En los sectores de los sistemas de almacenamiento de energía (ESS) y los vehículos eléctricos (VE), que evolucionan a gran velocidad, nunca se insistirá lo suficiente en la importancia de la gestión térmica. Las placas de refrigeración desempeñan un papel fundamental para garantizar la eficiencia, seguridad y longevidad de los sistemas de baterías de alta potencia. Sin embargo, el proceso de fabricación de estos componentes es intrincado e implica múltiples técnicas avanzadas para satisfacer los requisitos específicos de las distintas aplicaciones.
El primer paso en la fabricación de placas de refrigeración es la preparación del material. La elección de los materiales influye directamente en el rendimiento, la durabilidad y la eficacia de las placas de refrigeración.
Este proceso implica cortar materias primas, normalmente metales como el aluminio o el cobre, en el tamaño y la forma deseados. La precisión en el cizallado es esencial para garantizar que la placa de refrigeración cumpla las dimensiones específicas requeridas para su aplicación.
En los casos en que se necesitan formas transversales complejas, se recurre a la extrusión. Este proceso consiste en forzar el material a través de una matriz para crear secciones largas con perfiles consistentes. Los materiales extruidos se utilizan a menudo en la producción de canales o aletas dentro de la placa de refrigeración.
El aluminio ofrecía un buen equilibrio entre rendimiento y coste. El proceso de extrusión permitió fabricar canales que optimizaban la dinámica de fluidos, reduciendo el tamaño y el peso totales de las placas de refrigeración.
El proceso de extrusión, aunque eficaz, introdujo complejidades en el mantenimiento de tolerancias estrictas durante los pasos de mecanizado posteriores, lo que podría afectar potencialmente a la uniformidad del flujo dentro de los canales. (Yu et al., 2010).
Para diseños más intrincados, el corte por láser ofrece gran precisión y flexibilidad. Esta técnica es especialmente útil para crear canales o cámaras de flujo complejos dentro de la placa de refrigeración. El corte por láser garantiza un desperdicio mínimo de material y una gran precisión.
Los canales o cámaras de flujo son el corazón de una placa de refrigeración, ya que permiten que el refrigerante circule y disipe el calor de forma eficaz. El diseño y el procesamiento de estos canales son cruciales para el rendimiento de la placa de refrigeración.
Este método consiste en dar forma al metal prensándolo en una matriz. El estampado suele utilizarse para crear la forma inicial de los canales de flujo. Es un proceso rentable, adecuado para la producción de grandes volúmenes.
Para diseños de canales más precisos o complejos, se recurre al mecanizado. Este proceso consiste en eliminar material de la pieza mediante herramientas de corte. El mecanizado permite un mayor control de las dimensiones del canal de flujo, garantizando una dinámica de fluidos óptima dentro de la placa de refrigeración.
Esta técnica se utiliza para formar canales soplando aire a alta presión en el material. Esta técnica crea canales soplando aire a alta presión en el material. El soplado a presión permite la formación rápida de canales de flujo internos y es ligero. El proceso es ideal para paneles de refrigeración con estructuras sencillas y capacidad de intercambio de calor de baja potencia.
El siguiente paso consiste en la elaboración de conectores y accesorios, como entradas, salidas y vigas de montaje. Estos componentes son esenciales para integrar la placa de refrigeración en el sistema más amplio, garantizando el correcto flujo de fluidos y la estabilidad mecánica.
La fabricación de entradas y salidas es fundamental para garantizar que el refrigerante entre y salga de la placa de refrigeración de forma eficiente. Estos componentes deben estar alineados con precisión y fijados de forma segura para evitar fugas y garantizar un flujo de fluido uniforme.
A menudo se añaden vigas de montaje para proporcionar soporte estructural y facilitar la instalación de la placa de refrigeración dentro del sistema. Estas vigas deben ser robustas y estar colocadas con precisión para soportar las tensiones mecánicas durante el funcionamiento.
La soldadura es un proceso crítico en la fabricación de placas de refrigeración, ya que garantiza la integridad estructural y la durabilidad del producto final. En la producción de placas de refrigeración se utilizan habitualmente varias técnicas de soldadura:
Una placa de refrigeración líquida soldada al vacío se refiere a un tipo de placa refrigerada por agua que se fabrica procesando dos placas metálicas con canales internos y estructuras de aletas (normalmente aletas plegadas o raspadas) y luego sellándolas cuidadosamente dentro de una cámara de vacío para calentarlas.
Este método de soldadura, también conocido como soldadura con gas protector, se basa en la protección con gas nitrógeno durante la soldadura fuerte. Tolera imprecisiones en las piezas de hasta 0,2 mm y puede utilizar fundente para rellenar huecos. La soldadura fuerte con protección de gas mejora el flujo de material, garantizando soldaduras horizontales y verticales fuertes con una resistencia típica de unos 30KG. A diferencia de los métodos de vacío y dependientes del calor, permite una producción continua de alta eficacia y una reelaboración rentable después de un fallo.
La FSW es un proceso de soldadura en estado sólido que une materiales sin fundirlos. Esta técnica es muy adecuada para producir soldaduras de alta resistencia y sin defectos en placas de refrigeración. La FSW se utiliza a menudo para placas de refrigeración de aluminio por su capacidad para crear uniones robustas sin comprometer las propiedades del material.
CMT es una variante de la soldadura por arco metálico con gas (GMAW) que ofrece un control preciso del aporte de calor. Esta técnica minimiza la distorsión térmica, por lo que es ideal para soldar materiales finos o componentes delicados en placas de refrigeración.
Una vez soldada y montada la placa de refrigeración, se aplica un tratamiento superficial para mejorar su durabilidad, resistencia a la corrosión y rendimiento térmico.
El pulido se utiliza a menudo para crear una superficie lisa y reflectante en la placa de refrigeración. Una superficie pulida puede mejorar la eficacia de transferencia térmica de la placa y reducir el riesgo de corrosión. El pulido también mejora el aspecto estético de la placa de refrigeración, lo que puede ser importante para los componentes visibles de los productos de consumo.
Para evitar la conductividad eléctrica y mejorar el aislamiento térmico, puede aplicarse un revestimiento aislante. Este revestimiento crea una barrera protectora que garantiza que la placa de refrigeración pueda funcionar con seguridad en entornos de alta tensión, como los de las baterías de los vehículos eléctricos.
La última etapa del proceso de fabricación es la prueba y verificación. Esta etapa es crucial para garantizar que la placa de refrigeración cumple todos los requisitos de rendimiento y seguridad antes de integrarse en el producto final.
Las pruebas de estanqueidad se realizan para garantizar que la placa de refrigeración está completamente sellada y que no se producirá ninguna fuga de refrigerante durante el funcionamiento. Esta prueba suele realizarse con aire a presión o un colorante líquido, lo que permite a los ingenieros detectar incluso las fugas más pequeñas.
La capacidad de la placa de refrigeración para disipar eficazmente el calor se comprueba en diversas condiciones de funcionamiento. Esto implica medir la conductividad térmica de la placa, el coeficiente de transferencia de calor y la eficiencia general de refrigeración.
Las pruebas mecánicas, como las de resistencia a la tracción y fatiga, se realizan para evaluar la integridad estructural de la placa de refrigeración. Estas pruebas garantizan que la placa de refrigeración pueda soportar las tensiones mecánicas a las que se enfrentará durante su funcionamiento.
Las pruebas mecánicas, como las de resistencia a la tracción y fatiga, se realizan para evaluar la integridad estructural de la placa de refrigeración. Estas pruebas garantizan que la placa de refrigeración pueda soportar las tensiones mecánicas a las que se enfrentará durante su funcionamiento.
Una empresa polaca de almacenamiento de energía se enfrentó a un reto único a la hora de diseñar placas de refrigeración para un proyecto de ESS a gran escala. El sistema requería una refrigeración muy eficaz para gestionar las cargas térmicas de las celdas de la batería, densamente empaquetadas. Los diseños estándar de canales de flujo eran inadecuados, por lo que era necesaria una solución a medida.
El equipo de ingeniería empleó una combinación de estampado y mecanizado de precisión para crear un diseño de canal híbrido. El estampado se utilizó para los contornos de los canales primarios, mientras que el mecanizado perfeccionó los canales para cumplir los exigentes requisitos de flujo de refrigerante. Este doble enfoque permitió crear geometrías complejas que maximizaban la transferencia de calor al tiempo que minimizaban las caídas de presión.
El planteamiento híbrido permitió crear canales de refrigeración muy eficientes sin necesidad de procesos de fabricación totalmente a medida, que habrían aumentado considerablemente los costes.
La integración de componentes estampados y mecanizados exigía una alineación y unas técnicas de unión cuidadosas para evitar posibles fugas y garantizar una distribución uniforme del refrigerante.
Un fabricante húngaro de vehículos eléctricos pesados se enfrentaba al reto de producir placas de refrigeración que pudieran soportar las tensiones térmicas y mecánicas extremas típicas de sus aplicaciones. Los métodos de soldadura tradicionales provocaban problemas con la integridad de las juntas, sobre todo en condiciones de altas temperaturas prolongadas.
Para solucionar este problema, el fabricante adoptó la soldadura por fricción (FSW) para el ensamblaje de sus placas de refrigeración. La FSW, un proceso de estado sólido, proporcionó una resistencia de unión superior y eliminó los defectos comúnmente asociados a la soldadura por fusión. Las placas de refrigeración resultantes mostraron un excelente rendimiento en términos de conductividad térmica y durabilidad mecánica, incluso en las condiciones más exigentes.
La FSW produjo uniones con una fuerza y una resistencia a la fatiga excepcionales, cruciales para aplicaciones de gran resistencia. La ausencia de fusión en el proceso también preservó las propiedades del material, lo que dio lugar a una placa de enfriamiento más fiable.
La adopción de la FSW requirió una importante inversión en equipos especializados y formación, lo que incrementó los costes iniciales de producción. Sin embargo, estos costes se justificaron por la mejora del rendimiento y la reducción de las tasas de fallos en el producto final.
El uso de FSW en este caso subraya la importancia de seleccionar las técnicas de soldadura adecuadas en función de los requisitos específicos de la aplicación. En entornos sometidos a grandes esfuerzos, la elección del método de soldadura puede influir significativamente en la fiabilidad y el rendimiento a largo plazo de las placas de refrigeración.
Un fabricante checo de ESS necesitaba proteger sus placas de refrigeración de las duras condiciones ambientales típicas de las instalaciones exteriores. El reto consistía en aplicar un tratamiento superficial que ofreciera resistencia a la corrosión y aislamiento eléctrico sin comprometer la eficacia de la refrigeración.
La solución consistió en aplicar un sistema de revestimiento de doble capa. La primera capa era un revestimiento de oxidación anódica, que proporcionaba una excelente resistencia a la corrosión. La segunda capa era un revestimiento aislante, diseñado específicamente para evitar la conducción eléctrica manteniendo la conductividad térmica. Esta combinación garantizó que las placas de refrigeración siguieran siendo eficaces y duraderas durante toda su vida útil.
El revestimiento de doble capa proporcionó una protección completa, alargando la vida útil de las placas de refrigeración y garantizando un funcionamiento seguro en entornos de alta tensión. El método también preservó la eficiencia de la refrigeración, un factor crítico en las aplicaciones ESS.
La aplicación de múltiples revestimientos exigía un control preciso del grosor y la uniformidad de cada capa. Cualquier desviación podía provocar puntos calientes o reducir el rendimiento de la refrigeración, lo que exigía rigurosos protocolos de control de calidad.
Este caso pone de relieve el papel fundamental del tratamiento de superficies para mejorar la durabilidad y eficacia de las placas de refrigeración, especialmente en entornos difíciles. Seleccionando y aplicando cuidadosamente los revestimientos adecuados, los fabricantes pueden mejorar notablemente el rendimiento y la fiabilidad de sus productos.
Una startup polaca especializada en vehículos eléctricos se enfrentó a importantes retos para garantizar la fiabilidad de sus placas de refrigeración durante el desarrollo de su primer prototipo. Dado el papel fundamental de la gestión térmica en el rendimiento de los vehículos eléctricos, la empresa puso en marcha un riguroso proceso de pruebas y verificación.
El régimen de pruebas incluyó pruebas exhaustivas de fugas, evaluación del rendimiento térmico y pruebas de tensión mecánica. En las pruebas de estanqueidad se utilizaron métodos de presión de aire y líquidos penetrantes para detectar posibles fugas en las fases iniciales. El rendimiento térmico se evaluó en diversas condiciones de carga, simulando situaciones de conducción reales. Las pruebas mecánicas se centraron en la capacidad de la placa de refrigeración para soportar las vibraciones y los impactos típicos de los entornos automovilísticos.
El exhaustivo régimen de pruebas proporcionó a la nueva empresa valiosos datos que permitieron introducir mejoras iterativas en el diseño de la placa de refrigeración. La detección precoz de posibles problemas ayudó a evitar costosas retiradas y fallos de rendimiento sobre el terreno.
El extenso proceso de pruebas añadió tiempo y costes al ciclo de desarrollo, pero se consideraron inversiones necesarias para garantizar la calidad del producto y la satisfacción del cliente.
El planteamiento de esta nueva empresa polaca subraya la importancia de realizar pruebas y verificaciones exhaustivas en el desarrollo de placas de refrigeración, sobre todo para los nuevos participantes en el mercado de los vehículos eléctricos. Unas pruebas rigurosas no solo garantizan la fiabilidad del producto, sino que también generan confianza entre los clientes y las partes interesadas.
La fabricación de placas de refrigeración es un proceso complejo y preciso, que implica múltiples pasos para garantizar que el producto final cumpla los elevados estándares exigidos en sectores como el almacenamiento de energía y los vehículos eléctricos. Desde la preparación del material hasta las pruebas y la verificación, cada paso es crucial para producir una placa de refrigeración que ofrezca un rendimiento, una durabilidad y una fiabilidad óptimos.
Para los profesionales, comprender este proceso puede ayudar a tomar decisiones informadas a la hora de seleccionar proveedores o evaluar tecnologías de placas de refrigeración. Tanto si es ingeniero mecánico, director de compras o trabaja en el sector de las baterías de alto voltaje, esta guía le proporcionará los conocimientos necesarios para navegar por las complejidades de la fabricación de placas de refrigeración y tomar decisiones estratégicas para sus proyectos.
He trabajado en la gestión térmica de baterías durante más de 5 años, ocupándome de muchos proyectos internacionales. Si tiene curiosidad sobre los productos o servicios de refrigeración líquida de baterías, ¡no dude en hacerme cualquier pregunta!
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