EV akumulatora termoenerģētiskā pārvaldība: galvenie risinājumi un materiāli

TL;DR

Efektīvas siltuma pārvaldības risinājumi elektrisko transportlīdzekļu (EV) akumulatoru korpusiem ir būtiski, lai nodrošinātu ekspluatācijas drošumu, optimizētu veiktspēju un pagarinātu akumulatora kalpošanas laiku. Galvenās stratēģijas ietver aktīvus sistēmas, piemēram, gaisa un šķidrās dzesēšanas sistēmas, kā arī pasīvas sistēmas, izmantojot fāžu maiņas materiālus (PCMs). Šo iespējo efektivitāti nodrošina sarežģīta komponentu ekosistēma, tostarp siltuma interfeisa materiāli (TIMs), hermētizējošie materiāli un dielektriskie pārklājumi, kas visi kopā darbojas, lai novērstu siltuma izplatīšanos un novērstu katastrofālas termiskās nesadalīšanās situācijas.

Siltuma pārvaldības kritiskā loma elektrisko transportlīdzekļu akumulatoros

Sarežģītas siltumapmaiņas nepieciešamība elektrisko transportlīdzekļu baterijās tieši izriet no elektroķīmiskā rakstura, ko parasti izmanto litija jonu (Li-ion) elementi. Šīs baterijas piedāvā labvēlīgu kombināciju ar augstu enerģijas blīvumu un ilgu kalpošanas laiku, taču to iekšējā ķīmija rada ievērojamas siltuma problēmas. Elektriskā lādiņa plūsmu veicinošais elektrolīta šķīdums parasti tiek pagatavots no viegli uzliesmojošiem organiskiem savienojumiem, kas rada iedzimtu ugunsbīstamību, ja to nepareizi pārvalda. Tāpēc bateriju paketes uzturēšana šaurā optimālajā temperatūras diapazonā ir ne tikai jautājums par veiktspēju, bet gan pamata drošības jautājums.

Lielākais risks ir parādība, kas pazīstama kā termiskā nekontrolētība. Tas ir ķēdes notikums, kas var sākties tad, kad viena šūna pārkarst dēļ iekšējas īssavienojuma, pārlādēšanas vai fiziskas bojājuma. Šī sākotnējā pārkaršana var izraisīt ķēdes reakciju, kas liek blakus esošajām šūnām pārkarst un aizdegties, radot ugunsgrēku, kas izplatās caur visu moduli vai komplektu. Šos ugunsgrēkus ir ļoti grūti dzēst, un tie rada būtiskas drošības bažas. Efektīvas siltuma vadības sistēmas ir galvenā aizsardzība pret šādiem notikumiem, kuru mērķis ir novadīt siltumu normālas darbības laikā un izolēt bojātas šūnas, lai novērstu izplatīšanos.

Papildus katastrofālas atteices novēršanai, temperatūrai ir ievērojama ietekme uz baterijas ikdienas veiktspēju un kalpošanas ilgumu. Augstas temperatūras, pat tās, kas ir daudz zemākas par siltuma nobīdes slieksni, paātrina baterijas komponentu ķīmisko novecošanos, samazinot jaudas kapacitāti un saīsinot tās efektīvo kalpošanas laiku. Savukārt ļoti zemas temperatūras var izraisīt jaudas un enerģijas zudumu, un ārkārtīgi zemās temperatūrās var novest pie pastāvīgas kaitējuma vai bojājuma. Labi izstrādāta termoapgades sistēma nodrošina, ka baterija darbojas ideālā temperatūras diapazonā, maksimāli palielinot efektivitāti, uzlādes ātrumu un kopējo kalpošanas ilgumu.

Galvenās termoapgades stratēģijas: salīdzinoša analīze

EV bateriju siltuma pārvaldības risinājumi vispārīgi tiek klasificēti kā aktīvi un pasīvi sistēmas. Aktīvās sistēmas patērē enerģiju, lai darbotos, taču nodrošina augstāku veiktspēju, savukārt pasīvās sistēmas balstās uz termodinamikas principiem un nepieprasa ārēju enerģiju. Stratēģijas izvēle ir atkarīga no transportlīdzekļa veiktspējas prasībām, izmaksu mērķiem un bateriju komplekta jaudas blīvuma.

Aktīvas dzesēšanas sistēmas

Aktīvās sistēmas izmanto mehāniskos komponentus, lai pārvietotu dzesēšanas vidi un novadītu siltumu no bateriju komplekta. Divas galvenās metodes ir:

• Gaisa dzesēšana: Tas ir vienkāršākais aktīvās pārvaldības veids, izmantojot ventilatorus gaisa cirkulēšanai ap bateriju moduļiem un caur dzesēšanas kanāliem. Tas ir salīdzinoši lēts un viegls. Tomēr tā efektivitāte ir ierobežota, ņemot vērā gaisa zemo termisko kapacitāti, tādējādi tas ir mazāk piemērots augstas veiktspējas elektriskajiem auto vai transportlīdzekļiem, kas darbojas karstā klimatā, kur apkārtējā gaisa temperatūra ir augsta.
• Šķidruma dzesēšana: Šī ir visizplatītākā un efektīvākā metode mūsdienu EV. Šķidrs dzesēšanas šķidrums, parasti ūdens un glikola maisījums, cirkulē caur cauruļu tīklu vai aukstām plātnēm, kas saskaras ar baterijas moduļiem. Šķidrums uzsūc siltumu no elementiem un pārvada to uz radiatoru, kur tas tiek izkliedēts vides vidē. Šī metode nodrošina labāku un vienmērīgāku dzesēšanu, taču pievieno sarežģītību, svaru un izmaksas sistēmai.

Pasīvās dzesēšanas sistēmas

Pasīvās sistēmas siltuma vadībai nestrādā ar enerģiju darbināmiem komponentiem, tādējādi tās ir vienkāršākas un uzticamākas, lai gan bieži vien mazāk jaudīgas nekā aktīvās sistēmas.

• Fāžu maiņas materiāli (PCMs): Šie materiāli absorbē lielas latentās siltuma daudzumus, mainot fāzi, parasti no cietas uz šķidru. PCM tiek integrēti baterijas komplektā un absorbē siltumu, ko rada elementi, procesa laikā kūstot. Tas nodrošina stabilu elementu temperatūru. Kad baterija atdziest, PCM atkal sastīvē, atbrīvojot uzkrāto siltumu. Lai gan tie ir ļoti uzticami, to ietilpība ir ierobežota, un tie vislabāk piemēroti pārtrauktu siltuma slodžu vadībai, nevis ilgstošai augstas jaudas darbībai.

Stratēģiju salīdzinājums

Būtiskie materiāli un komponenti termo sistēmās

Jebkuras siltuma vadības stratēģijas efektivitāte ir atkarīga no specializētu materiālu ekosistēmas, kas izstrādāta, lai pārnestu, bloķētu vai pārvaldītu siltumu un elektrību baterijas korpusā. Šie materiāli ir nenovērtējamie varoņi, kas ļauj dzesēšanas sistēmām darboties efektīvi un droši.

Termointerfeisa materiāli (TIM): Pat virsmas, kas šķiet gludas, ir mikroskopiski nelīdzenas, radot gaisa spraugas. Tā kā gaiss ir slikti siltumu vadītājs, šīs spraugas traucē siltuma pārnesei. Termointerfeisa materiālus izmanto, lai aizpildītu šīs spraugas starp siltuma avotu (piemēram, baterijas elementu) un dzesēšanas komponentu (piemēram, aukstā plātni), nodrošinot efektīvu siltuma plūsmu. Šie materiāli var būt termiski vadīgi līmes, izsmidzināmi spraugu aizpildītāji, eļļas vai uzleces. Izmantojot izsmidzināmus aizpildītājus nevis cietas uzleces, var arī samazināt transportlīdzekļa svaru, kas ir būtiski maksimālā izbraukuma nodrošināšanai.

Apvalki: Šie materiāli, bieži vien poliuretāna putas, kalpo diviem mērķiem. Pirmkārt, tie nodrošina strukturālu atbalstu, apvienojot akumulatora komplektu vienotā veselumā un aizsargājot elementus no triecieniem un vibrācijām. Otrkārt, un vēl svarīgāk, tie darbojas kā uguns barjera. Gadījumā, ja viens elements nonāk termiskās izraisīšanās stāvoklī, liesmu retardējošs hermētiķis var lokalizēt notikumu, novēršot uguns un intensīva siltuma izplatīšanos uz blakus esošajiem elementiem. Šī ierobežošana ir ļoti svarīga, lai dotu transportlīdzekļa pasažieriem pietiekami daudz laika drošai evakuācijai.

Dielektriskie pārklājumi: Augstsprieguma vidē, piemēram, akumulatora blokā, elektrisko loku novēršana ir visaugstākās prioritātes jautājums. Dielektriskie pārklājumi tiek uzklāti komponentiem, piemēram, barošanas sloksnēm, dzesēšanas plātnēm un elementu korpusiem, lai nodrošinātu elektrisko izolāciju. Arī jaunākās paaudzes pārklājumi ir izstrādāti tā, lai būtu termiski vadāmi, ļaujot tiem veicināt siltuma novadīšanu, vienlaikus novēršot īssavienojumus. Šī divkāršā funkcionalitāte ir būtiska kompaktu un enerģijas blīvu akumulatoru konstrukciju izveidei.

Izolācijas materiāli: Kamēr daži materiāli ir izstrādāti, lai novadītu siltumu, citi ir izstrādāti, lai to bloķētu. Zemu siltumvadītspēju izolācijas materiālus, piemēram, slīpekli, keramikas papīrus vai aerogēlus, stratēģiski novieto, lai aizsargātu veselus elementus no bojāta kaimiņa siltuma. Šis ir vēl viens galvenais pasākums, lai novērstu siltuma izraisītas nekontrolētas reakcijas izplatīšanos no elementa uz elementu, veidojot baterijas daudzslāņu drošības sistēmas būtisku daļu.

Sistēmas līmeņa integrācija: baterijas korpusa ekosistēmas projektēšana

Efektīva siltuma pārvaldība nenozīmē viena komponenta darbību, bet gan visaptverošu sistēmu, kur materiāli un stratēģijas baterijas korpusā darbojas saskaņā. Šo integrēto pieeju, ko bieži sauc par siltuma pārvaldības ekosistēmu, balansē nepieciešamību pēc siltumvadītspējas, lai atdzesētu elementus normālā darbībā, ar nepieciešamību pēc siltumizolācijas, lai aizsargātu elementus ārkārtas situācijā, piemēram, siltuma izraisītā nekontrolētā reakcijas gadījumā. Katrs elements, sākot no elementa ķīmijas līdz pat pēdējam korpusam, pilda savu lomu.

Projektējot, jāņem vērā viss siltuma pārneses ceļš. Siltumam jāpārvietojas efektīvi no baterijas elementa kodola caur siltumvada starpliku (TIM) uz aukstā plātni un beigās uz radiatoru. Tajā pašā laikā sistēmai jānovērš šī paša siltuma pārvietošanās horizontāli no viena elementa uz otru avārijas gadījumā. Tam nepieciešama rūpīga materiālu izvēle un novietošana, izveidojot sarežģītu termoarkhitektūru, kas ir gan siltumvadoša, gan siltumizolējoša atbilstošās vietās.

Pašas korpusa strukturālais dizains ir pamatā, nodrošinot rāmi visiem termiskajiem komponentiem un darbojoties kā galējā barjera pret ārējiem vides apdraudējumiem, piemēram, mitrumu un ceļa sāli. Automobiļu projektos, kuros tiek prasīti tik precīzi inženierkomponenti, apsveriet pielāgotas alumīnija ekstrūzijas no uzticama partnera. Shaoyi Metal Technology piedāvā visaptverošu vietas pakalpojumu , no ātrā prototipēšanas, kas paātrina jūsu validācijas procesu, līdz pilnmēroga ražošanai, visu pārvaldot stingrā, IATF 16949 sertificētā kvalitātes sistēmā.

Visbeidzot, pilnīgs sistēmas līmeņa dizains ietver arī ventilācijas stratēģijas. Ja elements tomēr izdodas un nonāk siltuma nobīdē, tas izlaiž ievērojamu daudzumu karstas gāzes. Kontrolētiem vārstiem ir paredzēts ļaut šīm gāzēm izkļūt no komplekta kontrolētā veidā, novēršot bīstamu spiediena uzkrāšanos, vienlaikus aizsargājot blakus esošos elementus no karstiem izsviestajiem materiāliem. Šī dzesēšanas, izolācijas, strukturālās integritātes un ventilācijas integrācija nosaka patiešām izturīgu un drošu EV akumulatora korpusu.