Более 60% задержек проектов по аккумуляторам связаны с плохим планированием терморегуляции. Я пишу это руководство, чтобы помочь вам освоить жидкостную охлаждающую пластину для посредник по аккумуляторным модулям. Если вы хотите предотвратить тепловой разгон и продлить срок службы аккумулятора, важно сделать всё правильно.
A жидкостная охлаждающая пластина для аккумуляторного блока — это металлический компонент системы терморегулирования, который поглощает и рассеивает тепло, выделяемое аккумуляторными ячейками. Внутренние каналы обеспечивают циркуляцию жидкого хладагента, поддерживая оптимальную рабочую температуру от 25°C до 40°C для предотвращения теплового разгона.
Хотите узнать, как правильно выбрать материалы, производственные процессы и методы тестирования для вашего следующего EV или проекта по хранению энергии? Читайте дальше. Я подробно расскажу обо всём: от обработки на станках с ЧПУ до сварки трением с перемешиванием.
Что такое жидкостная охлаждающая пластина?
Жидкостная охлаждающая пластина по сути представляет собой высокоэффективный радиатор с полыми каналами внутри.
Вместо того чтобы полагаться на окружающий воздух для отвода тепла, эти пластины используют жидкий теплоноситель, который циркулирует по внутренним каналам. Металлическая поверхность пластины непосредственно или косвенно контактирует с вашими тепловыделяющими компонентами.
Когда компоненты нагреваются, тепло передается в металлическую пластину. Протекающая жидкость затем поглощает это тепло и уносит его к радиатору или чиллеру, где охлаждается перед повторным прохождением по системе.
Представьте себе это как радиаторную систему в традиционном автомобиле с бензиновым двигателем, но сплющенную в тонкую, высокотехнологичную металлическую пластину, предназначенную для плотного прилегания к чувствительной электронике или аккумуляторным ячейкам.
Для чего нужны охлаждающие пластины?
Охлаждающие пластины имеют одну основную задачу: рассеивание тепла.
Когда вы пропускаете через систему большие электрические токи, вы генерируете огромное количество тепловой энергии. Если не удалить это тепло быстро, ваши компоненты перегреются, деградируют или выйдут из строя.
Охлаждающие пластины действуют как тепловой мост. Они обеспечивают высокопроводящий путь для отвода тепла.
Постоянно циркулируя свежую, холодную жидкость по системе, эти пластины могут поддерживать стабильную, равномерную температуру на большой площади поверхности. Это чрезвычайно важно для чувствительных применений, где даже небольшое отклонение температуры может привести к снижению производительности.
Какова цель охлаждающей пластины для аккумуляторного блока?
Когда речь идет конкретно об электромобилях или мощных системах хранения энергии, охлаждающая пластина становится критически важным элементом безопасности и производительности.
Во время быстрой зарядки или интенсивной разрядки литий-ионные аккумуляторы выделяют огромное количество тепла. Оптимальная рабочая температура для этих аккумуляторов — очень узкий диапазон между 25°C и 40°C.
Если аккумулятор перегревается, срок его службы резко сокращается. В худшем случае это может привести к тепловому разгоранию, что вызывает пожары или взрывы. .
Если аккумулятор слишком холодный, он теряет эффективность, и ваш электромобиль может потерять от 20% до 30% запаса хода.
Здесь и вступает в дело жидкостная охлаждающая пластина. Жидкостное охлаждение может обеспечить плотность рассеивания тепла 5–10 Вт/см², что примерно в 5–10 раз эффективнее традиционного воздушного охлаждения.
Для современных высоковольтных платформ, таких как системы быстрой зарядки на 800 В или аккумуляторные блоки с ультравысокой плотностью энергии, воздушное охлаждение просто не справляется. Жидкостная охлаждающая пластина может быть единственным реальным способом поддерживать эти современные аккумуляторные блоки в пределах безопасных температур.
Как работает жидкостная охлаждающая пластина?
Физика жидкостной охлаждающей пластины проста, но инженерия крайне сложна.
Плоская поверхность пластины крепится к аккумуляторным ячейкам или модулям. Часто между аккумулятором и пластиной размещается теплопроводящий материал (например, термопрокладка или термопаста), чтобы заполнить микроскопические воздушные зазоры и улучшить теплопередачу.
Когда аккумуляторные ячейки нагреваются, тепловая энергия проходит через теплопроводящий материал и попадает в металлическое тело охлаждающей пластины.
Внутри пластины насос прокачивает жидкий теплоноситель (обычно смесь воды и гликоля) по тщательно спроектированной системе каналов. Когда теплоноситель проходит по внутренним стенкам этих каналов, он поглощает тепло. Горячий теплоноситель затем выходит из пластины, поступает в теплообменник для охлаждения и возвращается обратно в пластину.
Важность расхода жидкости
Нельзя просто прокачивать жидкость через пластину как можно быстрее и надеяться на лучший результат.
Расход топлива — это тонкое балансирование. Если расход слишком медленный, охлаждающая жидкость слишком рано поглощает слишком много тепла в канале и становится слишком горячей, чтобы эффективно охлаждать остальную часть батарейного блока.
Если расход слишком быстрый, внутри системы создается огромное падение давления (ΔP). Высокое падение давления означает, что вам нужна более большая, тяжелая и потребляющая больше энергии насос для проталкивания жидкости. Это разряжает аккумулятор, который вы пытаетесь защитить.
Поиск идеального расхода требует тщательного проектирования каналов, чтобы обеспечить движение охлаждающей жидкости достаточно быстро для поддержания равномерных температур, но достаточно медленно, чтобы падение давления оставалось управляемым.
Из чего изготовлена охлаждающая пластина?
Выбор материала — одно из первых решений, которое вам нужно принять. Ваш выбор определит тепловую эффективность, вес и стоимость производства вашей охлаждающей пластины.
Алюминиевые сплавы
Алюминий — бесспорный лидер в производстве охлаждающих пластин для аккумуляторов.
Он легкий, относительно недорогой и обладает отличной теплопроводностью в диапазоне от 150 до 250 Вт/(м·К).
Различные процессы производства требуют различных алюминиевых сплавов. Например, если вы используете экструзию или ЧПУ-обработку, вы можете выбрать алюминий 6061 или 6063 из-за его отличной обрабатываемости и структурной целостности.
Если вы штампуете и пайки пластины или используете трение-стиринг сварку, алюминий 3003 часто является лучшим выбором благодаря своей формуемости и сварочным характеристикам.
Для тяжелых транспортных средств или морских судов алюминий почти всегда является предпочтительным материалом, поскольку он снижает общий вес массивного аккумуляторного блока и обеспечивает прочные корпуса с классом защиты IP67+.
Медь
Медь обладает значительно лучшей теплопроводностью по сравнению с алюминием, достигая примерно 398 Вт/м·К. .
Если вы сталкиваетесь с экстремальными сценариями теплового потока, например, охлаждение высокопроизводительного GPU в дата-центре, медь может стать отличным выбором. .
Однако для аккумуляторных блоков электромобилей медь редко используется для основной части охлаждающей пластины. Она невероятно тяжелая и значительно дороже алюминия. Кроме того, обработка меди создает много отходов материала, что увеличивает производственные затраты.
Если вам нужна производительность меди, но вес алюминия, вы можете рассмотреть гибридный дизайн, в котором медные трубы встроены в алюминиевую базовую пластину.
Как спроектировать охлаждающую пластину для аккумуляторного блока?
Проектирование охлаждающей пластины — это не просто рисование коробки с извилистыми линиями внутри. Требуется глубокое понимание термодинамики и гидродинамики.
Проведение тепловых симуляций (CFD)
Прежде чем вырезать кусок металла, необходимо провести Вычислительная гидродинамика (CFD) моделирование.
Программное обеспечение CFD позволяет создать цифрового двойника вашей охлаждающей пластины. Вы можете ввести данные о тепловом генерировании вашей батареи, установить скорость потока охлаждающей жидкости и визуализировать, как именно тепло будет перемещаться по системе.
Ваша цель в CFD — обычно удерживать максимальную разницу температур (ΔT) между любыми двумя элементами батареи в пределах 3°C до 5°C. Если одна сторона вашего аккумуляторного блока на 5°C горячее другой, ячейки будут деградировать с разной скоростью, что ухудшает срок службы всего блока.
Одноконтурные и двухконтурные каналы
При проектировании внутренних каналов для потока обычно есть два варианта: однорукавный или двухрукавный. .
Однорукавный дизайн предусматривает один непрерывный путь от входа до выхода. Он проще в производстве, но может привести к большим градиентам температуры, потому что охлаждающая жидкость становится все горячее по мере прохождения по линии.
Двухрукавный дизайн разделяет поток на несколько параллельных путей. Это позволяет свежей, холодной охлаждающей жидкости достигать различных частей аккумуляторного блока одновременно. Если ваше пространство позволяет, двухрукавный дизайн почти всегда предпочтительнее, потому что значительно снижает разницы температур по всему блоку.
Как производится холодная пластина?
Многие инженерные команды совершают ошибку, проектируя теоретически идеальную охлаждающую пластину, которая полностью невозможна (или безумно дорогая) в производстве.
Ваш производственный процесс должен развиваться по мере перехода вашего проекта от концепции к массовому производству.
Этап прототипирования (обработка на станках с ЧПУ)
Когда вы создаёте свои первые 1–50 прототипов, время — ваш самый ценный ресурс.
На этом этапе следует использовать ЧПУ-обработку. Станок с ЧПУ может непосредственно фрезеровать сложные каналы в цельном блоке алюминия.
Не требуется дорогих форм или инструментов, что означает, что вы можете получить свои прототипы за 10–15 дней. Если ваша CFD-симуляция была немного неточной и вам нужно скорректировать ширину канала, просто обновите CAD-файл и изготовьте новую пластину.
Себестоимость за единицу высокая, но гибкость непревзойдённая.
Этап массового производства
Когда ваш дизайн окончательно утверждён и вы готовы производить сотни тысяч единиц, обработка на станках с ЧПУ становится слишком медленной и дорогой.
На этом этапе вам необходимо перейти к процессам на основе инструментов, таким как штамповка и вакуумное пайка, или прокатное соединение.
Эти процессы требуют значительных первоначальных инвестиций для создания штампов для металлообработки. Однако после изготовления штампов машина может штамповать тысячи пластин в день. Это приводит к снижению вашей себестоимости на единицу продукции на 40%–60%.
Гибридный подход
Иногда необходимо объединять процессы, чтобы решать сложные инженерные задачи.
Для крупных Система хранения энергии Для проектов (ESS) чистая плита с ЧПУ слишком дорога, а чистая экструдированная плита не справляется со сложными коллекторными соединениями.
В таких случаях вы можете использовать экструдированный алюминиевый профиль для длинного прямого основного корпуса, чтобы снизить затраты, а затем применить обработку на станках с ЧПУ для вырезания точных уплотнительных канавок на концах. В завершение вы можете герметизировать всю конструкцию с помощью сварки трением с перемешиванием.
Этот гибридный подход дает вам лучшее из обоих миров: низкую стоимость и высокую точность.
Типы холодных пластин для аккумуляторных батарей
Не существует единой “лучшей” конструкции холодной пластины. Правильный выбор полностью зависит от объёма вашего производства, бюджета и тепловых требований. Вот основные типы, с которыми вы столкнётесь.
Штампованные и спаянные холодные пластины
Эти изделия изготавливаются путем штамповки каналов в тонких алюминиевых листах, укладывания сверху плоской крышки и герметизации их вместе в вакуумной печи пайки.
Они тонкие, легкие и невероятно экономичные при больших объемах. Это делает их идеальным выбором для массовых пассажирских электромобилей.
Обработанные холодные пластины
Как уже упоминалось ранее, эти изделия вырезаны из цельного металлического блока с помощью станка с ЧПУ.
Они обеспечивают абсолютную свободу дизайна и отличную тепловую производительность, поскольку можно создавать невероятно сложные микроканалы. Однако высокая стоимость и большой расход материалов делают их более подходящими для прототипов или малосерийных высокопроизводительных приложений.
Экструзионные плоские трубчатые холодные пластины
В этом процессе горячий алюминий проталкивается через матрицу для создания длинных, полых профилей с внутренними каналами.
Экструзия отлично подходит для создания длинных, линейных охлаждающих стержней с минимальными отходами материала. Если вы собираете большой прямоугольный блок батареи для электробуса или телекоммуникационной стойки, экструдированные пластины могут быть очень экономичным вариантом.
Холодные пластины с встроенной трубкой
Это самый простой и дешевый метод. Вы берете плоскую алюминиевую пластину, обрабатываете в ней канавки и вставляете согнутую медную или алюминиевую трубу в эти канавки.
Вам не нужно какое-либо сложное сварочное оборудование. Однако тепловое сопротивление выше, потому что тепло должно проходить через основание, в стенку трубы и затем в жидкость. Это может быть хорошим выбором для низкоэнергетического промышленного оборудования, но редко используется в высокопроизводительных электромобилях.
Холодные пластины с гребёнчатым оребрением
Эти пластины оснащены невероятно плотными массивами тонких металлических ребер, созданных методом скевинга или штамповки базового металла.
Это создает огромную площадь поверхности для контакта с охлаждающей жидкостью, что обеспечивает экстремальные возможности теплообмена. Они сложные и чувствительные к повреждениям, что делает их более подходящими для охлаждения локальных горячих точек, таких как графические процессоры в дата-центрах, а не для больших блоков батарей.
Литые и сваренные трением холодные пластины
Литье под высоким давлением используется для формирования сложных внутренних каналов за одну операцию. Все открытые полости затем запечатываются с помощью трения сварки (FSW).
Это создает структурно интегрированную, невероятно прочную деталь. Если вы строите тяжелую горнодобывающую технику или электроморское судно, где корпус батареи должен выдерживать огромные механические нагрузки, это та структура, которая вам нужна.
Сварка трением (FSW) против пайки
Когда речь идет о герметизации двух половинок охлаждающей пластины, у вас обычно есть два основных варианта: пайка или трение сварки (FSW).
Вакуумное пайка
Пайка включает размещение тонкого слоя присадочного металла между двумя половинами охлаждающей пластины. Вся сборка помещается в массивную вакуумную печь и нагревается до тех пор, пока присадочный металл не расплавится и не соединит детали.
Пайка великолепна, потому что позволяет сваривать чрезвычайно сложные тонкостенные конструкции. Это стандартный процесс для штампованных охлаждающих пластин.
Однако оборудование очень дорогостоящее (вакуумные печи могут стоить более миллиона евро), а циклы нагрева могут занимать до 8 часов. Кроме того, нагрев алюминия до температуры почти плавления может ослабить металл, что требует последующей термообработки для восстановления его прочности.
Торцовка трением (FSW)
Сварка трением и перемешиванием (FSW) это совершенно другое дело. Это процесс соединения в твердом состоянии, то есть металл никогда не плавится.
Быстро вращающийся цилиндрический инструмент погружается в шов между двумя металлическими пластинами. Трение создает интенсивное тепло, размягчая металл до пластичного состояния. По мере движения инструмента вдоль шва он буквально перемешивает два куска металла, формируя плотное, твердое соединение.
Поскольку металл не плавится, FSW исключает риск пористости, горячих трещин или протечек. Полученная сварка чрезвычайно прочна и надежна.
Минус? Оборудование для FSW дорогостоящее, и оно требует, чтобы базовый металл был достаточно толстым, чтобы выдержать механическую силу вращающегося инструмента. Он не подходит для очень тонких штампованных пластин, но идеально подходит для прочных, тяжелых корпусных батарей.
Как тестировать холодную пластину?
Вы не можете просто сварить холодную пластину и считать, что она работает. Одна утечка внутри высоковольтного блока батареи может вызвать катастрофический короткий замыкание. Строгие испытания обязательны.
Очистка и подготовка
Прежде чем что-либо тестировать, внутренние каналы должны быть безупречно чистыми.
Во время фрезерной обработки или резки металлические стружки и смазочные масла легко могут застрять в слепых зонах потоковых каналов. Если эти частицы освободятся во время работы, они могут заблокировать поток или повредить насос.
Производители используют высоконапорные водяные пистолеты для тщательной промывки внутренних каналов, за чем следуют строгие процессы сушки, чтобы обеспечить отсутствие влаги.
Испытания на давление
Ваша охлаждающая пластина должна выдерживать значительное внутреннее давление.
Во время испытания на разрушение давление инженеры будут непрерывно закачивать жидкость в пластину, пока она физически не лопнет. Чтобы пройти тест, стандартная охлаждающая пластина для электромобилей обычно должна выдерживать максимальное давление не менее 1 МПа (около 145 psi) без отказа.
В производстве каждая пластина должна проходить рутинное испытание на давление (часто около 25 бар), чтобы обеспечить структурную целостность.
Тест на герметичность и плотность
Даже если пластина не лопнет, в ней все равно могут быть микроскопические утечки.
Золотым стандартом для обнаружения утечек является гелиевый тест. Атомы гелия невероятно малы, поэтому если в сварном шве есть микроскопический дефект, гелий его обнаружит. Производители высокого класса требуют уровень утечки гелия менее 10^-6 или даже 10^-8 Па·м^3/с 24.
Для более быстрого массового тестирования широко используется метод падения давления 5. Пластина надувается воздухом, герметизируется и контролируется. Если внутреннее давление падает за установленный период, значит, есть утечка.
Испытание тепловым шоком
Аккумуляторные блоки работают в суровых условиях. Они могут стоять на улице в морозную ночь при -40°C, а на следующий день подвергаться сильному нагреву во время быстрой зарядки.
Чтобы швы не трескались при тепловом расширении и сжатии, охлаждающие пластины подвергаются испытаниям на термический шок , быстро циклируя их между экстремальными температурами, такими как -40°C и 125°C. Если пластина сохраняет герметичность после таких испытаний, она готова к эксплуатации.
Какой тип холодной пластины лучше всего подходит для аккумуляторных батарей электромобилей?
“Лучшая” охлаждающая пластина полностью зависит от физического формата ваших аккумуляторных ячеек.
Если вы используете Призматические ячейки, обычно применяется большая, плоская охлаждающая пластина на уровне модуля, размещаемая внизу аккумуляторного блока. Штампованные и паяные пластины или экструдированные пластины, изготовленные методом FSW, идеально подходят для этого применения.
Если вы используете Цилиндрические ячейки (например, те, что популяризировала Тесла), плоские пластины работают плохо, так как площадь контакта слишком мала. Вместо этого обычно используются змеевиковые трубки, которые проходят между отдельными цилиндрическими ячейками, обеспечивая контакт каждой ячейки с охлаждающей трубкой.
Если вы используете пакетные ячейки, можно интегрировать небольшие штампованные водяные охлаждающие пластины непосредственно внутрь модуля, размещая их между тонкими пакетами. .
Если вы являетесь производителем оригинального оборудования или системным интегратором, работающим с тяжелыми грузовиками, морскими судами или внедорожной техникой, вам может понадобиться сотрудничество с инженерным интеграционным центром. Компании, такие как Astraion Dynamics, позволяют вам использовать собственные аккумуляторные модули, а они берут на себя сложную инженерную работу по созданию прочных корпусов IP67+, индивидуальных жидкостных охлаждающих пластин и высоковольтной интеграции. Это устраняет огромный разрыв между покупкой сырья для ячеек и внедрением полностью сертифицированного, готового к эксплуатации транспортного средства. .
Часто задаваемые вопросы
Можно ли использовать воду в качестве охлаждающей жидкости?
Чистая вода обладает отличными тепловыми свойствами, но замерзает при 0°C и вызывает коррозию. Следует использовать смесь воды и этиленгликоля (или пропиленгликоля), чтобы понизить температуру замерзания и добавить антикоррозийные свойства.
Какой должна быть толщина охлаждающей пластины?
Это зависит от производственного процесса и структурных требований. Штампованные пластины могут иметь невероятно тонкие каналы для потока (≤3 мм), что делает их очень легкими. Обработанные или пластины FSW будут толще для обеспечения структурной жесткости.
Нужна ли мне индивидуальная охлаждающая пластина?
Если вы создаете низкоэнергетическую, стандартизированную промышленную машину, вы можете использовать готовую встроенную пластину из трубки. Однако, если вы разрабатываете высокоплотный электромобиль посредник по аккумуляторным модулям, вам почти наверняка потребуется индивидуально разработанная пластина, оптимизированная для конкретной компоновки ячеек, теплового потока и ограничений по упаковке.
Выбор правильного жидкостная охлаждающая пластина определяет безопасность вашей батареи, срок службы и общую производительность. Надеюсь, это всестороннее руководство поможет вам ориентироваться в выборе материалов, производственных процессах и строгих протоколах тестирования для вашего следующего крупного проекта. Какие конкретные задачи по тепловому управлению вы сейчас сталкиваетесь при проектировании вашей батарейной сборки?
