Pengurusan Haba Bateri EV: Penyelesaian dan Bahan Utama

RINGKASAN

Penyelesaian pengurusan haba yang berkesan untuk perumahan bateri kenderaan elektrik (EV) adalah penting bagi memastikan keselamatan operasi, mengoptimumkan prestasi, dan memperpanjang jangka hayat bateri. Strategi utama melibatkan sistem aktif seperti penyejukan udara dan cecair, serta sistem pasif yang menggunakan bahan perubahan fasa (PCMs). Ini dimungkinkan oleh ekosistem komponen yang canggih, termasuk bahan antara muka haba (TIMs), bahan salut tutup, dan salutan dielektrik, yang semuanya bekerja bersama untuk menyebarkan haba dan mencegah kejadian larian haba yang boleh mencetuskan kemalangan besar.

Peranan Kritikal Pengurusan Haba dalam Bateri Kenderaan Elektrik (EV)

Kehendak untuk pengurusan haba yang canggih dalam bateri kenderaan elektrik timbul secara langsung daripada sifat elektrokimia sel litium-ion (Li-ion) yang biasa digunakan. Bateri ini menawarkan gabungan unggul dari segi ketumpatan tenaga tinggi dan jangka hayat yang panjang, tetapi kimia dalaman mereka membawa cabaran haba yang besar. Penyelesaian elektrolit yang memudahkan pengaliran cas elektrik biasanya diperbuat daripada sebatian organik yang sangat mudah terbakar, mencipta risiko kebakaran asal jika tidak dikendalikan dengan betul. Mengekalkan pakej bateri dalam julat suhu optimum yang sempit oleh itu bukan sahaja soal prestasi, tetapi juga soal keselamatan asas.

Risiko paling serius ialah fenomena yang dikenali sebagai lari termal. Ini adalah peristiwa berantai yang boleh bermula apabila satu sel terlalu panas disebabkan litar pintas dalaman, pengecasan berlebihan, atau kerosakan fizikal. Pemanasan awal ini boleh mencetuskan tindak balas berantai, menyebabkan sel-sel berdekatan menjadi terlalu panas dan terbakar, mengakibatkan kebakaran yang merebak ke seluruh modul atau pakej. Kebakaran sedemikian terkenal sukar dipadamkan dan mewakili risiko keselamatan yang besar. Sistem pengurusan haba yang berkesan merupakan benteng utama terhadap kejadian sedemikian, direka untuk menyebarkan haba semasa operasi biasa dan mengasingkan sel-sel yang gagal bagi mengelakkan penyebaran.

Di luar mencegah kegagalan yang teruk, suhu mempunyai kesan mendalam terhadap prestasi harian dan jangka hayat bateri. Suhu tinggi, walaupun masih jauh di bawah tahap lari terma, mempercepatkan penguraian kimia komponen bateri, mengurangkan kapasiti kuasa dan memendekkan jangka hayat sebenarnya. Sebaliknya, suhu yang sangat rendah boleh menyebabkan kehilangan kuasa dan tenaga, dan dalam keadaan sejuk yang melampau, boleh membawa kepada kerosakan kekal atau kegagalan. Sistem pengurusan haba yang direka dengan baik memastikan bateri beroperasi dalam julat suhu unggulnya, memaksimumkan kecekapan, kelajuan pengecasan, dan jangka hayat keseluruhan.

Strategi Pengurusan Haba Utama: Analisis Perbandingan

Penyelesaian pengurusan haba untuk bateri kenderaan elektrik (EV) secara umum dikategorikan kepada sistem aktif dan pasif. Sistem aktif menggunakan tenaga untuk berfungsi tetapi menawarkan prestasi yang lebih tinggi, manakala sistem pasif bergantung kepada prinsip termodinamik dan tidak memerlukan kuasa luaran. Pemilihan strategi ini bergantung kepada keperluan prestasi kenderaan, sasaran kos, dan ketumpatan kuasa pakej bateri.

Sistem Penyejukan Aktif

Sistem aktif menggunakan komponen mekanikal untuk menggerakkan medium penyejukan dan memindahkan haba dari pakej bateri. Dua kaedah utama ialah:

• Penyejukan Udara: Ini adalah bentuk pengurusan aktif yang paling mudah, menggunakan kipas untuk mengalirkan udara di sekeliling modul bateri dan melalui saluran penyejukan. Ia agak murah dan ringan. Namun, keberkesanannya terhad disebabkan oleh kapasiti haba udara yang rendah, menjadikannya kurang sesuai untuk EV berprestasi tinggi atau kenderaan yang beroperasi di kawasan beriklim panas di mana suhu udara persekitaran tinggi.
• Penyejukan Cecair: Ini adalah kaedah yang paling biasa dan berkesan untuk kenderaan elektrik moden. Cecair penyejuk, biasanya campuran air-glikol, dialirkan melalui rangkaian tiub atau plat sejuk yang bersentuhan dengan modul bateri. Cecair tersebut menyerap haba daripada sel dan mengangkutnya ke radiator, di mana haba itu dibebaskan ke persekitaran. Kaedah ini memberikan penyejukan yang lebih unggul dan seragam tetapi menambahkan kerumitan, berat, dan kos kepada sistem.

Sistem Penyejukan Pasif

Sistem pasif menguruskan haba tanpa komponen bertenaga, menjadikannya lebih ringkas dan lebih boleh dipercayai, walaupun sering kurang berkuasa berbanding sistem aktif.

• Bahan Perubahan Fasa (PCMs): Bahan-bahan ini menyerap jumlah haba laten yang besar apabila berlaku perubahan fasa, biasanya daripada pepejal kepada cecair. Bahan Perubahan Fasa (PCM) diintegrasikan ke dalam pakej bateri dan menyerap haba yang dihasilkan oleh sel, mencair dalam proses tersebut. Ini mengekalkan suhu sel yang stabil. Apabila bateri menyejuk, PCM membeku semula, membebaskan haba yang tersimpan. Walaupun sangat boleh dipercayai, kapasitinya adalah terhad, dan ia paling sesuai untuk menguruskan beban haba yang berselang-seli berbanding operasi berkuasa tinggi yang berterusan.

Perbandingan Strategi

Bahan dan Komponen Penting dalam Sistem Termal

Keberkesanan mana-mana strategi pengurusan haba bergantung kepada ekosistem bahan khas yang direkabentuk untuk memindah, menghalang, atau menguruskan haba dan elektrik di dalam perumah bateri. Bahan-bahan ini merupakan wira yang kurang dikenali yang membolehkan sistem penyejukan berfungsi dengan cekap dan selamat.

Bahan Antara Muka Terma (TIMs): Permukaan yang kelihatan licin sekalipun mempunyai kecacatan mikroskopik yang mencipta ruang udara. Memandangkan udara adalah pengalir haba yang lemah, ruang-ruang ini menghalang pemindahan haba. TIM digunakan untuk mengisi ruang-ruang ini di antara sumber haba (seperti sel bateri) dan komponen penyejukan (seperti plat sejuk), memastikan aliran haba yang cekap. Bahan ini boleh berbentuk pelekat konduktif terma, pengisi ruang yang boleh dipam, gris, atau pad. Penggunaan pengisi yang boleh dipam sebagai ganti pad pepejal juga boleh membantu mengurangkan berat kenderaan, yang merupakan perkara penting untuk memaksimumkan julat.

Enkapsulan: Bahan-bahan ini, yang kerap kali merupakan busa poliuretana, mempunyai dua fungsi. Pertama, ia memberikan sokongan struktur, menyatukan pemasangan bateri dan melindungi sel-sel daripada hentakan dan getaran. Kedua, dan lebih kritikal, ia bertindak sebagai penghalang api. Dalam kejadian satu sel mengalami larian haba, bahan pengurungan yang tahan api boleh mengasingkan kejadian tersebut, menghalang api dan haba yang melampau daripada merebak ke sel-sel berdekatan. Pengawalan ini adalah penting untuk memberi masa kepada penghuni kenderaan untuk menyelamatkan diri dengan selamat.

Salutan Dielektrik: Dalam persekitaran voltan tinggi seperti pakej bateri, pencegahan lengkungan elektrik adalah perkara utama. Salutan dielektrik digunakan pada komponen seperti palang bas, plat penyejukan dan bekas sel untuk memberikan penebatan elektrik. Salutan lanjutan juga direka supaya konduktif secara haba, membolehkannya menyumbang kepada pelangsingan haba sambil mencegah litar pintas. Fungsi berganda ini adalah penting untuk mencipta rekabentuk bateri yang padat dan berketumpatan tenaga tinggi.

Bahan Penebat: Walaupun sesetengah bahan direka untuk mengalirkan haba keluar, yang lain direka untuk menghalangnya. Bahan penebat berkonduktiviti rendah, seperti mika, kertas seramik, atau aerogel, diletakkan secara strategik untuk melindungi sel-sel yang sihat daripada haba sel jiran yang bermasalah. Ini merupakan satu lagi strategi utama dalam mencegah penyebaran larian terma dari sel ke sel, membentuk sebahagian penting daripada sistem keselamatan berlapis bateri.

Persepaduan Peringkat Sistem: Mereka Bentuk Ekosistem Enklosur Bateri

Pengurusan haba yang berkesan bukan tentang satu komponen sahaja, tetapi tentang sistem holistik di mana bahan dan strategi bekerjasama secara harmoni di dalam enklosur bateri. Pendekatan bersepadu ini, yang kerap dipanggil ekosistem pengurusan haba, menyeimbangkan keperluan konduktiviti haba untuk menyejukkan sel semasa operasi normal dengan keperluan penebatan haba untuk melindungi sel semasa kejadian luar biasa seperti larian terma. Setiap elemen, daripada kimia sel hingga enklosur akhir, memainkan peranan.

Reka bentuk mesti mengambil kira keseluruhan laluan pemindahan haba. Haba mesti bergerak secara cekap dari teras sel bateri, melalui TIM, ke plat sejuk, dan akhirnya ke radiator. Pada masa yang sama, sistem mesti menghalang haba tersebut daripada bergerak secara melintang dari satu sel ke sel lain dalam senario kegagalan. Ini memerlukan pemilihan dan penempatan bahan yang teliti, mencipta arkitekture terma yang canggih yang bersifat konduktif dan penebat mengikut keperluan.

Reka bentuk struktur perumah itu sendiri adalah asas, menyediakan rangka untuk semua komponen terma dan bertindak sebagai halangan utama terhadap bahaya persekitaran luar seperti lembapan dan garam jalan raya. Untuk projek automotif yang menuntut komponen direkabentuk dengan ketepatan tinggi, pertimbangkan pengeluaran aluminium ikut pesanan dari rakan kongsi yang dipercayai. Shaoyi Metal Technology menawarkan perkhidmatan satu henti yang lengkap , daripada prototaip pantas yang mempercepatkan proses pengesahan anda hingga pengeluaran skala penuh, semua dikendalikan di bawah sistem kualiti bersijil IATF 16949 yang ketat.

Akhirnya, reka bentuk peringkat sistem yang lengkap juga menggabungkan strategi pelepasan tekanan. Jika sel mengalami kegagalan dan memasuki larian terma, ia akan membebaskan jumlah gas panas yang besar. Pelepasan terkawal direka untuk membenarkan gas-gas ini keluar dari pakej secara terkawal, mengelakkan peningkatan tekanan yang berbahaya sambil melindungi sel-sel bersebelahan daripada bahan pijar panas. Gabungan penyejukan, penebatan, integriti struktur, dan pelepasan tekanan ini mentakrifkan enklosur bateri kenderaan elektrik (EV) yang benar-benar kukuh dan selamat.