Топлинен мениджмънт на батерии за ЕV: Ключови решения и материали

Накратко

Ефективните решения за термален мениджмънт на кутии на EV батерии са от съществено значение за осигуряване на експлоатационна безопасност, оптимизиране на производителността и удължаване на живота на батерията. Основните стратегии включват активни системи като въздушно и течно охлаждане и пасивни системи, използващи материали с промяна на агрегатното състояние (PCMs). Това се осъществява чрез сложна екосистема от компоненти, включващи материали за термален интерфейс (TIMs), запълващи състави и диелектрични покрития, които заедно отвеждат топлината и предотвратяват катастрофални събития от тип топлинен пробив.

Ключовата роля на термалния мениджмънт при EV батериите

Необходимостта от изтънчено топлинно управление на батериите в електрическите превозни средства идва директно от електрохимичната природа на често използваните литиево-йонни (Li-ion) клетки. Тези батерии предлагат предимство от висока плътност на енергията и дълъг живот, но вътрешната им химия представлява значителни топлинни предизвикателства. Електролитният разтвор, който осигурява протичането на електрически заряд, обикновено се състои от силно запалими органични съединения, което създава вграден риск от пожар, ако не се управлява правилно. Поддържането на батерийния блок в тесен оптимален температурен диапазон затова не е просто въпрос на производителност, а на основна безопасност.

Най-тежкият риск е явлението, известно като топлинен пробив. Това е верижно събитие, което може да започне, когато единичен елемент се прегреява поради вътрешен късо съединение, прекомерно зареждане или физическо повреждение. Първоначалното прегряване може да предизвика верижна реакция, при която съседните елементи също се прегряват и запалват, което води до пожар, разпространяващ се през целия модул или батерийния пакет. Тези пожари са изключително трудни за потушаване и представляват сериозна заплаха за безопасността. Ефективните системи за термично управление са основната защита срещу такива събития, проектирани да отвеждат топлината по време на нормална работа и да изолират повредените елементи, за да се предотврати разпространението.

Освен предотвратяването на катастрофални повреди, температурата оказва голямо влияние върху ежедневната производителност и продължителността на живот на батерията. Високите температури, дори и тези значително под нивото на топлинен пробив, ускоряват химическото разграждане на компонентите на батерията, намалявайки мощността и съкращавайки ефективния ѝ живот. Напротив, много ниските температури могат да причинят загуба на мощност и енергия, а при екстремен студ – дори постоянни повреди или отказ. Добре проектираната система за термично управление осигурява работата на батерията в оптималния температурен диапазон, максимизирайки ефективността, скоростта на зареждане и общия ѝ срок на живот.

Основни стратегии за термично управление: сравнителен анализ

Решенията за термален мениджмънт на батерии за ЕП са широко категоризирани като активни и пасивни системи. Активните системи консумират енергия за да функционират, но предлагат по-висока производителност, докато пасивните системи разчитат на принципите на термодинамиката и не изискват външно захранване. Изборът на стратегия зависи от изискванията за производителност на превозното средство, целите за цена и плътността на мощността на батерийния пакет.

Активни охлаждащи системи

Активните системи използват механични компоненти за придвижване на охлаждаща среда и отвеждане на топлината от батерийния пакет. Двете основни метода са:

• Охлаждане с въздух: Това е най-простата форма на активен мениджмънт, при която се използват вентилатори за циркулиране на въздух около батерийните модули и през охлаждащи канали. Тя е сравнително евтина и лека. Въпреки това, нейната ефективност е ограничена от ниската топлинна капацитетност на въздуха, което я прави по-малко подходяща за високопроизводителни ЕП или превозни средства, работещи в горещи климатични условия, където температурата на заобикалящия въздух е висока.
• Течно охлаждане: Това е най-често срещаният и най-ефективен метод за съвременните електромобили. Течностен охладител, обикновено смес от вода и гликол, се циркулира през мрежа от тръби или студени плоскости, които имат контакт с батерийните модули. Течността абсорбира топлината от клетките и я пренася към радиатор, където се отвежда в околната среда. Този метод осигурява по-добра и по-равномерна охлаждане, но добавя сложност, тегло и разходи към системата.

Пасивни охлаждащи системи

Пасивните системи управляват топлината без използване на задвижвани компоненти, което ги прави по-прости и по-надеждни, макар често да са по-малко мощни в сравнение с активните системи.

• Материали с фазов преход (PCMs): Тези материали абсорбират големи количества скрита топлина, когато променят агрегатното си състояние, обикновено от твърдо в течно. PCM се интегрират в батерийния пакет и абсорбират топлината, генерирана от клетките, като се стопяват по време на процеса. Това поддържа стабилна температура на клетките. Когато батерията се охлажда, PCM се затвърдява, освобождавайки натрупаната топлина. Въпреки че са изключително надеждни, капацитетът им е ограничен и те са най-подходящи за управление на променливи топлинни натоварвания, а не за продължителна работа при висока мощност.

Сравнение на стратегиите

Основни материали и компоненти в термичните системи

Ефективността на всяка стратегия за термично управление зависи от екосистема от специализирани материали, проектирани да прехвърлят, блокират или управляват топлина и електричество в батерийното отделение. Тези материали са непознатите герои, които позволяват на системите за охлаждане да функционират ефективно и безопасно.

Термални интерфейсни материали (TIMs): Дори повърхности, които изглеждат гладки, имат микроскопични неравности, създаващи въздушни джобове. Тъй като въздухът е слаб проводник на топлина, тези джобове затрудняват топлопреминаването. Термалните интерфейсни материали се използват за запълване на тези джобове между източник на топлина (като батерийна клетка) и охлаждащ компонент (като студена плоча), осигурявайки ефективен топлообмен. Те могат да бъдат във форма на топлопроводими адхезиви, течни пълнители, смазки или подложки. Използването на течни пълнители вместо твърди подложки може също да помогне за намаляване на теглото на превозното средство, което е от решаващо значение за максимизиране на обсега.

Капсулиращи материали: Тези материали, често полиуретанови пяни, имат двойна функция. Първо, те осигуряват структурна поддръжка, обединявайки батерийния блок и предпазвайки клетките от удар и вибрации. Второ, и по-важно, действат като бариера срещу огън. В случай че отделна клетка попадне в състояние на топлинен пробив, антивъзпламеняващ енкапсулант може да локализира инцидента, предотвратявайки разпространението на пламъка и интензивната топлина към съседните клетки. Това съдържание е от решаващо значение, за да се даде време на пътниците в превозното средство да напуснат безопасно возилото.

Диелектрични покрития: Във високоволтовата среда на батерийния пакет предотвратяването на електрически дъги е от първостепенно значение. Диелектрични покрития се нанасят върху компоненти като шини, охлаждащи плочи и корпуси на клетки, за да осигурят електрическа изолация. Напредналите покрития са проектирани и така, че да са термично проводими, което им позволява да допринасят за отвеждане на топлината, без да допускат къси съединения. Тази двойна функционалност е от съществено значение за създаването на компактни и високоенергийни батерийни конструкции.

Изолационни материали: Докато някои материали са проектирани да отвеждат топлината, други са предназначени да я блокират. Материали с ниска топлопроводимост, като слюда, керамични хартии или аерогели, се поставят стратегически, за да предпазят здравите клетки от топлината на дефектен съсед. Това е още една ключова стратегия за предотвратяване на разпространение на топлинен пробив между клетките и представлява важна част от многосloйната система за безопасност на батерията.

Интеграция на системно ниво: Проектиране на околната среда на корпуса на батерията

Ефективното термично управление не зависи от единичен компонент, а от холистична система, в която материали и стратегии работят в хармония вътре в корпуса на батерията. Този интегриран подход, често наричан екосистема за термично управление, осигурява баланс между нуждата от топлопроводимост за охлаждане на клетките при нормална работа и нуждата от топлинна изолация за защита на клетките при ненормални събития, като топлинен пробив. Всеки елемент – от химичния състав на клетките до крайния корпус – изпълнява своята роля.

Дизайнът трябва да отчита целия път на топлопреминаване. Топлината трябва ефективно да се премества от ядрото на акумулаторната клетка, през термичен интерфейсен материал (TIM), към студена плоча и накрая до радиатор. В същото време системата трябва да предотвратява разпространението на тази топлина странично от една клетка към друга при аварийна ситуация. Това изисква внимателен подбор на материали и тяхното разположение, като се създаде сложна топлинна архитектура, която е топлопроводима и топлоизолираща там, където е необходимо.

Структурният дизайн на кутията е от основно значение, като осигурява рамка за всички топлинни компоненти и действа като крайна бариера срещу външни околните опасности като влага и пътна сол. За автомобилни проекти, изискващи прецизно проектирани компоненти, помислете за персонализирани алуминиеви профили от проверен партньор. Shaoyi Metal Technology предлага всеобхватна комплексна услуга , от бързо прототипиране, което ускорява процеса на валидиране, до производство в пълен мащаб, всичко управлявано в рамките на строга сертифицирана качествена система по IATF 16949.

Накрая, пълната система от дизайн включва и стратегии за отдушване. Ако дадена клетка все пак се повреди и навлезе в топлинен режим на бягство, тя отделя значително количество горещ газ. Контролираните отдушници са проектирани така, че тези газове да напускат батерийния пакет по контролиран начин, предотвратявайки опасно налягане, като едновременно защитават съседните клетки от горещите изхвърлени вещества. Тази интеграция на охлаждане, изолация, структурна цялост и отдушване дефинира наистина надеждно и безопасно батерийно отделение за ЕВ.