wärmeübertragung des Kühlmittels

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

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

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

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     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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