EV-akun lämmönhallinta: Avainteknologiat ja materiaalit

TL;DR

Tehokkaat lämmönhallintaratkaisut sähköautojen akkukoteloihin ovat välttämättömiä käyttöturvallisuuden varmistamiseksi, suorituskyvyn optimoimiseksi ja akun käyttöiän pidentämiseksi. Keskeisiä strategioita ovat aktiivijärjestelmät, kuten ilman ja nesteen jäähdytys, sekä passiivijärjestelmät, jotka käyttävät vaiheenmuutosmateriaaleja (PCMs). Näitä tukevat monimutkainen komponenttiekosysteemi, johon kuuluvat lämmönvälitysmateriaalit (TIMs), kotelointiaineet ja dielektriset pinnoitteet, jotka kaikki toimivat yhdessä lämmön hajottamiseksi ja katastrofaalisten lämpöläpimenojen estämiseksi.

Lämmönhallinnan keskeinen rooli sähköautojen akussa

Sähköautojen akkujen kehittyneen lämmönhallinnan tarve johtuu suoraan yleisesti käytettyjen litiumioniakkujen (Li-ion) elektrokemiallisesta luonteesta. Nämä akut tarjoavat tehokkaan yhdistelmän korkeasta energiatiheydestä ja pitkästä käyttöiästä, mutta niiden sisäinen kemia aiheuttaa merkittäviä lämpöhaasteita. Sähkövirran siirtämiseen vaikuttava elektrolyyttiliuos koostuu yleensä erittäin syttyvistä orgaanisista yhdisteistä, mikä luo sisäisen tulipalovaaran, jos sitä ei hallita asianmukaisesti. Akkupaketin säilyttäminen kapealla optimaalisella lämpötila-alueella onkin siksi olennainen turvallisuuskysymys, ei ainoastaan suorituskykykysymys.

Vakavin riski on ilmiö, jota kutsutaan terminaaliseen läpilöytyymiseen. Tämä ketjureaktio voi alkaa, kun yksi akku ylikuumenee sisäisen oikosulun, ylilatauksen tai fyysisen vaurion vuoksi. Alustava ylikuumeneminen voi laukaista ketjureaktion, jossa vierekkäiset akut ylikuumenevat ja syttyvät palamaan, mikä johtaa tulipaloon, joka leviää koko moduuliin tai akkupakettiin. Näitä tulipaloja on erittäin vaikea sammuttaa, ja ne muodostavat merkittävän turvallisuusriskin. Tehokkaat lämmönhallintajärjestelmät ovat ensisijainen keino tällaisten tapahtumien estämiseksi; niiden tarkoituksena on hajottaa lämpöä normaalien käyttöolosuhteiden aikana sekä eristää vioittuneet solut estämällä leviämistä.

Lämpötilalla on merkittävä vaikutus akun päivittäiseen suorituskykyyn ja kestoon, ei ainoastaan katastrofaalisten vikojen ehkäisemiseksi. Korkeat lämpötilat, vaikka ne olisivatkin selvästi alhaisemmat kuin termisen läpikäymisen kynnys, kiihdyttävät akun komponenttien kemiallista hajoamista, mikä vähentää teho- ja kapasiteettia sekä lyhentää sen käyttöikää. Toisaalta erittäin alhaiset lämpötilat voivat aiheuttaa tehon ja energian menetystä, ja äärimmäisessä kylmässä ne voivat johtaa pysyviin vaurioihin tai rikkoutumiseen. Hyvin suunniteltu lämpöhallintajärjestelmä varmistaa, että akku toimii optimaalisen lämpötilavälin sisällä, mikä maksimoi tehokkuuden, latausnopeuden ja yleisesti ottaen käyttöiän.

Ydinten lämpöhallintastrategiat: Vertaileva analyysi

Sähköautojen akkujen lämpöhallintaratkaisut jaetaan yleisesti aktiivisiin ja passiivisiin järjestelmiin. Aktiiviset järjestelmät kuluttavat energiaa toimiakseen, mutta tarjoavat korkeamman suorituskyvyn, kun taas passiiviset järjestelmät perustuvat termodynamiikan lakeihin eivätkä vaadi ulkoista virtaa. Strategian valinta riippuu ajoneuvon suorituskyvyn vaatimuksista, kustannustavoitteista ja akkupaketin tehontiheydestä.

Aktiivinen jäähdytysjärjestelmät

Aktiiviset järjestelmät käyttävät mekaanisia komponentteja siirtääkseen jäähdytysainetta ja poistaakea lämpöä akkupaketista. Kaksi ensisijaista menetelmää ovat:

• Ilmajäähdytys: Tämä on yksinkertaisin aktiivisen hallinnan muoto, jossa käytetään tuulettimia ilman kiertoon akkumoduulien ympärillä ja jäähdytyskanavien läpi. Se on suhteellisen edullinen ja kevyt. Sen tehokkuus on kuitenkin rajoitettu ilman alhaisen lämpökapasiteetin vuoksi, mikä tekee siitä vähemmän sopivan korkean suorituskyvyn sähköautoihin tai ajoneuvoihin, jotka toimivat kuuma-ilmaisissa ilmastoissa, joissa ympäröivän ilman lämpötila on korkea.
• Nestejäähdytys: Tämä on yleisin ja tehokkain menetelmä modernien sähköautojen (EV) osalta. Nestemäistä jäähdytysainetta, tyypillisesti vesi-glykoli-seosta, kierretään putkistojen tai kylmälevyjen läpi, jotka ovat kosketuksissa akkumoduulien kanssa. Neste imee lämpöä soluista ja kuljettaa sen radiattoriin, jossa lämpö siirtyy ympäristöön. Tämä menetelmä tarjoaa paremman ja tasaisemman jäähdytyksen, mutta lisää järjestelmän monimutkaisuutta, painoa ja kustannuksia.

Passiiviset jäähdytysjärjestelmät

Passiiviset järjestelmät hoitavat lämmönhallintaa ilman voimalähteisiä komponentteja, mikä tekee niistä yksinkertaisempia ja luotettavampia, vaikka ne usein olekin yhtä tehokkaita kuin aktiivijärjestelmät.

• Faasimuutosmateriaalit (PCMs): Nämä materiaalit absorboivat suuria määriä latenttia lämpöä vaihtaessaan faasia, tyypillisesti kiinteästä nesteeksi. Faasimuutoksemateriaalit (PCM) on integroitu akkupakettiin ja ne absorboivat solujen tuottaman lämmön sulautuessaan. Tämä pitää solun lämpötilan vakiona. Kun akku jäähtyy, PCM:n jähmettyessä se vapauttaa varastoituneen lämmön. Vaikka nämä ovat erittäin luotettavia, niiden kapasiteetti on rajallinen, ja ne soveltuvat parhaiten välilliseen kuorman lämmönhallintaan eivätkä kestävään korkean tehon käyttöön.

Strategian vertailu

Termisissä järjestelmissä olennaiset materiaalit ja komponentit

Minkä tahansa terminen hallintastrategian tehokkuus perustuu erikoistuneista materiaaleista koostuvaan ekosysteemiin, jotka on suunniteltu siirtämään, estämään tai hallitsemaan lämpöä ja sähköä akkukotelon sisällä. Nämä materiaalit ovat ne hiljaiset sankarit, jotka mahdollistavat jäähdytysjärjestelmien tehokkaan ja turvallisen toiminnan.

Lämmönsiirtomateriaalit (TIM): Vaikka pinnat näyttävät sileiltä, niissä on mikroskooppisia epätäydellisyyksiä, jotka muodostavat ilmarakojen. Koska ilma on huono lämmönjohtaja, nämä raot haittaavat lämmön siirtymistä. Lämmönsiirtomateriaaleja käytetään täyttämään nämä aukot lämmönlähteen (kuten akkusolun) ja jäähdytyskomponentin (kuten kylmälevyn) välillä varmistaakseen tehokkaan lämmönsiirron. Näitä voivat olla lämpöjohteisia liimoja, nestemäisiä rakojen täytteitä, rasvoja tai paddeja. Nestemäisten täyteaineiden käyttö kiinteiden paddejen sijaan voi myös auttaa vähentämään ajoneuvon painoa, mikä on kriittistä matkan maksimoimiseksi.

Kapselointimateriaalit: Nämä materiaalit, usein polyureaanihuokoset, täyttävät kaksinkertaisen tarkoituksen. Ensinnäkin ne tarjoavat rakenteellista tukea, yhdennetään akkukokoonpanon ja suojaavat soluja iskuilta ja värähtelyiltä. Toiseksi, ja vielä tärkeämpää, ne toimivat tulensammuntarajana. Jos yksi solu joutuu lämpöjuoksutilaan, lievittävä upotusmateriaali voi eristää tapahtuman, estäen liekin ja voimakkaan lämmön leviämisen viereisiin soluihin. Tämä sisältö on ratkaisevan tärkeää ajoneuvon miehistölle turvalliseen evakuointiin tarvittavan ajan saamiseksi.

Dielektriset päällysteet: Korkeajännitteisessä ympäristössä, kuten akkupaketissa, sähköisten kaarien estäminen on ehdottoman tärkeää. Dielektrisiä päällysteitä käytetään komponenteissa, kuten väylälevyissä, jäähdytyslevyissä ja solukuorissa, tarjoamaan sähköeristystä. Edistyneempiä päällysteitä suunnitellaan myös lämpöjohteiksi, mahdollistaen niiden osallistumisen lämmönhajotukseen samalla kun ne estävät oikosulut. Tämä kaksinkertainen toiminnallisuus on olennaisen tärkeää tiivisten ja energiatiheyksisten akkujen suunnittelussa.

Eristemateriaalit: Vaikka joitakin materiaaleja on suunniteltu johtamaan lämpöä pois, toisia on suunniteltu estämään sitä. Matalan lämmönjohtavuuden eristysmateriaalit, kuten mikka, keraamiset paperit tai aerogeelit, sijoitetaan strategisesti suojaamaan terveitä soluja viallisen naapurisolun lämmöltä. Tämä on toinen keskeinen strategia solujen välisen termisen läpilöydön leviämisen estämisessä, ja se muodostaa olennaisen osan akun monitasoista turvajärjestelmää.

Järjestelmätason integraatio: Akkukotelojärjestelmän suunnittelu

Tehokas lämmönhallinta ei perustu yhteen ainoaan komponenttiin, vaan kokonaisvaltaiseen järjestelmään, jossa materiaalit ja strategiat toimivat yhdessä akkukotelon sisällä. Tätä integroitua lähestymistapaa, jota kutsutaan usein lämmönhallintayhteisöksi, käytetään tasapainottamaan tarve lämmönjohtavuuteen solujen jäähdyttämiseksi normaalikäytön aikana ja tarve lämpöeristykseen solujen suojaamiseksi poikkeustilanteessa, kuten termisessä läpilöydössä. Jokainen elementti, solukemiallisesta koostumuksesta loppukoteloon asti, on merkityksellinen.

Suunnittelun on otettava huomioon koko lämmönsiirtoreitti. Lämmön on siirryttävä tehokkaasti akkukennon ytimestä lämmönsiirtomateriaalin (TIM) kautta kylmälevyyn ja lopulta radiatoriin. Samalla järjestelmän on estettävä saman lämmön siirtyminen poikittain yhdestä kennosta toiseen vikatilanteessa. Tämä edellyttää huolellista materiaalivalintaa ja sijoittelua, jotta luodaan kehittynyt lämpöarkkitehtuuri, joka on tarpeen mukaan sekä lämmönjohtava että eristävä.

Kotelon rakennesuunnittelu itsessään on perustavanlaatuinen, sillä se tarjoaa kehyksen kaikille lämpökomponenteille ja toimii lopullisena suojana ulkoisia ympäristövaaratekijöitä vastaan, kuten kosteutta ja tietä suolaa vastaan. Ajoneuvoprojekteissa, jotka vaativat tällaista tarkasti suunniteltuja komponentteja, kannattaa harkita räätälöityjä alumiiniprofiileja luotetulta kumppanilta. Shaoyi Metal Technology tarjoaa kattavan yhdenpisteen palvelun , nopeasta prototypoinnista, joka kiihdyttää validointiprosessiasi, täysmittaiseen tuotantoon asti, kaikki hallittuna tiukan IATF 16949 -systeemin mukaisesti.

Lopulta täydellinen järjestelmätason suunnittelu sisältää myös huippuviennin strategiat. Jos akku epäonnistuu ja siirtyy termiseen läpimurtoon, se vapauttaa merkittävän määrän kuumaa kaasua. Ohjatut huippuventtiilit on suunniteltu mahdollistamaan näiden kaasujen poistuminen akkupaketista hallitusti, estäen vaarallisen paineen kertymisen samalla kun suojataan viereisiä akkuja kuumalta sinkoilevalta aineelta. Tämä jäähdytyksen, eristyksen, rakenteellisen kestävyyden ja huippuviennin yhdistyminen määrittelee todella robustin ja turvallisen sähköauton akkukotelo.