À medida que os novos veículos energéticos, os centros de dados e os sistemas de armazenamento de energia experimentam um crescimento explosivo, o desempenho térmico das placas de arrefecimento a líquido determina diretamente a estabilidade e a vida útil do equipamento. Uma estrutura de canal de fluxo bem concebida melhora significativamente a uniformidade da temperatura dos módulos de bateria, enquanto os processos de fabrico avançados garantem um design ótimo do percurso do fluxo, resistência à pressão e eficiência de custos. Este artigo fornece uma visão geral abrangente das tecnologias de fabrico convencionais, técnicas chave e pontos de controlo de qualidade para placas de arrefecimento a líquido.
1. Seleção de Materiais e Pré-tratamento
1.1 Materiais Convencionais
Ligas de Alumínio: A escolha dominante para placas de arrefecimento de baterias de VEs, equilibrando condutividade térmica, leveza, resistência, processabilidade e custo. A liga de alumínio 3003 é amplamente utilizada devido à sua tecnologia madura e excelente desempenho abrangente.
Ligas de Cobre: O cobre puro (condutividade térmica: 401 W/m·K) é ideal para cenários de alta potência (por exemplo, plataformas de alta tensão de 800V), exigindo galvanoplastia de níquel ou anodização para prevenir a corrosão.
Materiais Compósitos: Compósitos de liga de alumínio de alta resistência (estrutura de 3 camadas: núcleo + camada de brasagem + camada sacrificial) são usados para aplicações que exigem resistência mecânica superior.
1.2 Processo de Pré-tratamento
Desengorduramento da Superfície: A limpeza ultrassónica (28–80 kHz) remove contaminantes oleosos para garantir soldadura e passivação fiáveis.
Passivação: A passivação cromada ou sem crómio (por exemplo, solução de sal de titânio) forma uma película protetora em nanoescala, alcançando mais de 1.000 horas de resistência à névoa salina.
2. Tecnologias de Formação de Canais de Fluxo
2.1 Formação por Estampagem: Núcleo de Produção de Alto Volume
Características do Processo: Prensas servo proporcionam estampagem de alta velocidade de 60 ciclos/min com tolerância de profundidade do canal de fluxo de ±0,05 mm. Ideal para placas de arrefecimento médias/pequenas com mais de 70% de utilização de material.
Caso: As baterias CTB do BYD Seal adotam o arrefecimento direto por placa estampada, aumentando a eficiência da troca de calor em 40% através de canais de fluxo de grande área.
2.2 Hidroformagem: Especialista em Canais de Fluxo Complexos
Etapas do Processo: Corte de chapa de alumínio (±0,1 mm) → expansão hidráulica (30–50 MPa, retenção de 2–10 segundos) → corte por jato de água → montagem por brasagem a vácuo.
Vantagens: Alta flexibilidade de design (estruturas em serpentina, ramificadas) com 20% menos perda de pressão do que as placas estampadas.
Caso: A bateria Kirin da CATL utiliza grandes placas hidroformadas (1.200×800×50 mm), aumentando a área de arrefecimento em 4×.
2.3 Formação por Extrusão: Solução Padrão Económica
Processo: Extrusão de perfis de alumínio com canais de fluxo pré-formados (por exemplo, tubos de acordeão), seguida de corte e soldadura de cabeçalhos.
Limitações: 30% menos custo do que a estampagem, mas restrito a canais de fluxo retos, adequado para placas de arrefecimento de contentores de armazenamento de energia.
2.4 Impressão 3D: Avanço em Inovação Estrutural
Tecnologia: A Sinterização Direta de Metal a Laser (DMLS) produz placas de arrefecimento monobloco sem juntas de soldadura, suportando pressões superiores a 6 bar.
Caso: As placas impressas em 3D da CoolestDC de Singapura utilizam aletas oblíquas para melhorar a eficiência de arrefecimento em 20%, implementadas em sistemas de arrefecimento de GPUs NVIDIA H100.
3. Maquinação de Canais de Fluxo: O Núcleo do Desempenho Térmico
3.1 Métodos Convencionais
Processo de Tubo Embutido: Tubos de cobre são prensados em ranhuras de alumínio fresadas (relação profundidade/diâmetro ≤3:1) e fixados por brasagem.
Prós: Risco zero de fuga (tubagem sem costura), maduro e económico.
Contras: Flexibilidade limitada do canal de fluxo; risco de corrosão galvânica entre cobre e alumínio.
Aplicações: Arrefecimento a líquido de servidores, dissipadores de calor de inversores industriais.
Eletroerosão (EDM): Corte a fio (precisão de ±0,01 mm) cria microcanais em moldes de liga dura para prototipagem.
Gravação Química: Fotolitografia + gravação com NaOH produz canais em microescala para placas ultrafinas (≤0,5 mm).
3.2 Designs Inovadores
Canais de Fluxo Biônicos: Canais em forma de barbatana de tubarão da Valeo aumentam a turbulência do refrigerante, aumentando o coeficiente de transferência de calor em 15%.
Estruturas Ramificadas: Módulos de bateria Tesla 4680 utilizam placas ramificadas lateralmente com sub-ramificações de 15° para minimizar os diferenciais de temperatura.
4. Tecnologias de Soldadura: Desafios de Vedação e Resistência
4.1 Brasagem a Vácuo: Preferida para Produção em Massa
Princípio: O material de enchimento de brasagem alumínio-silício funde-se num forno a vácuo, ligando as placas do canal de fluxo e as tampas metalurgicamente.
Vantagens: Suporta microcanais/estruturas de aletas complexas (ganho de eficiência de mais de 30%); construção leve de alumínio suporta pressões superiores a 10 bar.
Caso: As placas de bateria CTP da CATL utilizam brasagem a vácuo com deformação <0,1 mm.
4.2 Soldadura por Fricção e Mistura (FSW): Ligação de Alta Resistência
Princípio: Um pino rotativo gera calor de fricção para plastificar os materiais, criando soldaduras em estado sólido.
Vantagens: A resistência da soldadura atinge mais de 90% do metal base; ecológico (sem fio de enchimento/gás de proteção).
Caso: As baterias BYD Dolphin utilizam FSW para ligar placas e invólucros, passando em testes de pressão de 20 bar.
4.3 Processo Híbrido de Estampagem + Brasagem
Características: Combina eficiência de estampagem com vedação por brasagem; 40% menos custo do que FSW.
Aplicações: Placas de contentores de armazenamento de energia, dissipadores de calor de eletrodomésticos.
4.4 Soldadura a Laser
Vantagens: Zona de influência térmica mínima, mais de 90% de resistência da soldadura, sem deformação/porosidade; 5–10× mais rápido do que os métodos tradicionais.
Aplicações: Baterias de VEs, refrigeração industrial, sistemas de energia solar.
5. Tratamento de Superfície e Garantia de Qualidade
5.1 Tratamento de Superfície
Anodização: Anodização com ácido sulfúrico (12–18V) cria filmes de óxido de 5–20 µm, 10× melhoria na resistência à corrosão e isolamento aprimorado (tensão de rutura >500V).
Revestimento de PTFE: Camadas de politetrafluoroetileno de 50–100 µm reduzem o coeficiente de fricção para 0,1, minimizando a resistência do fluxo do refrigerante.
5.2 Teste de Processo Completo
Deteção de Fugas:
Espectrometria de massa de hélio (1×10⁻⁹ mbar·L/s): Placas de bateria de VE, taxa de fuga ≤0,1 sccm.
Teste hidrostático (1,5× pressão de trabalho, retenção de 30 min): Placas de armazenamento de energia.
Qualidade Interna:
Ultrassónico C-SAM (50–200 MHz): Deteta defeitos de brasagem (vazios >5%) com resolução de 50 µm.
CMM (±0,002 mm): Verifica as dimensões do canal e a precisão do contacto da célula.
Conclusão
A fabricação de placas de arrefecimento a líquido integra ciência de materiais, maquinação de precisão e tecnologias avançadas de soldadura. Desde a preparação do substrato de alumínio 3003 até ao teste de fugas de hélio, cada processo impacta diretamente o desempenho de arrefecimento e a fiabilidade. À medida que as exigências de gestão térmica de alta densidade aumentam, inovações como canais biônicos impressos em 3D e estruturas monobloco FSW aumentarão ainda mais a eficiência, reduzindo os custos.
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