O rápido crescimento dos veículos eléctricos (EVs) e dos sistemas de armazenamento de energia (ESS) está a remodelar a forma como as indústrias pensam sobre a gestão térmica. À medida que a densidade de energia das baterias continua a aumentar, a capacidade de controlar a temperatura com precisão tornou-se um fator determinante para a fiabilidade e a vida útil das baterias.
Entre os vários métodos de arrefecimento, as placas de arrefecimento de baterias em chapa metálica surgiram como uma solução líder para pacotes de elevado desempenho. Combinam uma excelente condutividade térmica, uma estrutura leve e uma escalabilidade económica.
Este artigo explora a forma como as placas de arrefecimento de baterias em chapa metálica são concebidas, fabricadas e integradas - e porque são fundamentais para a próxima geração de inovação em baterias.
O que são placas de arrefecimento da bateria?
Uma placa de arrefecimento da bateria é um componente metálico de engenharia de precisão concebido para retirar o calor das células da bateria e transferi-lo para um líquido de arrefecimento em fluxo, normalmente uma mistura de água e glicol. Actua como uma ponte térmica e um suporte mecânico dentro do conjunto de baterias.
A maioria dos designs consiste em duas folhas finas de alumínio ou cobre, normalmente com 1-3 mm de espessura, soldadas ou brasadas para criar canais de fluxo fechados. O líquido de refrigeração circula através destes canais, absorvendo uniformemente o calor das células da bateria e mantendo todo o conjunto dentro da janela de temperatura ideal - normalmente entre 20 °C e 40 °C.
As placas de arrefecimento desempenham quatro funções críticas:
- Manter a temperatura uniforme em todas as células para evitar desequilíbrios.
- Prolongar o ciclo de vida evitando o stress térmico e os pontos quentes.
- Aumentar a potência de saída durante o carregamento rápido ou em condições de carga pesada.
- Reforçar a segurançareduzindo o risco de fuga térmica.
Para visualizar o seu impacto: uma placa de alumínio de 1 mm transfere o calor 20 vezes mais depressa do que o ar, proporcionando um arrefecimento imediato e estável, mesmo durante o carregamento rápido.
O papel das placas de arrefecimento na gestão térmica da bateria
Um design eficiente começa com a escolha dos materiais e da estrutura interna corretos. A combinação do tipo de metal, tratamento de superfície e geometria do canal de fluxo define o desempenho e a durabilidade de uma placa de arrefecimento.
Como é gerado o calor da bateria？
Durante o funcionamento, as células de iões de lítio convertem a energia eléctrica em calor através da resistência óhmica e de reacções electroquímicas. Um pacote EV típico de 50 kWh a funcionar a uma taxa de descarga de 2C pode gerar 1,5-2 kW de calor continuamente. Se esse calor não for dissipado, as temperaturas locais podem ultrapassar os 60 °C, provocando a degradação do eletrólito, a formação de placas de lítio e a perda irreversível de capacidade.
As placas de arrefecimento de chapa metálica são concebidas para manter o aumento da temperatura abaixo dos 5 °C, mesmo sob carga sustentada. Ao manter esta janela térmica estreita, os engenheiros podem prolongar a vida útil da embalagem até 30 %, reduzir as taxas de falha e assegurar uma produção de energia consistente ao longo de milhares de ciclos.
Porque é que a uniformidade térmica é importante？
O verdadeiro desafio não é apenas remover o calor - é removê-lo uniformemente. Temperaturas desiguais entre as células criam desvios de desempenho e aceleram o envelhecimento. Estudos demonstram que quando a variação de temperatura num módulo desce de ±5 °C para ±2 °C, a vida útil da bateria pode aumentar em cerca de 25-30 %.
A remoção uniforme do calor também melhora a estabilidade do carregamento e a precisão do estado de carga (SOC), uma vez que o BMS depende de dados térmicos consistentes para equilibrar corretamente as células. Assim, as placas de arrefecimento não são apenas componentes - são ferramentas de precisão para o equilíbrio energético.
Arrefecimento a ar vs. arrefecimento a líquido: A diferença de eficiência
O arrefecimento por ar é simples mas limitado. A baixa condutividade térmica do ar (≈0,026 W/m-K) restringe a transferência de calor, tornando-o inadequado para baterias densas ou de alta potência. Em contrapartida, o arrefecimento líquido com misturas de água e glicol (≈0,6 W/m-K) oferece uma eficiência 20 vezes superior, proporcionando um controlo estável da temperatura em condições de carregamento rápido e de carga elevada contínua.
| Método de arrefecimento | Condutividade térmica (W/m-K) | Gradiente de temperatura típico (°C) | Aplicação ideal |
|---|---|---|---|
| Arrefecimento do ar | 0.026 | 10-20 | Sistemas de baixo consumo ou híbridos |
| Arrefecimento líquido | 0.6 | 2-5 | EVs, ESS, módulos de alta densidade |
Na maioria dos VEs modernos, as placas de chapa metálica arrefecidas por líquido são o padrão, porque proporcionam uma elevada uniformidade, durabilidade e escalabilidade modular a um custo razoável.
A vantagem de engenharia das placas de arrefecimento de chapa metálica
A chapa metálica oferece várias vantagens estruturais e de fabrico:
- Construção leve reduz o peso do veículo, mantendo a rigidez.
- Elevada relação superfície/volume melhora a transferência de calor.
- Opções de design flexíveis permitem disposições de canais em serpentina, paralelos ou com alhetas.
- Produção escalável adapta-se tanto às necessidades de fabrico de protótipos como de produção em massa.
Materiais e conceção estrutural para placas de arrefecimento de chapa metálica
Um design eficiente começa com a escolha dos materiais e da estrutura interna corretos. A combinação do tipo de metal, tratamento de superfície e geometria do canal de fluxo define o desempenho e a durabilidade de uma placa de arrefecimento.
Metais comuns utilizados
A escolha do metal determina diretamente a eficácia com que uma placa de arrefecimento transfere o calor e resiste ao stress a longo prazo. O alumínio e o cobre continuam a ser os dois materiais dominantes, cada um oferecendo soluções de compromisso únicas entre condutividade, peso e custo.
| Material | Condutividade térmica (W/m-K) | Densidade (g/cm³) | Índice de custo (≈) | Resistência à corrosão | Aplicação típica |
|---|---|---|---|---|---|
| Alumínio (3003, 6061) | 180-210 | 2.7 | ★★☆ | Alto | Placas de bateria para veículos eléctricos, sistemas de armazenamento de energia |
| Cobre | 385-400 | 8.9 | ★★★ | Médio | Módulos de alto desempenho ou compactos |
| Aço inoxidável (304) | 15-25 | 7.9 | ★☆☆ | Excelente | Ambientes marinhos ou corrosivos |
O alumínio domina os sistemas de arrefecimento de veículos eléctricos porque é leve, tem uma excelente resistência à corrosão e pode ser moldado de forma económica. O cobre, embora ofereça quase o dobro da condutividade térmica, é mais pesado e mais caro - utilizado principalmente quando o elevado fluxo de calor ou as restrições de espaço exigem um desempenho extremo.
Tratamentos de superfície e proteção contra a corrosão
As placas de arrefecimento contactam continuamente com refrigerantes à base de glicol, pelo que a proteção contra a corrosão é fundamental para evitar fugas internas e contaminação por partículas. Os tratamentos de superfície mais eficazes combinam estabilidade química com compatibilidade de ligação para materiais de interface térmica (TIMs).
Os tratamentos mais comuns incluem:
- Anodização: Forma uma camada dura de óxido no alumínio que resiste à corrosão e melhora a propagação do calor.
- Niquelagem ou cromagem: Adiciona uma camada de barreira que protege contra a corrosão galvânica quando emparelhado com metais dissimilares.
- Revestimentos epoxídicos ou de passivação: Utilizado em aplicações marítimas ou de humidade extrema para proteção adicional.
Os testes demonstram que as placas de alumínio anodizado retêm mais de 95% da sua condutividade térmica após 1.000 horas de exposição a salpicos de sal - superando largamente as placas não tratadas. Os revestimentos bem aplicados não só prolongam a vida útil como também melhoram a pureza do líquido de refrigeração, reduzindo assim os custos de manutenção a longo prazo.
Conceção de canais de fluxo e estruturas de placas
A geometria do canal interno define a eficácia com que o refrigerante absorve e distribui o calor pela placa. Os projectistas utilizam simulações de Dinâmica de Fluidos Computacional (CFD) para otimizar este equilíbrio entre a uniformidade da temperatura, a queda de pressão e a velocidade do líquido de refrigeração.
Canais de fluxo em serpentina
- Um único trajeto contínuo que assegura uma cobertura completa da superfície.
- Proporciona uma excelente uniformidade térmica, mas uma maior perda de pressão.
- Ideal para módulos EV compactos e conjuntos de baterias em ciclos de carregamento rápido.
Canais de fluxo paralelo
- Várias trajectórias de fluxo permitem uma menor queda de pressão e um fluxo mais rápido.
- Fabrico e escalabilidade mais simples.
- Requer um equilíbrio cuidadoso para evitar uma distribuição desigual do caudal.
Estruturas de pinos ou de covinhas
- Pequenas saliências 3D no interior dos canais aumentam a turbulência, aumentando a transferência de calor em 10-15%.
- Normalmente formado por hidroformação ou gravação CNC.
- Ideal para aplicações de alta densidade de potência em que a área de superfície é crucial.
Nas aplicações EV, os caudais alvo variam normalmente entre 2-4 L/min por módulo, com um aumento de temperatura inferior a 3 °C entre a entrada e a saída. A análise CFD também assegura que a queda de pressão se mantém abaixo dos 20 kPa, minimizando o consumo de energia da bomba ao mesmo tempo que se consegue um arrefecimento uniforme.
Parâmetros de conceção e otimização da espessura
As placas de arrefecimento são geralmente construídas a partir de duas folhas, com 1,0-3,0 mm de espessura. As placas mais finas permitem uma melhor transferência de calor, mas correm o risco de se deformarem sob pressão, enquanto as placas mais grossas aumentam a rigidez, mas aumentam o peso.
Os engenheiros utilizam a Análise de Elementos Finitos (FEA) para simular cargas de pressão interna - frequentemente até 0,3 MPa - e identificar áreas que requerem nervuras de reforço ou ajustes no espaçamento das soldaduras.
Uma placa bem optimizada alcança:
- Tolerância de planeza: com uma tolerância de ±0,05 mm
- Pressão de rebentamento: mais de 1 MPa
- Resistência térmica: inferior a 0,20 °C/W
Esta precisão garante que a placa se mantém plana e sem fugas, mesmo após mais de 10 000 ciclos de pressão, o que é fundamental para os módulos de bateria de alta tensão, em que a integridade da vedação não é negociável.
Tolerâncias de fabrico e planicidade da superfície
Uma transferência de calor eficaz depende de um controlo rigoroso da planicidade da superfície e da geometria do canal. Mesmo pequenas irregularidades podem aumentar a resistência térmica e reduzir a eficiência.
As melhores práticas incluem:
- Controlo da planicidade com um intervalo de ±0,05 mm utilizando uma fixação de precisão durante a soldadura.
- Minimizar a distorção do cordão de soldadura através do controlo da entrada de calor e das taxas de arrefecimento.
- Aplicação de materiais de interface térmica (TIMs), como enchimentos ou almofadas para colmatar as lacunas de ar microscópicas.
Melhorar a planicidade da superfície de 0,10 mm para 0,05 mm pode reduzir a resistência da interface em quase 25%, melhorando a uniformidade geral da temperatura.
Processos de fabrico de placas de arrefecimento de chapas metálicas
Transformar um design digital numa placa de arrefecimento durável, à prova de fugas e termicamente eficiente exige precisão em todas as fases. Desde a formação da chapa até à soldadura, cada passo tem de preservar a geometria, evitar a distorção e garantir um desempenho consistente em milhares de unidades.
Formação e criação de canais
O processo começa com duas folhas de alumínio ou cobre, normalmente com 1-3 mm de espessura. Dependendo do volume de produção e da complexidade do projeto, os fabricantes utilizam vários métodos de conformação:
Estampagem de precisão
- Ideal para produção de alto volume.
- Proporciona uma profundidade consistente e uma curvatura do canal dentro de ±0,1 mm tolerância.
- Funciona melhor para esquemas simples de serpentina ou de fluxo paralelo.
Maquinação CNC
- Adequado para prototipagem ou tiragens de baixo volume.
- Permite total flexibilidade de design com profundidades de canal até 3 mm e geometrias complexas.
- Garante uma elevada repetibilidade para validação na fase inicial ou personalização do design.
Hidroconformação
- Utiliza um fluido a alta pressão para formar canais uniformemente espaçados ao longo da folha.
- Reduz a tensão residual e proporciona superfícies internas lisas para um melhor fluxo do líquido de refrigeração.
- Preferido em aplicações EV que requerem placas compactas e de alta densidade.
Processos de união e vedação
Uma vez formada a camada de canal, as duas folhas são unidas para criar uma rede interna selada. A escolha do processo de união afecta a eficiência térmica, o peso e o custo de produção.
| Processo | Características | Vantagens | Caso de utilização típico |
|---|---|---|---|
| Soldadura a laser | Utiliza feixes focados para fundir e fundir folhas ao longo de costuras predefinidas. | Alta precisão, distorção mínima, costuras limpas. | Placas finas de alumínio ou cobre. |
| Soldadura por fricção (FSW) | Junção das folhas por agitação mecânica abaixo do ponto de fusão. | Juntas fortes, sem enchimento, porosidade mínima. | Sistemas de alta pressão e placas estruturais. |
| Brasagem a vácuo | Fusão de chapas com metal de adição num forno de vácuo. | Excelente vedação e condutividade; sem oxidação. | Placas complexas e multicanais. |
| Soldadura TIG/MIG | Soldadura por arco manual ou semi-automática. | Flexível para protótipos ou reparações. | Fabrico de pequenos lotes. |
Entre eles, soldagem a laser A tecnologia de costura a laser é dominante devido à sua combinação de precisão e velocidade. Uma largura de costura a laser de 0,4-0,8 mm pode manter uma elevada planicidade e suportar pressões internas superiores a 1 MPa.
A FSW está também a ganhar popularidade em aplicações estruturais porque elimina os materiais de enchimento e produz juntas com uma vida à fadiga 30% mais elevada em comparação com as soldaduras convencionais.
Teste de fugas e verificação da qualidade
Após a união, cada placa de arrefecimento é submetida a testes rigorosos de estanquidade e resistência para garantir a fiabilidade no funcionamento no mundo real.
Deteção de fugas de hélio
- Detecta microfugas tão pequenas como 1×10-⁶ mbar-L/s utilizando espetrometria de massa.
- Utilizado para placas de grau EV que requerem integridade de vedação 100%.
Teste de pressão de ar e submersão
- A placa é cheia de ar e submersa em água a 0,3-0,5 MPa para verificar se existem bolhas visíveis.
- Simples e eficaz para controlos ao nível da produção.
Teste de ciclos de pressão e de rutura
- Simula o aquecimento e arrefecimento contínuos sob pressões de trabalho.
- Um ensaio normalizado pode envolver 10.000 ciclos de pressão e uma pressão de rebentamento superior a 1,2 MPa.
As placas que passam em todos os testes são limpas, secas e marcadas com números de série para uma rastreabilidade total, garantindo a conformidade com a norma ISO 9001 e com as normas de documentação PPAP do sector automóvel.
Conclusão
As placas de arrefecimento de chapa metálica evoluíram de simples permutadores de calor para módulos integrados de gestão térmica. A sua estrutura leve, capacidade de fabrico e capacidade de manter a uniformidade da temperatura tornam-nas indispensáveis aos sistemas EV e ESS modernos.
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Nos últimos 10 anos, tenho estado imerso em várias formas de fabrico de chapas metálicas, partilhando aqui ideias interessantes a partir das minhas experiências em diversas oficinas.
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Kevin Lee
Tenho mais de dez anos de experiência profissional no fabrico de chapas metálicas, especializando-me em corte a laser, dobragem, soldadura e técnicas de tratamento de superfícies. Como Diretor Técnico da Shengen, estou empenhado em resolver desafios complexos de fabrico e em promover a inovação e a qualidade em cada projeto.
