Thermisch beheer van EV-batterijen: Belangrijke oplossingen en materialen

TL;DR

Effectieve oplossingen voor thermisch management voor EV-batterijbehuizingen zijn essentieel om de operationele veiligheid te waarborgen, de prestaties te optimaliseren en de levensduur van de batterij te verlengen. De belangrijkste strategieën omvatten actieve systemen zoals lucht- en vloeistofkoeling, en passieve systemen die gebruikmaken van materialen met faseverandering (PCMs). Deze worden mogelijk gemaakt door een geavanceerd ecosysteem van componenten, waaronder thermische interfacematerialen (TIMs), encapsuleringsmiddelen en diëlektrische coatings, die allemaal samenwerken om warmte af te voeren en catastrofale thermische doorloopevenementen te voorkomen.

De cruciale rol van thermisch management in EV-batterijen

De noodzaak van geavanceerd thermisch management in accu's voor elektrische voertuigen vindt zijn oorsprong direct in de elektrochemische aard van de veelgebruikte lithium-ion (Li-ion) cellen. Deze batterijen bieden een winnende combinatie van hoge energiedichtheid en een lange levensduur, maar hun interne chemie brengt aanzienlijke thermische uitdagingen met zich mee. De elektrolytoplossing die de stroomvoering mogelijk maakt, bestaat doorgaans uit zeer ontvlambare organische verbindingen, waardoor een inherente brandgevaar ontstaat indien dit niet adequaat wordt beheerd. Het handhaven van de accupack binnen een smal optimale temperatuurbereik is daarom niet alleen een kwestie van prestaties, maar van fundamentele veiligheid.

Het grootste risico is een fenomeen dat bekend staat als thermische doorloop. Dit is een zich versnellend proces dat kan beginnen wanneer een enkele cel oververhit raakt door een interne kortsluiting, overladen of fysieke beschadiging. Deze initiële oververhitting kan een kettingreactie veroorzaken, waardoor aangrenzende cellen ook oververhitten en ontbranden, wat leidt tot een vuur dat zich door de gehele module of het hele pakket verspreidt. Deze branden zijn notoir moeilijk te blussen en vormen een aanzienlijk veiligheidsrisico. Effectieve thermische beheerssystemen zijn de primaire verdediging tegen dergelijke incidenten, ontworpen om warmte af te voeren tijdens normale bedrijfsomstandigheden en defecte cellen te isoleren om verspreiding te voorkomen.

Naast het voorkomen van catastrofale storingen heeft temperatuur een grote invloed op de dagelijkse prestaties en levensduur van een accu. Hoge temperaturen, zelfs wanneer deze ver onder het punt van thermische doorloping liggen, versnellen de chemische afbraak van accucomponenten, wat leidt tot verminderde vermogenscapaciteit en een kortere effectieve levensduur. Aan de andere kant kunnen zeer lage temperaturen energieverlies en vermogensverlies veroorzaken, en in extreme kou kan dit permanente schade of uitval veroorzaken. Een goed ontworpen thermisch beheersysteem zorgt ervoor dat de accu werkt binnen haar ideale temperatuurbereik, waardoor efficiëntie, laadsnelheid en totale levensduur worden gemaximaliseerd.

Kernstrategieën voor thermisch beheer: een vergelijkende analyse

Oplossingen voor thermisch management van EV-batterijen worden over het algemeen onderverdeeld in actieve en passieve systemen. Actieve systemen verbruiken energie om te functioneren, maar bieden een hogere prestatie, terwijl passieve systemen gebruikmaken van de principes van de thermodynamica en geen externe stroom nodig hebben. De keuze van strategie hangt af van de prestatie-eisen van het voertuig, kostenplannen en de vermogensdichtheid van de batterijpack.

Actieve Koelsystemen

Actieve systemen gebruiken mechanische componenten om een koelmedium te verplaatsen en warmte af te voeren van de batterijpack. De twee belangrijkste methoden zijn:

• Luchtkoeling: Dit is de eenvoudigste vorm van actief management, waarbij ventilatoren worden gebruikt om lucht rond de batterijmodules en door koelkanalen te laten circuleren. Het is relatief goedkoop en licht van gewicht. Echter, de effectiviteit ervan is beperkt door de lage thermische capaciteit van lucht, waardoor het minder geschikt is voor hoogpresterende EV's of voertuigen die opereren in warme klimaten waar de omgevingstemperatuur hoog is.
• Vloeistofkoeling: Dit is de meest voorkomende en effectieve methode voor moderne EV's. Een vloeibare koelvloeistof, meestal een mengsel van water en glycol, wordt door een netwerk van buizen of koudeplaten gepompt die in contact staan met de batterijmodules. De vloeistof neemt warmte op van de cellen en transporteert deze naar een radiator, waar de warmte aan de omgeving wordt afgegeven. Deze methode biedt superieure en uniformere koeling, maar voegt complexiteit, gewicht en kosten toe aan het systeem.

Passieve koelsystemen

Passieve systemen regelen warmte zonder gebruik te maken van actieve componenten, waardoor ze eenvoudiger en betrouwbaarder zijn, hoewel vaak minder krachtig dan actieve systemen.

• Materialen met faseverandering (PCMs): Deze materialen absorberen grote hoeveelheden latente warmte wanneer ze van fase veranderen, meestal van vast naar vloeibaar. PCM's zijn in het accupakket geïntegreerd en absorberen de door de cellen geproduceerde warmte, waarbij ze smelten. Dit zorgt ervoor dat de celtemperatuur stabiel blijft. Wanneer de batterij afkoelt, stolt de PCM weer en wordt de opgeslagen warmte vrijgegeven. Hoewel ze zeer betrouwbaar zijn, is hun capaciteit beperkt en zijn ze vooral geschikt voor het beheersen van wisselende warmtelasten in plaats van langdurige hoge vermogensbelasting.

Strategievergelijking

Essentiële Materialen en Componenten in Thermische Systemen

De effectiviteit van elke strategie voor thermisch beheer is afhankelijk van een ecosysteem van gespecialiseerde materialen die zijn ontworpen om warmte en elektriciteit binnen de batterijbehuizing over te dragen, te blokkeren of te beheren. Deze materialen zijn de onbekende helden die ervoor zorgen dat koelsystemen efficiënt en veilig kunnen functioneren.

Thermische interfacematerialen (TIM's): Zelfs oppervlakken die glad lijken, hebben microscopische oneffenheden die luchtkleinen creëren. Aangezien lucht een slechte warmtegeleider is, belemmeren deze kleinen de warmteoverdracht. TIM's worden gebruikt om deze kleinen op te vullen tussen een warmtebron (zoals een batterijcel) en een koelcomponent (zoals een koudplaat), zodat een efficiënte warmtestroom wordt gewaarborgd. Deze kunnen voorkomen in de vorm van thermisch geleidende lijmen, aanbrengbare vulmiddelen, vetten of pads. Het gebruik van aanbrengbare vulmiddelen in plaats van vaste pads kan ook helpen het voertuiggewicht te verlagen, wat cruciaal is om het bereik te maximaliseren.

Encapsuleringsmaterialen: Deze materialen, vaak polyurethaneschuimen, hebben een dubbele functie. Ten eerste bieden ze structurele ondersteuning, waardoor de batterijunit als geheel wordt samengehouden en de cellen worden beschermd tegen schokken en trillingen. Ten tweede, en nog belangrijker, fungeren ze als een brandwerende barrière. Als gevolg van thermische doorloping in één cel kan een vlamvertragend encapsuleringsmiddel het incident isoleren, zodat vuur en intense hitte niet naar aangrenzende cellen kunnen overslaan. Deze beperking is cruciaal om de inzittenden van het voertuig voldoende tijd te geven om zich veilig te kunnen evacueren.

Diëlektrische coatings: In een hoogspanningsomgeving zoals een batterijpack is het voorkomen van elektrische ontlading van essentieel belang. Diëlektrische coatings worden aangebracht op componenten zoals stroomrails, koelplaten en celbehuizingen om elektrische isolatie te waarborgen. Geavanceerde coatings zijn ook ontworpen om thermisch geleidend te zijn, zodat ze bijdragen aan warmteafvoer terwijl kortsluiting wordt voorkomen. Deze dubbele functionaliteit is essentieel voor het realiseren van compacte en energierijke batterijontwerpen.

Isolerende materialen: Hoewel sommige materialen zijn ontworpen om warmte af te voeren, zijn andere juist bedoeld om deze tegen te houden. Materialen met lage geleidbaarheid, zoals mica, keramisch papier of aerogels, worden strategisch geplaatst om gezonde cellen te beschermen tegen de hitte van een defecte buurcel. Dit is een andere belangrijke strategie om overdracht van thermische doorbranding tussen cellen te voorkomen en vormt een essentieel onderdeel van het gelaagde veiligheidssysteem van de batterij.

Integratie op systeemniveau: het ontwerpen van het ecologische systeem van de batterijbehuizing

Effectief thermisch management draait niet om één enkel component, maar om een holistisch systeem waarin materialen en strategieën in harmonie werken binnen de batterijbehuizing. Deze geïntegreerde aanpak, vaak het thermische managementsysteem genoemd, zorgt voor een evenwicht tussen de behoefte aan warmtegeleiding om cellen tijdens normaal gebruik te koelen, en de behoefte aan thermische isolatie om cellen te beschermen tijdens een afwijkende situatie zoals thermische doorbranding. Elk element, van de celchemie tot de uiteindelijke behuizing, speelt hierbij een rol.

Het ontwerp moet het gehele warmteoverdrachttraject in overweging nemen. Warmte moet efficiënt worden afgevoerd vanuit de kern van de accucel, via een TIM, naar een koelplaat en uiteindelijk naar een radiator. Tegelijkertijd moet het systeem voorkomen dat dezelfde warmte zich lateraal verplaatst van de ene cel naar de andere bij een storing. Dit vereist zorgvuldige materiaalkeuze en -plaatsing, waardoor een geavanceerde thermische architectuur ontstaat die waar nodig zowel geleidend als isolerend is.

Het constructieve ontwerp van de behuizing zelf is fundamenteel, omdat het de basis vormt voor alle thermische componenten en fungeert als laatste barrière tegen externe milieu-invloeden zoals vocht en strooi- of wegennatriumchloride. Voor automobielprojecten die dergelijke precisie-onderdelen vereisen, overweeg dan op maat gemaakte aluminiumprofielen van een betrouwbare partner. Shaoyi Metal Technology biedt een uitgebreide alles-in-één service , van snelle prototyping die uw validatieproces versnelt tot volledige seriesproductie, allemaal beheerd onder een strikt IATF 16949-gecertificeerd kwaliteitssysteem.

Ten slotte omvat een compleet systeemontwerp ook ontluchtingsstrategieën. Als een cel alsnog defect raakt en in thermische doorloping komt, komt er een aanzienlijke hoeveelheid heet gas vrij. Gecontroleerde ontluchtingen zijn ontworpen om deze gassen op gecontroleerde wijze uit het accupakket te laten ontsnappen, waardoor gevaarlijke drukopbouw wordt voorkomen en aangrenzende cellen worden beschermd tegen de hete uitstoot. Deze integratie van koeling, isolatie, structurele integriteit en ontluchting vormt een werkelijk robuuste en veilige EV-batterijbehuizing.