EV baterijos šilumos valdymas: pagrindiniai sprendimai ir medžiagos

TRUMPAI

Veiksmingi šilumos valdymo sprendimai elektrinių automobilių baterijų korpusuose yra būtini užtikrinant veikimo saugą, optimizuojant našumą ir pailginant baterijos tarnavimo laiką. Pagrindinės strategijos apima aktyvias sistemas, tokius kaip oro ir skysčio aušinimas, bei pasyvines sistemas, naudojančias fazės pokyčio medžiagas (PCMs). Tai galima pasiekti dėka sudėtingos komponentų ekosistemos, įskaitant šilumos sąsajos medžiagas (TIMs), užpildymo medžiagas ir dielektrines dangas, kurios kartu padeda sklaidyti šilumą ir neleisti katastrofiškiems šiluminio nestabilumo įvykiams.

Šilumos valdymo svarba elektrinių automobilių baterijose

Sudėtingos šilumos valdymo sistemos poreikis elektrinių automobilių baterijose kyla tiesiogiai iš elektrocheminės dažniausiai naudojamų litio jonų (Li-ion) elementų prigimties. Šios baterijos siūlo puikią aukštos energijos tankio ir ilgo tarnavimo laiko kombinaciją, tačiau jų vidinė chemija sukelia didelių šilumos valdymo iššūkių. Elektrinio krūvio srautą palengvinantis elektrolitas dažniausiai pagamintas iš labai degių organinių junginių, todėl, jei tinkamai nevaldoma, atsiranda pavojus ugniaviečiai. Todėl baterijos bloko palaikymas siaurame optimaliame temperatūrų diapazone yra ne tik našumo, bet ir esminės saugos klausimas.

Didžiausia rizika – reiškinys, žinomas kaip šiluminis nevaldymas. Tai kaskadinis įvykis, kuris gali prasidėti tada, kai vienas elementas perkaista dėl vidinio trumpojo jungimo, perdažnino arba fizinio pažeidimo. Šis pradinis perkaitimas gali sukelti grandininę reakciją, dėl kurios kaimyniniai elementai taip pat perkaista ir užsidega, sukeliant ugnį, plintančią per visą modulį ar paketą. Šios ugnys yra itin sunkiai gesinamos ir kelia didelę saugos grėsmę. Veiksmingos šilumos valdymo sistemos yra pagrindinė apsauga nuo tokių įvykių, skirtos šilumai išsklaidyti normalios veiklos metu ir izoliuoti sugedusius elementus, kad būtų užkirstas kelias plitimui.

Be to, kad temperatūra neleidžia atsirasti katastrofiškam gedimui, ji taip pat labai stipriai veikia baterijos kasdieninį našumą ir ilgaamžiškumą. Aukšta temperatūra, net jei ji gerokai žemesnė už šiluminio sprogimo slenkstį, pagreitina baterijos komponentų cheminį senėjimą, sumažindama galios talpą ir sutrumpindama jos efektyvų tarnavimo laiką. Priešingai, labai žema temperatūra gali sukelti galios ir energijos praradimą, o ekstremaliai šaltu oru – pastovius pažeidimus ar gedimą. Gerai suprojektuota termoreguliavimo sistema užtikrina, kad baterija veiktų esant idealiai temperatūros ribai, maksimaliai padidinant efektyvumą, įkrovimo greitį ir bendrą tarnavimo trukmę.

Pagrindinės termoreguliavimo strategijos: palyginamoji analizė

EV baterijų šilumos valdymo sprendimai yra plačiai kategorizuojami kaip aktyvios ir pasyvios sistemos. Aktyvios sistemos naudoja energiją veikimui, tačiau siūlo aukštesnį našumą, o pasyvios sistemos remiasi termodinamikos principais ir nereikalauja išorinės energijos. Strategijos pasirinkimas priklauso nuo transporto priemonės našumo reikalavimų, kainos tikslų ir baterijų bloko galios tankio.

Aktyvios aušinimo sistemos

Aktyvios sistemos naudoja mechaninius komponentus, kad perkeliamas aušinimo terpė ir šiluma būtų nušalinama nuo baterijų bloko. Pagrindiniai du metodai yra:

• Oras kaip aušinimo terpė: Tai paprasčiausia aktyvaus valdymo forma, naudojanti ventiliatorius, kad cirkuliuotų orą aplink baterijų modulius ir aušinimo kanalus. Ji yra santykinai nebrangi ir lengva. Tačiau jos veiksmingumas yra ribojamas oro mažo šiluminio talpos, todėl ji mažiau tinka aukšto našumo EV ar transporto priemonėms, veikiančioms karštuose klimatuose, kur aplinkos oro temperatūra yra aukšta.
• Skystis kaip aušinimo terpė: Tai yra dažniausiai naudojamas ir veiksmingiausias būdas šiuolaikiniams EV. Skystas aušinimo skystis, paprastai vandens ir glikolio mišinys, cirkuliuoja per vamzdelių arba šaltų plokštelių tinklą, kuris liečiasi su baterijos moduliais. Skystis sugeria šilumą iš elementų ir perneša ją į radiatorių, kuriame ji išsklinda į aplinką. Šis metodas užtikrina geresnį ir tolygesnį aušinimą, tačiau sistemai prideda sudėtingumo, svorio ir kainos.

Pralaidiniai aušinimo sistemos

Pralaidinės sistemos valdo šilumą be varomųjų komponentų, todėl jos yra paprastesnės ir patikimesnės, nors dažnai mažiau galingos nei aktyviosios sistemos.

• Fazės keitimo medžiagos (PCMs): Šie medžiagai keičiant fizinę būseną, paprastai iš kietosios į skystąją, sugeria didelius latentinės šilumos kiekius. PCMs yra integruojamos į baterijos bloką ir sugeria šilumą, kurią generuoja elementai, tuo pačiu tirpdamos. Tai padeda išlaikyti stabilią elemento temperatūrą. Kai baterija atvėsta, PCM sustingsta, išleisdama sukauptą šilumą. Nors jos yra labai patikimos, jų talpa yra ribota, todėl jos labiau tinka laikinojo šilumos apkrovos valdymui, o ne ilgalaikiam aukštos galios veikimui.

Strategijų palyginimas

Būtinos medžiagos ir komponentai šilumos valdymo sistemose

Bet kurios šilumos valdymo strategijos veiksmingumas priklauso nuo specialių medžiagų ekosistemos, kurios yra sukurtos perduoti, blokuoti ar valdyti šilumą ir elektros srovę baterijos korpuso viduje. Šios medžiagos yra nepakankamai vertinami herojai, kurie leidžia aušinimo sistemoms veikti efektyviai ir saugiai.

Šilumos sąsajos medžiagos (TIM): Net ir paviršiai, kurie atrodo lygūs, turi mikroskopinių netobulybių, sukeliančių oro tarpus. Kadangi oras yra prastas šilumos laidininkas, šie tarpai trukdo šilumos perdavimui. Šilumos sąsajos medžiagos naudojamos užpildyti tuos tarpus tarp šilumos šaltinio (pvz., baterijos elementas) ir aušinimo komponento (pvz., aušinimo plokštė), užtikrinant efektyvų šilumos srautą. Jos gali būti termiškai laidūs klijai, užpildai, tepalai arba padeliai. Vietoj kietų padelių naudojant užpildus taip pat galima sumažinti transporto priemonės svorį, kas ypač svarbu maksimaliai padidinti nuvažiuojamą atstumą.

Apvalkalai: Šios medžiagos, dažnai poliuretano putos, atlieka dvigubą funkciją. Pirma, jos suteikia konstrukcinį palaikymą, sujungia baterijos mazgą į vieną struktūrą ir apsaugo elementus nuo smūgių bei vibracijos. Antra, dar svarbiau – jos veikia kaip ugnies barjeras. Jei vienas iš elementų patiria šiluminį nevaldymą, liepsnoms atspari hermetizacija gali izoliuoti incidentą, neleisdama ugniai ir intensyviai karščiui plisti į gretimus elementus. Šis apribojimas yra labai svarbus, kad automobilio keleiviams būtų skirta laiko saugiai evakuotis.

Dielektrinės dangos: Aukštos įtampos aplinkoje, tokioje kaip baterijų blokas, itin svarbu užkirsti kelią elektros lankui. Dielektrinės dangos taikomos komponentams, tokiems kaip magistralės, aušinimo plokštės ir elementų korpusai, siekiant užtikrinti elektroizoliaciją. Pažangios dangos taip pat sukurtos taip, kad būtų šilumai laidžios, leidžiančios prisidėti prie šilumos sklaidos, tuo pačiu neleidžiant trumpųjų jungimų. Ši dviguba funkcija yra būtina kuriant kompaktiškus ir energiškai tankius baterijų projektavimus.

Izoliacinės medžiagos: Kai kurios medžiagos sukurtos tam, kad šilumą atvestų, kitos – kad ją užkirstų kelią. Mažos šilumos laidumo izoliacijos medžiagos, tokios kaip slida, keraminiai popieriai arba aerogeliai, strategiškai išdėstomos, kad apsaugotų sveikas ląsteles nuo sugedusios kaimynės šilumos. Tai dar viena pagrindinė strategija, neleidžianti šiluminiam nestabilumui plisti iš ląstelės į ląstelę, sudaranti svarbią baterijos daugiasluoksnės saugos sistemos dalį.

Sistemos lygio integracija: baterijos korpuso ekosistemos projektavimas

Veiksminga šilumos valdymo sistema paremta ne vienu komponentu, o visuma, kurioje medžiagos ir strategijos suderintai veikia baterijos korpuose. Šis integruotas požiūris, dažnai vadinamas šilumos valdymo ekosistema, sulygina poreikį šilumos laidumui, reikalingam ląstelėms aušinti normaliomis sąlygomis, su poreikiu šilumos izoliacijai, reikalinga ląstelėms apsaugoti nestandartinės situacijos metu, pvz., kilus šiluminiam nestabilumui. Kiekvienas elementas – nuo ląstelės cheminės sudėties iki galutinio korpuso – atlieka savo vaidmenį.

Projektavime būtina atsižvelgti į visą šilumos perdavimo kelią. Šiluma turi efektyviai judėti iš baterijos elemento branduolio per šilumos tarpinę (TIM) į aušinimo plokštę ir galiausiai į radiatorių. Tuo pačiu metu sistema turi neleisti šiai pačiai šilumai judėti išilgai vieno elemento į kitą avarijos atveju. Tam reikia atidžiai parinkti medžiagas ir jų išdėstymą, sukurdama sudėtingą šiluminę architektūrą, kuri ten, kur reikia, būtų tiek laidžią, tiek izoliuojančią.

Pačios korpuso konstrukcinis projektavimas yra pagrindinis, nes jis sudaro visų šiluminių komponentų rėmą ir veikia kaip galutinė kliūtis išorės aplinkos pavojams, tokiems kaip drėgmė ir kelio druska. Automobilių projektams, reikalaujantiems tokių tiksliai suprojektuotų detalių, apsvarstykite individualias aliuminio profilių ekstruzijas iš patikimo partnerio. Shaoyi Metal Technology siūlo visapusišką vieno stogo paslaugą , nuo greito prototipavimo, kuris pagreitina jūsų patvirtinimo procesą, iki visiškai mastelio gamybos, viskas valdoma griežtos IATF 16949 sertifikuotos kokybės sistemos pagrindu.

Galiausiai, visiškai sistemos lygio projektavimas taip pat apima ventiliacijos strategijas. Jei elementas vis dėlto sugestų ir įeitų į šiluminį nestabilumą, jis išleistų didelį kiekį karšto dujų. Valdomos ventiliacijos angos suprojektuotos taip, kad šios dujos galėtų kontroliuojamu būdu išeiti iš bloko, neleidžiant pavojingam slėgio kaupimuisi, tuo pačiu apsaugant gretimus elementus nuo karštų išmetamųjų medžiagų. Šis aušinimo, izoliacijos, konstrukcinės vientisumo ir ventiliacijos derinys apibrėžia tikrai patikimą ir saugų EV baterijos korpusą.