Diseño y verificación de una solución de disipación de calor mediante placas de refrigeración líquida para módulos de batería de la serie 340 Ah/104
Impulsada por los objetivos de “doble carbono”, la industria del almacenamiento de energía está entrando en una era dorada de desarrollo a gran escala. Las baterías de iones de litio, como componentes centrales de los sistemas de almacenamiento de energía, tienen capacidades de gestión térmica que determinan directamente la seguridad, la vida útil y la densidad energética del sistema. A medida que las baterías de almacenamiento de energía avanzan hacia una mayor capacidad y una mayor integración, los módulos de batería de 340 Ah se han convertido en la opción de aplicación principal. Si bien el diseño serie-paralelo de la serie 104 aumenta significativamente la capacidad de almacenamiento de energía, también presenta desafíos más severos de disipación de calor: si el calor Joule generado durante la carga y descarga de la batería no se disipa de manera oportuna, provocará un aumento en el gradiente de temperatura interna del módulo y desencadenará el riesgo de fuga térmica. En este contexto, este artículo propone una solución de disipación de calor mediante placas de refrigeración líquida basadas en perfiles de aleación de aluminio 6063, que logra una gestión térmica eficiente de los módulos de batería de 340 Ah/serie 104 mediante un diseño preciso del canal de flujo y pruebas de rendimiento.
I. Parámetros de diseño del núcleo y selección del material de la placa de refrigeración líquida
(1) Justificación de la selección de materiales
El material de la placa de refrigeración líquida afecta directamente la eficiencia de disipación de calor y la estabilidad estructural. Esta solución utiliza perfiles de aleación de aluminio 6063 como material base, lo que ofrece tres ventajas principales: primero, un excelente coeficiente de conductividad térmica de hasta 201 W/(m·K), lo que permite una rápida transferencia de calor entre la batería y el líquido refrigerante; segundo, una buena conformabilidad, lo que permite la fabricación de complejos canales de flujo interno mediante procesos de extrusión para satisfacer las necesidades personalizadas de disipación de calor; tercero, una alta resistencia a la corrosión y, al combinarse con líquidos refrigerantes compatibles, permite mantener la integridad estructural durante el funcionamiento a largo plazo de los sistemas de almacenamiento de energía, a la vez que logra un equilibrio entre diseño ligero y rentabilidad, en línea con la tendencia del sector de reducción de costes y mejora de la eficiencia de los equipos de almacenamiento de energía.
(2) Parámetros estructurales y de rendimiento clave
Adaptada a las dimensiones y requisitos de disipación de calor de los módulos de batería de la serie 340Ah/104, los parámetros principales de la placa de enfriamiento líquido diseñada en esta solución son los siguientes:
1. Dimensiones generales: 2180 mm × 790 mm × 10 mm, que se adapta perfectamente a la superficie de contacto del módulo de la batería, lo que garantiza un contacto total entre la placa de enfriamiento líquido y las celdas de la batería para minimizar la resistencia térmica del contacto;
2. Caudal de refrigerante: establecido en 15 L/min, lo que se ha verificado mediante simulación y experimentos para garantizar un intercambio de calor suficiente entre el refrigerante y la pared interior de la placa de enfriamiento de líquido, evitando al mismo tiempo un mayor consumo de energía de la bomba y el ruido del canal de flujo causado por caudales excesivamente altos;
3. Diseño de entrada y salida: adopta especificaciones de interfaz con un diámetro exterior de 18 mm, que es compatible con las tuberías de enfriamiento de los sistemas de almacenamiento de energía, lo que facilita la instalación en el sitio y la conexión de tuberías, al mismo tiempo que cumple con los requisitos para el suministro de refrigerante de gran flujo;
4. Estructura del canal de flujo: Se utilizan canales de flujo moldeados por extrusión integral, cuya disposición sigue el principio de distribución uniforme y disipación proximal del calor. La dirección del canal de flujo y las dimensiones de la sección transversal se optimizan mediante simulación, lo que garantiza una distribución uniforme de la temperatura en la superficie de la placa de refrigeración líquida, con una diferencia de temperatura máxima controlada dentro de ±2 °C.
II. Principio de disipación de calor y análisis de adaptabilidad de la placa de refrigeración líquida
Durante el proceso de carga y descarga del módulo de batería de la serie 340 Ah/104, cada celda genera calor, que se transfiere a la superficie de la placa de refrigeración líquida a través de la carcasa. El refrigerante dentro de la placa fluye continuamente a un caudal de 15 L/min, impulsado por la bomba, y experimenta intercambio de calor por convección forzada con la pared interior de la placa a medida que fluye por los canales. Este calor se disipa a la unidad de refrigeración del sistema de almacenamiento de energía, lo que permite la disipación cíclica del calor.
En términos de adaptabilidad, las ventajas de esta solución se reflejan en dos dimensiones: primero, adaptabilidad estructural: el espesor de 10 mm de la placa de refrigeración líquida con perfil de aleación de aluminio 6063 equilibra la resistencia estructural y la eficiencia de disipación de calor, y las dimensiones de 2180 mm × 790 mm pueden cubrir completamente el área de disposición del módulo de batería de la serie 104, asegurando una disipación de calor uniforme para cada serie de baterías; segundo, adaptabilidad de rendimiento: el diseño con un caudal de 15 L/min puede adaptarse con precisión a la potencia de generación de calor de la batería de 340 Ah. Los cálculos muestran que con este caudal, la potencia de disipación de calor de la placa de refrigeración líquida puede cumplir con los requisitos de disipación de calor del módulo con velocidades de carga y descarga de 1 C, controlando eficazmente la temperatura de funcionamiento de la batería dentro del rango óptimo de 25 ℃ a 35 ℃.
III. Pruebas de confiabilidad y verificación del rendimiento
Para garantizar la estabilidad de la placa de enfriamiento líquido durante el funcionamiento a largo plazo de los sistemas de almacenamiento de energía, esta solución ha realizado pruebas de confiabilidad multidimensionales y experimentos de verificación de rendimiento.
(1) Prueba de rendimiento de disipación de calor
En un entorno de laboratorio a temperatura constante, se ensambló la placa de refrigeración líquida con el módulo de batería de la serie 340 Ah/104 para simular las condiciones de un ciclo de carga y descarga de 1 C. Los resultados de las pruebas muestran que, durante la carga y descarga continuas, la temperatura máxima del módulo de batería fue de 34.87 °C, la mínima de 32.58 °C y la diferencia de temperatura máxima fue de tan solo 1.7 °C, muy por debajo del límite estándar de la industria de 5 °C. Asimismo, la diferencia de temperatura entre la entrada y la salida del refrigerante se mantuvo estable en 2 °C, lo que indica que la eficiencia de intercambio térmico de la placa de refrigeración líquida se mantuvo dentro de un rango estable, capaz de disipar eficazmente el calor generado por la batería.
(2) Pruebas de confiabilidad
1. Prueba de resistencia a la presión: La placa de enfriamiento líquido se sometió a una prueba de resistencia a la presión a 1.5 veces la presión de trabajo durante un tiempo de retención continuo de 30 minutos, sin observarse fugas ni deformaciones, verificando el rendimiento del sellado y la resistencia estructural de la estructura del canal de flujo;
2. Prueba de ciclo térmico: Simulando el entorno operativo real del sistema de almacenamiento de energía, se realizaron pruebas de ciclo térmico entre -40 °C y 85 °C. Tras 1000 ciclos acumulados, la conductividad térmica de la placa de refrigeración líquida no mostró una atenuación significativa, ni se detectaron grietas ni corrosión en la superficie de los perfiles.
3. Prueba de funcionamiento a largo plazo: La placa de refrigeración líquida se instaló en un sistema de almacenamiento de energía para realizar pruebas de funcionamiento continuo. Tras más de 5000 horas de funcionamiento acumulado, la eficiencia de disipación térmica de la placa se mantuvo estable, sin fallos como bloqueos del canal de flujo ni fugas en la interfaz.
4, Prueba de carga
El módulo de simulación del producto se somete a una carga de 350 kg y se mantiene en posición estática durante 3 días. Posteriormente, se comparan los datos de planitud y la tasa de fugas de hermeticidad, y se inspecciona la superficie para detectar grietas.
Condiciones de prueba de fugas:
Presión 350 kPa,
Tiempo de inflado 40 s,
Tiempo de mantenimiento de presión 120 s,
Tiempo de detección 60 s,
Tasa de fuga < 100 Pa
IV. Valor de las aplicaciones industriales y perspectivas de desarrollo
Esta solución de disipación de calor mediante placa de refrigeración líquida, basada en perfiles de aleación de aluminio 6063 y con un diseño personalizado para módulos de baterías de 340 Ah/serie 104, no solo resuelve los problemas de disipación de calor de las baterías de almacenamiento de energía de alta capacidad , sino que también se alinea con la tendencia del sector de "alta seguridad, alta integración y bajo coste" en el ámbito del almacenamiento de energía. A nivel de aplicación, la placa de refrigeración líquida permite ajustar de forma flexible la disposición de los canales de flujo, las dimensiones generales y las especificaciones de la interfaz según las dimensiones del módulo de batería y los requisitos de disipación de calor de cada cliente, ofreciendo así servicios personalizados a medida.
Con la expansión de las aplicaciones de la industria del almacenamiento de energía a escala de red y a escala industrial-comercial, la capacidad y el nivel de integración de los módulos de baterías seguirán aumentando, lo que refuerza la importancia de los sistemas de gestión térmica. En el futuro, optimizaremos aún más el algoritmo de simulación del canal de flujo de la placa de refrigeración líquida, exploraremos la compatibilidad de nuevos recubrimientos termoconductores y refrigerantes de alta eficiencia, mejoraremos continuamente la eficiencia y la fiabilidad de la disipación térmica, y brindaremos un sólido soporte técnico en gestión térmica para el desarrollo de alta calidad de la industria del almacenamiento de energía.
Capacidad de la fábrica Kenfa para producir estas placas frías:
Un taller de 50,000 metros cuadrados con una capacidad de producción mensual de 10,000 unidades.
PARÁMETROS TÉCNICOS BÁSICOS
1, Material: Al 6063-T6, resistencia al rendimiento ≥170 Mpa, resistencia a la tracción ≥215 Mpa;
2. Requisitos de recubrimiento por pulverización:
Para la superficie superior de la placa fría (boquillas de agua y zonas visibles de fijación roscada): resina epoxi en aerosol (sin materiales a base de silicona como aceite de silicona o colorante RAL9005), espesor de recubrimiento ≥250 μm; tensión de aislamiento soportada: 2500 VCC durante 60 s, resistencia de aislamiento ≥500 MΩ; 4380 VCC durante 60 s, corriente de fuga ≤1 mA. Para otras superficies: pulverización de plástico en negro RAL9005 (acabado mate), espesor de recubrimiento 40-100 μm. Resistencia de adhesión: probada según GB/T9286, alcanzando el grado 0-1.
3. Tolerancia dimensional: siga el dibujo 3D; caudal 14 L/min,
desviación de la uniformidad del flujo para cada corriente <15%.
4.Requisito de rendimiento: Diferencia de temperatura en la superficie superior
del núcleo ≤40 °C (temperatura máxima <40 °C), caída de presión <2 kPa.
5. Tolerancia de forma y posición: Cumple con GB/T 1184-1996 (Grado K);
Referencia de perfil GB/T 25239-2010.
6. Protección IP y hermeticidad (gabinete). Tras el montaje, el gabinete debe cumplir con el grado de protección IPX7. Inflar a 10 kPa, mantener la presión durante 60 s, realizar una prueba durante 60 s y comprobar que la tasa de fuga sea ≤100 Pa·m³/min.
7. Estanqueidad del canal de flujo de placa fría. La inspección de estanqueidad del aire al 100 % es
Requerido para el canal de flujo de la placa fría. Criterios de inspección de muestreo:
presión 0.3 MPa, mantener durante 60 s, prueba durante 60 s, tasa de fuga <2×10⁻⁶ Pa·m³/s;
o prueba de fugas por presión diferencial: presión de aire 0.3 MPa, mantener durante 60 s, prueba durante 60 s, tasa de fuga ≤60 Pa.
8. Par de torsión del sujetador Par de destrucción de sujetadores roscados (M5, M6, M10)
≥9.7 N·m, 17 N·m, 66 N·m respectivamente.
9. Especificaciones de la contratuerca
Se adoptan tuercas de seguridad de tipo cabeza hueca hexagonal, el material es acero al carbono con
Recubrimiento de zinc-níquel, grado de resistencia 8.8. Las tuercas deben pasar una prueba de niebla salina.
Prueba: sin óxido blanco después de 144 h, sin óxido rojo después de 720 h.
10. Precisión y proceso de soldadura. Para garantizar la precisión de los componentes, se utilizarán plantillas de soldadura si es necesario para garantizar la precisión del ensamblaje. Se utiliza la soldadura por fricción-agitación para el empalme de la placa inferior y la soldadura del cabezal delantero/trasero. La soldadura general debe ser firme y sin defectos, y las áreas de soldadura parciales deben rectificarse para aplanarse después de la soldadura.
11. Resistencia de la soldadura. Resistencia de la soldadura por fricción-agitación ≥75 % de la resistencia del metal base (GB/T 34630.4); Resistencia de la soldadura por arco ≥65 % de la resistencia del metal base (GB/T 19869.2).
12. Limpieza interna de la placa fría. Masa total de materia extraña ≤30 mg; partículas duras (p. ej., arena) con un diámetro ≤1 mm, sin partículas metálicas.
Partículas blandas con diámetro ≤2×1 mm; Limpieza ultrasónica durante ≥18 min (filtro de malla 200), enjuague durante 3 min.
13. Requisitos de apariencia: La superficie debe ser lisa, sin rebabas, rebabas, salpicaduras de soldadura, porosidad, falta de fusión, rayones evidentes, etc., con una rugosidad superficial de Ra3.2; no se permite aluminio residual en los orificios roscados; el metal salpicado u otros contaminantes en las soldaduras y las piezas adyacentes deben eliminarse mediante métodos mecánicos y limpiarse con solvente orgánico.
15 Requisitos de embalaje. El producto deberá estar embalado firmemente con medidas de protección contra la humedad y la corrosión.
16. Vida útil. La vida útil del producto debe ser superior a 5-8 años.
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