يؤدي الارتفاع السريع في السيارات الكهربائية (EVs) وأنظمة تخزين الطاقة (ESS) إلى إعادة تشكيل طريقة تفكير الصناعات في الإدارة الحرارية. فمع استمرار ارتفاع كثافة طاقة البطارية، أصبحت القدرة على التحكم في درجة الحرارة بدقة عاملاً محددًا لموثوقية البطارية وعمرها الافتراضي.
من بين طرق التبريد المختلفة، برزت ألواح تبريد البطاريات المصنوعة من الصفائح المعدنية كحل رائد للحزم عالية الأداء. فهي تجمع بين التوصيل الحراري الممتاز والهيكل خفيف الوزن وقابلية التوسع الفعالة من حيث التكلفة.
تستكشف هذه المقالة كيف يتم تصميم ألواح تبريد البطاريات المصنوعة من الصفائح المعدنية وتصنيعها ودمجها - ولماذا تعتبر مهمة للغاية للجيل القادم من ابتكارات البطاريات.
ما هي لوحات تبريد البطارية؟
صفيحة تبريد البطارية عبارة عن مكون معدني مصمم بدقة لسحب الحرارة بعيداً عن خلايا البطارية ونقلها إلى سائل تبريد متدفق، وعادةً ما يكون خليط ماء-جلايكول. وهي تعمل كجسر حراري ودعامة ميكانيكية داخل حزمة البطارية.
تتكون معظم التصميمات من لوحين رقيقين من الألومنيوم أو النحاس، بسماكة 1-3 مم عادة، ملحومين أو ملحومين بالنحاس لإنشاء قنوات تدفق مغلقة. يدور سائل التبريد من خلال هذه القنوات، ويمتص الحرارة بالتساوي من خلايا البطارية ويحافظ على الحزمة بأكملها ضمن نافذة درجة الحرارة المثلى - عادةً ما بين 20 درجة مئوية و40 درجة مئوية.
تلعب ألواح التبريد أربعة أدوار حاسمة:
- الحفاظ على درجة حرارة موحدة عبر جميع الخلايا لمنع اختلال التوازن.
- إطالة عمر الدورة عن طريق تجنب الإجهاد الحراري والنقاط الساخنة.
- زيادة إنتاج الطاقة أثناء الشحن السريع أو ظروف الحمل الثقيل.
- تعزيز السلامةمما يقلل من خطر الهروب الحراري.
لتصور تأثيرها: صفيحة ألومنيوم 1 مم تنقل الحرارة أسرع 20 مرة من الهواء، مما يوفر تبريدًا فوريًا ومستقرًا حتى أثناء الشحن السريع.
دور ألواح التبريد في الإدارة الحرارية للبطارية
يبدأ التصميم الفعال باختيار المواد المناسبة والهيكل الداخلي المناسب. ويحدد الجمع بين نوع المعدن والمعالجة السطحية وهندسة قناة التدفق كلاً من الأداء والمتانة للوح التبريد.
كيف يتم توليد حرارة البطارية?
أثناء التشغيل، تقوم خلايا الليثيوم أيون بتحويل الطاقة الكهربائية إلى حرارة من خلال المقاومة الأومية والتفاعلات الكهروكيميائية. يمكن أن تولد حزمة السيارات الكهربائية النموذجية بقدرة 50 كيلوواط ساعة التي تعمل بمعدل تفريغ 2C حرارة تتراوح بين 1.5 و2 كيلوواط من الحرارة بشكل مستمر. إذا لم يتم تبديد هذه الحرارة، يمكن أن تتجاوز درجات الحرارة المحلية 60 درجة مئوية، مما يتسبب في تدهور الإلكتروليت، وطلاء الليثيوم، وفقدان القدرة بشكل لا رجعة فيه.
تم تصميم ألواح التبريد بالصفائح المعدنية للحفاظ على ارتفاع درجة الحرارة أقل من 5 درجات مئوية، حتى في ظل الحمل المستمر. من خلال الحفاظ على هذه النافذة الحرارية الضيقة، يمكن للمهندسين إطالة عمر العبوة بما يصل إلى 30 %، وتقليل معدلات الفشل، وضمان إنتاج طاقة ثابت على مدى آلاف الدورات.
لماذا يعتبر التوحيد الحراري مهمًا?
لا يكمن التحدي الحقيقي في إزالة الحرارة فحسب، بل في إزالتها بالتساوي. فدرجات الحرارة غير المتساوية عبر الخلايا تؤدي إلى انحراف الأداء وتسريع الشيخوخة. تشير الدراسات إلى أنه عندما ينخفض التباين في درجة الحرارة في الوحدة من ± 5 درجات مئوية إلى ± 2 درجة مئوية، يمكن أن يزيد العمر الافتراضي القابل للاستخدام في العبوة بحوالي 25-30 %.
كما تعمل إزالة الحرارة المنتظمة أيضًا على تحسين استقرار الشحن ودقة حالة الشحن (SOC)، حيث يعتمد نظام إدارة المحرك على بيانات حرارية متسقة لموازنة الخلايا بشكل صحيح. وبالتالي، فإن ألواح التبريد ليست مجرد مكونات، بل هي أدوات دقيقة لموازنة الطاقة.
التبريد بالهواء مقابل التبريد بالسائل: فجوة الكفاءة
تبريد الهواء بسيط ولكنه محدود. تقيد الموصلية الحرارية المنخفضة للهواء (≈0.026 واط/م-ك) نقل الحرارة، مما يجعله غير مناسب للحزم الكثيفة أو عالية الطاقة. في المقابل، يوفر التبريد السائل بمخاليط الماء والجليكول (≈0.6 واط/كلفن) كفاءة أكبر بأكثر من 20 ضعفًا، مما يوفر تحكمًا ثابتًا في درجة الحرارة في ظل ظروف الشحن السريع والحمل العالي المستمر.
| طريقة التبريد | الموصلية الحرارية (وات/م كلفن) | التدرج الحراري النموذجي (درجة مئوية) | التطبيق المثالي |
|---|---|---|---|
| تبريد الهواء | 0.026 | 10-20 | الأنظمة منخفضة الطاقة أو الهجينة |
| التبريد بالسوائل | 0.6 | 2-5 | السيارات الكهربائية، نظم دعم الطاقة الكهربائية، وحدات عالية الكثافة |
في معظم المركبات الكهربائية الحديثة، تُعد الصفائح المعدنية السائلة المبردة بالسوائل هي المعيار في معظم المركبات الكهربائية الحديثة لأنها توفر تجانسًا عاليًا ومتانة وقابلية للتطوير المعياري بتكلفة معقولة.
الميزة الهندسية لألواح التبريد بالصفائح المعدنية
توفر الصفائح المعدنية العديد من المزايا الهيكلية والتصنيعية:
- هيكل خفيف الوزن يقلل وزن السيارة مع الحفاظ على صلابتها.
- ارتفاع نسبة مساحة السطح إلى الحجم يحسّن انتقال الحرارة.
- خيارات تصميم مرنة تمكين تخطيطات القنوات السربنتية أو المتوازية أو ذات الزعنفة الدبوسية.
- إنتاج قابل للتطوير يناسب احتياجات النموذج الأولي والتصنيع على نطاق واسع على حد سواء.
المواد والتصميم الهيكلي لألواح التبريد بالصفائح المعدنية
يبدأ التصميم الفعال باختيار المواد المناسبة والهيكل الداخلي المناسب. ويحدد الجمع بين نوع المعدن والمعالجة السطحية وهندسة قناة التدفق كلاً من الأداء والمتانة للوح التبريد.
المعادن الشائعة الاستخدام
ويحدد اختيار المعدن بشكل مباشر مدى كفاءة صفيحة التبريد في نقل الحرارة وتحمل الضغط على المدى الطويل. ويظل الألومنيوم والنحاس المادتين السائدتين، حيث يقدم كل منهما مفاضلة فريدة بين التوصيل والوزن والتكلفة.
| المواد | الموصلية الحرارية (وات/م كلفن) | الكثافة (جم/سم مكعب) | مؤشر التكلفة (≈) | المقاومة للتآكل | التطبيق النموذجي |
|---|---|---|---|---|---|
| ألومنيوم (3003، 6061) | 180-210 | 2.7 | ★★☆ | عالي | EV battery plates, energy storage systems |
| نحاس | 385–400 | 8.9 | ★★★ | متوسط | High-performance or compact modules |
| Stainless Steel (304) | 15–25 | 7.9 | ★☆☆ | ممتاز | Marine or corrosive environments |
Aluminum dominates EV cooling systems because it offers light weight, excellent corrosion resistance, and cost-effective formability. Copper, while providing nearly double the thermal conductivity, is heavier and more expensive — used mainly where high heat flux or space constraints demand extreme performance.
Surface Treatments and Corrosion Protection
Cooling plates continuously contact glycol-based coolants, so corrosion protection is critical to prevent internal leakage and particle contamination. The most effective surface treatments combine chemical stability with bonding compatibility for thermal interface materials (TIMs).
Common treatments include:
- أنودة: Forms a hard, oxide layer on aluminum that resists corrosion and enhances heat spreading.
- Nickel or Chromate Plating: Adds a barrier layer that protects against galvanic corrosion when paired with dissimilar metals.
- Epoxy or Passivation Coatings: Used in extreme humidity or marine applications for additional protection.
Testing shows anodized aluminum plates retain over 95% of their thermal conductivity after 1,000 hours of salt-spray exposure — far outperforming untreated plates. Well-applied coatings not only extend service life but also improve coolant purity, thereby reducing maintenance costs in the long term.
Flow Channel and Plate Structure Design
The internal channel geometry defines how effectively the coolant absorbs and distributes heat across the plate. Designers use Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations to optimize this balance between temperature uniformity, pressure drop, and coolant velocity.
Serpentine Flow Channels
- A single continuous path that ensures complete coverage of the surface.
- Delivers excellent thermal uniformity but higher pressure loss.
- Ideal for compact EV modules and battery packs under fast-charging cycles.
Parallel Flow Channels
- Multiple flow paths allow lower pressure drop and faster flow.
- Simpler manufacturing and scalability.
- Requires careful balancing to prevent uneven flow distribution.
Pin-Fin or Dimple Structures
- Small 3D protrusions inside channels increase turbulence, boosting heat transfer by 10–15%.
- Typically formed by hydroforming or CNC embossing.
- Best for high-power-density applications where surface area is crucial.
In EV applications, target flow rates typically range from 2–4 L/min per module, with a temperature rise of less than 3 °C between the inlet and outlet. CFD analysis also ensures the pressure drop remains below 20 kPa, minimizing pump energy consumption while achieving uniform cooling.
Design Parameters and Thickness Optimization
Cooling plates are generally built from two sheets, 1.0–3.0 mm thick. Thinner plates provide better heat transfer but risk deformation under pressure, while thicker plates increase stiffness but add weight.
Engineers use Finite Element Analysis (FEA) to simulate internal pressure loads — often up to 0.3 MPa — and identify areas requiring reinforcement ribs or adjustments to weld spacing.
A well-optimized plate achieves:
- Flatness tolerance: within ±0.05 mm
- Burst pressure: over 1 MPa
- Thermal resistance: below 0.20 °C/W
This precision ensures the plate stays flat and leak-free even after 10,000+ pressure cycles, critical for high-voltage battery modules where sealing integrity is non-negotiable.
Manufacturing Tolerances and Surface Flatness
Effective heat transfer relies on tight control of surface flatness and channel geometry. Even small irregularities can increase thermal resistance and reduce efficiency.
تتضمن أفضل الممارسات ما يلي:
- Controlling flatness within ±0.05 mm using precision clamping during welding.
- Minimizing weld bead distortion through controlled heat input and cooling rates.
- Applying thermal interface materials (TIMs) like gap fillers or pads to bridge microscopic air gaps.
Improving surface flatness from 0.10 mm to 0.05 mm can reduce interface resistance by nearly 25%, enhancing overall temperature uniformity.
عمليات تصنيع ألواح التبريد بالصفائح المعدنية
Transforming a digital design into a durable, leak-proof, and thermally efficient cooling plate demands precision at every stage. From sheet forming to welding, each step must preserve geometry, prevent distortion, and ensure consistent performance across thousands of units.
Forming and Channel Creation
The process begins with two sheets of aluminum or copper, typically 1–3 mm thick. Depending on production volume and design complexity, manufacturers use several forming methods:
Precision Stamping
- مثالية للإنتاج بكميات كبيرة.
- Provides consistent depth and channel curvature within ± 0.1 مم tolerance.
- Works best for simple serpentine or parallel flow layouts.
التصنيع باستخدام الحاسب الآلي
- Suitable for prototyping or low-volume runs.
- Allows full design flexibility with channel depths up to 3 مم and complex geometries.
- Ensures high repeatability for early-stage validation or design customization.
التشكيل المائي
- Uses high-pressure fluid to form evenly spaced channels across the sheet.
- Reduces residual stress and delivers smooth internal surfaces for better coolant flow.
- Preferred in EV applications requiring compact, high-density plates.
Joining and Sealing Processes
Once the channel layer is formed, the two sheets are joined to create a sealed internal network. The choice of joining process affects thermal efficiency, weight, and production cost.
| العملية | صفات | مزايا | حالة الاستخدام النموذجي |
|---|---|---|---|
| اللحام بالليزر | Uses focused beams to melt and fuse sheets along predefined seams. | High precision, minimal distortion, clean seams. | Thin aluminum or copper plates. |
| Friction Stir Welding (FSW) | Joins sheets by mechanical stirring below melting point. | Strong joints, no filler, minimal porosity. | High-pressure systems and structural plates. |
| Vacuum Brazing | Fuses sheets using filler metal in a vacuum furnace. | Excellent sealing and conductivity; no oxidation. | Complex, multi-channel plates. |
| TIG/MIG Welding | Manual or semi-automatic arc welding. | Flexible for prototypes or repairs. | Small-batch fabrication. |
Among these, اللحام بالليزر dominates due to its combination of precision and speed. A laser seam width of 0.4–0.8 mm can maintain high flatness and withstand internal pressures above 1 MPa.
FSW is also gaining popularity for structural applications because it eliminates filler materials and produces joints with 30% higher fatigue life compared to conventional welds.
Leak Testing and Quality Verification
After joining, each cooling plate undergoes rigorous leak and strength testing to ensure reliability in real-world operation.
Helium Leak Detection
- Detects microleaks as small as 1×10⁻⁶ mbar·L/s using mass spectrometry.
- Used for EV-grade plates that require 100% sealing integrity.
Air Pressure and Submersion Test
- The plate is filled with air and submerged in water at 0.3–0.5 MPa to check for visible bubbles.
- Simple and effective for production-level checks.
Pressure Cycling and Burst Test
- Simulates continuous heating and cooling under working pressures.
- A standard test may involve 10,000 pressure cycles and a burst pressure of over 1.2 MPa.
Plates that pass all tests are cleaned, dried, and marked with serial numbers for full traceability, ensuring compliance with ISO 9001 and automotive PPAP documentation standards.
خاتمة
Sheet metal cooling plates have evolved from simple heat exchangers into integrated thermal-management modules. Their lightweight structure, manufacturability, and ability to maintain temperature uniformity make them indispensable to modern EV and ESS systems.
Ready to Optimize Your Battery Thermal System? At Shengen, our engineering team specializes in custom sheet-metal battery-cooling plate fabrication—from prototype validation to high-volume production. قم بتحميل ملفات CAD الخاصة بك أو اتصل بمهندسينا لمناقشة كيف يمكننا دعم مشروعك القادم في مجال السيارات الكهربائية أو تخزين الطاقة.
مهلا، أنا كيفن لي
على مدى السنوات العشر الماضية، كنت منغمسًا في أشكال مختلفة من تصنيع الصفائح المعدنية، وشاركت رؤى رائعة هنا من تجاربي عبر ورش العمل المتنوعة.
ابقى على تواصل
كيفن لي
لدي أكثر من عشر سنوات من الخبرة المهنية في تصنيع الصفائح المعدنية، وتخصصت في القطع بالليزر، والثني، واللحام، وتقنيات معالجة الأسطح. كمدير فني في شنغن، أنا ملتزم بحل تحديات التصنيع المعقدة ودفع الابتكار والجودة في كل مشروع.



