Termální management baterií EV: Klíčová řešení a materiály

SHRNUTÍ

Účinná řešení termálního managementu pro pouzdra baterií elektromobilů jsou nezbytná pro zajištění provozní bezpečnosti, optimalizaci výkonu a prodloužení životnosti baterie. Hlavní strategie zahrnují aktivní systémy, jako je vzduchové a kapalinové chlazení, a pasivní systémy využívající materiály s fázovou změnou (PCMs). Tyto systémy jsou umožněny sofistikovaným ekosystémem komponent, včetně termálních interfaciálních materiálů (TIMs), zalévacích hmot a dielektrických povlaků, které společně odvádějí teplo a zabraňují katastrofálním událostem tepelného úniku.

Klíčová role termálního managementu v bateriích elektromobilů

Nutnost sofistikovaného tepelného managementu u baterií elektrických vozidel vyplývá přímo z elektrochemické povahy běžně používaných lithiových iontových (Li-ion) článků. Tyto baterie nabízejí výhodnou kombinaci vysoké energetické hustoty a dlouhé životnosti, ale jejich vnitřní chemie představuje významné tepelné výzvy. Elektrolytový roztok, který usnadňuje tok elektrického náboje, je obvykle tvořen vysoce hořlavými organickými sloučeninami, což vytváří vnitřní riziko požáru, pokud není řádně řízeno. Udržování bateriového balíku v úzkém optimálním teplotním rozsahu je proto nejen otázkou výkonu, ale i základní bezpečnosti.

Nejvážnějším rizikem je jev známý jako tepelný řetězec. Jedná se o kaskádovitou událost, která může začít přehřátím jediné buňky způsobeným vnitřním zkratem, přebíjením nebo fyzickým poškozením. Toto počáteční přehřátí může spustit řetězovou reakci, při které se začnou přehřívat a hořet sousední buňky, čímž dojde k šíření požáru celým modulem nebo celým balancem. Tyto požáry jsou notoricky obtížné uhasit a představují významné bezpečnostní riziko. Účinné systémy tepelného managementu jsou hlavní obranou proti takovým událostem, jejichž cílem je odvádět teplo během normálního provozu a izolovat vadné buňky, aby se zabránilo šíření.

Teplota má významný dopad nejen na zabránění katastrofálnímu selhání, ale také na každodenní výkon a životnost baterie. Vysoké teploty, i když jsou daleko pod hranicí tepelného uvolňování, urychlují chemickou degradaci komponent baterie, čímž snižují výkonovou kapacitu a zkracují její efektivní životnost. Naopak velmi nízké teploty mohou způsobit ztrátu výkonu a energie a v extrémním chladu mohou vést k trvalému poškození nebo selhání. Důkladně navržený systém tepelného managementu zajistí provoz baterie v ideálním teplotním rozmezí, čímž maximalizuje účinnost, rychlost nabíjení a celkovou životnost.

Základní strategie tepelného managementu: srovnávací analýza

Řešení tepelného managementu pro baterie EV jsou obecně rozdělena na aktivní a pasivní systémy. Aktivní systémy spotřebovávají energii ke svému provozu, ale nabízejí vyšší výkon, zatímco pasivní systémy využívají principy termodynamiky a nevyžadují externí napájení. Volba strategie závisí na požadavcích vozidla na výkon, cílových nákladech a hustotě výkonu bateriového balíčku.

Aktivní chladicí systémy

Aktivní systémy používají mechanické komponenty k pohybu chladicího média a odvádění tepla z bateriového balíčku. Dva hlavní způsoby jsou:

• Chlazení vzduchem: Jde o nejjednodušší formu aktivního řízení, při kterém se pomocí ventilátorů cirkuluje vzduch kolem bateriových modulů a chladicích kanálků. Je relativně levné a lehké. Jeho účinnost je však omezena nízkou tepelnou kapacitou vzduchu, což jej činí méně vhodným pro vysokovýkonné vozy EV nebo vozidla provozovaná v horkém podnebí s vysokou okolní teplotou vzduchu.
• Kapalinové chlazení: Toto je nejběžnější a nejúčinnější metoda pro moderní elektromobily. Kapalné chladivo, obvykle směs vody a glykolu, je cirkulováno potrubní sítí nebo chlazenými deskami, které jsou v kontaktu s moduly baterie. Kapalina odebírá teplo z článků a přenáší je k chladiči, kde je teplo odvedeno do okolí. Tato metoda nabízí lepší a rovnoměrnější chlazení, ale zvyšuje složitost, hmotnost a náklady systému.

Pasivní chladicí systémy

Pasivní systémy řídí teplo bez použití poháněných komponent, což je činí jednoduššími a spolehlivějšími, i když často méně výkonnými než aktivní systémy.

• Materiály s fázovou změnou (PCMs): Tyto materiály absorbují velké množství skrytého tepla při změně fáze, obvykle ze solidní do kapalné. PCM jsou integrovány do bateriového packu a absorbují teplo generované články, přičemž se během procesu tají. To udržuje teplotu článků stabilní. Když se baterie ochladí, PCM opět tuhne a uvolňuje uložené teplo. I když jsou vysoce spolehlivé, jejich kapacita je omezená a nejlépe se hodí pro řízení občasných tepelných zátěží, nikoli pro trvalý provoz při vysokém výkonu.

Porovnání strategií

Důležité materiály a komponenty v tepelných systémech

Účinnost jakékoli strategie tepelného řízení závisí na ekosystému specializovaných materiálů, které jsou navrženy tak, aby přenášely, blokovaly nebo řídily teplo a elektrický proud uvnitř bateriového pouzdra. Tyto materiály jsou nepřehlédnutelnými hrdiny, kteří umožňují chladicím systémům efektivně a bezpečně fungovat.

Tepelné interfacové materiály (TIMs): I povrchy, které se jeví hladké, mají mikroskopické nedokonalosti, které vytvářejí vzduchové mezery. Vzduch je totiž špatným vodičem tepla, a tyto mezery tak brání přenosu tepla. Tepelné interfacové materiály (TIMs) se používají k vyplnění těchto mezer mezi zdrojem tepla (např. článkem baterie) a chladicí součástí (např. chladicí deskou), čímž zajišťují efektivní tok tepla. Může se jednat o tepelně vodivé lepidla, tekuté vyplňovací hmoty, maziva nebo podložky. Použití tekutých vyplňovacích hmot namísto pevných podložek může navíc pomoci snížit hmotnost vozidla, což je klíčové pro maximalizaci dojezdu.

Kapalné zalévací hmoty: Tyto materiály, často pěny z polyurethanu, plní dvojí účel. Za prvé poskytují strukturální podporu, spojují sestavu baterie dohromady a chrání články před otřesy a vibracemi. Za druhé, a co je ještě důležitější, působí jako požární bariéra. V případě, že jeden článek vstoupí do tepelného řetězového efektu, může ho protipožární zalévadlo izolovat a zabránit tak šíření ohně a intenzivního tepla na sousední články. Toto omezení je klíčové pro to, aby měli uživatelé vozidla dostatek času na bezpečný evakuaci.

Dielektrické povlaky: Ve vysokonapěťovém prostředí, jako je bateriový blok, je zásadní zabránit elektrickému oblouku. Dielektrické povlaky se nanášejí na komponenty, jako jsou sběrače, chladicí desky a pouzdra článků, aby zajistily elektrickou izolaci. Pokročilé povlaky jsou navrženy tak, aby byly současně tepelně vodivé, čímž přispívají k odvádění tepla a zároveň zabraňují zkratům. Tato dvojitá funkce je nezbytná pro vytváření kompaktních a energeticky hustých konstrukcí baterií.

Izolační materiály: Zatímco některé materiály jsou navrženy tak, aby odváděly teplo, jiné mají za úkol ho blokovat. Materiály s nízkou tepelnou vodivostí, jako je slída, keramické papíry nebo aerogely, jsou strategicky umístěny tak, aby chránily zdravé články před teplem porouchaného souseda. Tato opatření jsou další klíčovou strategií pro prevenci šíření tepelného úniku mezi články a tvoří důležitou součást vícevrstvé bezpečnostní soustavy baterie.

Integrace na úrovni systému: Návrh ekosystému pouzdra baterie

Účinná termální správa nespočívá v jediné součástce, ale v celistvém systému, ve kterém materiály a strategie spolupracují ve vzájemné harmonii uvnitř pouzdra baterie. Tento integrovaný přístup, často označovaný jako ekosystém termální správy, vyvažuje potřebu tepelné vodivosti pro chlazení článků během normálního provozu s potřebou tepelné izolace pro ochranu článků při mimořádné události, jako je tepelný únik. Každý prvek, od chemie článků až po konečné pouzdro, hraje svou roli.

Návrh musí zohlednit celou cestu přenosu tepla. Teplo se musí efektivně přenášet z jádra článku baterie přes tepelné rozhraní (TIM) do chladicí desky a nakonec do chladiče. Zároveň systém musí zabránit šíření tepla v případě poruchy mezi jednotlivými články. To vyžaduje pečlivý výběr materiálů a jejich umístění, čímž vznikne sofistikovaná tepelná architektura, která je v místech, kde je to potřeba, současně vodivá i izolační.

Konstrukční návrh skříně je základní, protože poskytuje rám pro všechny tepelné komponenty a působí jako konečná bariéra proti vnějším environmentálním nebezpečím, jako je vlhkost a silniční sůl. U automobilových projektů, které vyžadují takto přesně navržené komponenty, zvažte výrobu speciálních hliníkových profilů od ověřeného partnera. Společnost Shaoyi Metal Technology nabízí komplexní jednotné řešení , od rychlého prototypování, které urychlí váš proces ověřování, až po výrobu ve velkém měřítku, vše řízené v rámci přísného systému kvality certifikovaného podle IATF 16949.

Nakonec kompletní návrh na úrovni systému zahrnuje také strategie ventilačních systémů. Pokud dojde k poruše článku a ten přejde do tepelného řetězového režimu, uvolňuje velké množství horkého plynu. Řízené ventily jsou navrženy tak, aby tyto plyny mohly opustit bateriový pack kontrolovaným způsobem, čímž se zabrání nebezpečnému nárůstu tlaku a současně se chráněny sousední články před horkými výtrysky. Tato integrace chlazení, izolace, strukturální pevnosti a ventilačních systémů definuje skutečně robustní a bezpečný prostor pro baterii vozidla EV.