Управление тепловым режимом аккумулятора EV: ключевые решения и материалы

Краткое содержание

Эффективные решения для управления тепловым режимом в корпусах аккумуляторов электромобилей имеют важнейшее значение для обеспечения безопасности эксплуатации, оптимизации производительности и увеличения срока службы батареи. Основные стратегии включают активные системы, такие как воздушное и жидкостное охлаждение, а также пассивные системы, использующие материалы с изменением фазового состояния (PCMs). Эти системы реализуются благодаря сложной экосистеме компонентов, включающих тепловые интерфейсные материалы (TIMs), герметики и диэлектрические покрытия, которые совместно работают для отвода тепла и предотвращения катастрофических событий, связанных с тепловым пробоем.

Ключевая роль управления тепловым режимом в аккумуляторах электромобилей

Необходимость сложного теплового управления в аккумуляторах электромобилей напрямую обусловлена электрохимической природой широко используемых литий-ионных (Li-ion) элементов. Эти батареи предлагают удачное сочетание высокой плотности энергии и длительного срока службы, однако их внутренняя химия создает значительные тепловые проблемы. Электролитический раствор, обеспечивающий протекание электрического тока, как правило, состоит из легковоспламеняющихся органических соединений, что создает потенциальную пожароопасность при ненадлежащем управлении. Поддержание температуры блока батарей в узком оптимальном диапазоне — это поэтому не просто вопрос производительности, а вопрос фундаментальной безопасности.

Самый серьезный риск — это явление, известное как тепловой пробой. Это каскадное событие может начаться, когда одна ячейка перегревается из-за внутреннего короткого замыкания, перезарядки или механического повреждения. Первоначальный перегрев может вызвать цепную реакцию, в результате которой соседние ячейки также перегреваются и воспламеняются, что приводит к распространению огня по всему модулю или блоку. Такие пожары чрезвычайно трудно потушить и представляют собой серьезную угрозу безопасности. Основной защитой от таких событий являются эффективные системы терморегулирования, предназначенные для отвода тепла при нормальной работе и изоляции вышедших из строя ячеек с целью предотвращения распространения аварии.

Помимо предотвращения катастрофических сбоев, температура оказывает значительное влияние на повседневную производительность и долговечность аккумулятора. Высокие температуры, даже значительно ниже точки теплового разгона, ускоряют химическую деградацию компонентов аккумулятора, снижая его мощность и сокращая эффективный срок службы. Напротив, очень низкие температуры могут привести к потере мощности и энергии, а в условиях экстремального холода — к необратимым повреждениям или выходу из строя. Хорошо спроектированная система терморегулирования обеспечивает работу аккумулятора в оптимальном температурном диапазоне, максимизируя эффективность, скорость зарядки и общий срок службы.

Основные стратегии терморегулирования: сравнительный анализ

Решения для теплового управления аккумуляторами EV в целом делятся на активные и пассивные системы. Активные системы потребляют энергию для своей работы, но обеспечивают более высокую производительность, тогда как пассивные системы основаны на принципах термодинамики и не требуют внешнего питания. Выбор стратегии зависит от требований к производительности транспортного средства, целевых показателей стоимости и плотности мощности аккумуляторной батареи.

Системы активного охлаждения

Активные системы используют механические компоненты для перемещения охлаждающей среды и отвода тепла от аккумуляторной батареи. Два основных метода:

• Воздушное охлаждение: Это самый простой вид активного управления, при котором используются вентиляторы для циркуляции воздуха вокруг модулей аккумулятора и через каналы охлаждения. Он относительно недорогой и легкий. Однако его эффективность ограничена низкой теплоёмкостью воздуха, что делает его менее подходящим для высокопроизводительных электромобилей или транспортных средств, эксплуатируемых в жарком климате, где температура окружающего воздуха высока.
• Жидкостное охлаждение: Это наиболее распространенный и эффективный метод для современных электромобилей. Жидкий теплоноситель, как правило, смесь воды и гликоля, циркулирует по сети трубок или охлаждающих пластин, контактирующих с модулями аккумулятора. Жидкость поглощает тепло от элементов и переносит его к радиатору, где оно рассеивается в окружающую среду. Этот метод обеспечивает более высокую и равномерную эффективность охлаждения, но увеличивает сложность, вес и стоимость системы.

Пассивные системы охлаждения

Пассивные системы управляют тепловыделением без использования компонентов с питанием, что делает их проще и надежнее, хотя зачастую они менее эффективны, чем активные системы.

• Материалы с изменяемой фазой (PCMs): Эти материалы поглощают большое количество скрытой теплоты при изменении фазового состояния, как правило, из твёрдого в жидкое. ПСМ интегрируются в блок батареи и поглощают тепло, выделяемое элементами, плавясь в процессе. Это поддерживает стабильную температуру элементов. Когда батарея охлаждается, ПСМ затвердевает, выделяя накопленное тепло. Несмотря на высокую надёжность, их ёмкость ограничена, и они наиболее подходят для управления прерывистыми тепловыми нагрузками, а не длительной работой на высокой мощности.

Сравнение стратегий

Основные материалы и компоненты в тепловых системах

Эффективность любой стратегии теплового управления зависит от экосистемы специализированных материалов, разработанных для передачи, блокировки или управления теплом и электричеством внутри корпуса батареи. Эти материалы являются незамеченными героями, которые обеспечивают эффективную и безопасную работу систем охлаждения.

Тепловые интерфейсные материалы (TIM): Даже поверхности, которые кажутся гладкими, имеют микроскопические неровности, создающие воздушные зазоры. Поскольку воздух плохо проводит тепло, эти зазоры препятствуют теплопередаче. Теплопроводящие материалы (TIM) используются для заполнения таких зазоров между источником тепла (например, элементом батареи) и охлаждающим компонентом (например, холодной пластиной), обеспечивая эффективный отвод тепла. Такие материалы могут быть представлены в виде термопроводных клеев, заливочных компаундов, термопаст или термопрокладок. Использование заливочных компаундов вместо твёрдых прокладок также может помочь снизить массу транспортного средства, что критически важно для увеличения запаса хода.

Компаунды: Эти материалы, зачастую пенополиуретаны, выполняют двойную функцию. Во-первых, они обеспечивают структурную поддержку, объединяя сборку аккумулятора и защищая элементы от ударов и вибраций. Во-вторых, и что более важно, они выступают в роли барьера от огня. В случае выхода одного элемента из строя с тепловым разгоном, огнестойкий герметик может локализовать инцидент, предотвращая распространение огня и сильного нагрева на соседние элементы. Такое ограничение имеет решающее значение, поскольку предоставляет пассажирам транспортного средства время для безопасной эвакуации.

Диэлектрические покрытия: В высоковольтной среде, такой как аккумуляторная батарея, предотвращение электрической дуги имеет первостепенное значение. Диэлектрические покрытия наносятся на такие компоненты, как шинные планки, пластины охлаждения и корпуса элементов, чтобы обеспечить электрическую изоляцию. Современные покрытия также разработаны с высокой теплопроводностью, что позволяет им способствовать отводу тепла, одновременно предотвращая короткие замыкания. Эта двойная функциональность необходима для создания компактных и энергоемких конструкций аккумуляторов.

Изоляционные материалы: В то время как одни материалы предназначены для отвода тепла, другие разработаны для его блокировки. Материалы с низкой теплопроводностью, такие как слюда, керамические бумаги или аэрогели, устанавливаются стратегически, чтобы защитить исправные элементы от тепла неисправного соседнего элемента. Это ещё одна ключевая стратегия предотвращения распространения теплового пробоя от ячейки к ячейке и важная часть многоуровневой системы безопасности аккумулятора.

Интеграция на уровне системы: проектирование экосистемы корпуса аккумулятора

Эффективное тепловое управление заключается не в одном отдельном компоненте, а в комплексной системе, в которой материалы и стратегии работают согласованно внутри корпуса аккумулятора. Такой интегрированный подход, часто называемый экосистемой теплового управления, обеспечивает баланс между необходимостью теплопроводности для охлаждения элементов в нормальном режиме работы и необходимостью тепловой изоляции для защиты элементов при возникновении аномальной ситуации, например теплового пробоя. Каждый элемент — от химического состава ячеек до конечного корпуса — играет свою роль.

Конструкция должна учитывать весь путь передачи тепла. Тепло должно эффективно перемещаться от центра элемента батареи через термоинтерфейсный материал (TIM) к охлаждающей пластине и в конечном итоге к радиатору. В то же время система должна предотвращать распространение этого тепла в поперечном направлении от одного элемента к другому при аварийной ситуации. Это требует тщательного выбора материалов и их размещения, чтобы создать сложную тепловую архитектуру, которая была бы проводящей там, где это необходимо, и изолирующей — в других местах.

Конструктивное исполнение корпуса имеет первостепенное значение, поскольку обеспечивает основу для всех тепловых компонентов и служит окончательным барьером против внешних воздействий, таких как влага и дорожная соль. Для автомобильных проектов, требующих прецизионных компонентов, рассмотрите возможность использования индивидуальных алюминиевых профилей от проверенного партнёра. Компания Shaoyi Metal Technology предлагает комплексный сервис полного цикла , от быстрого прототипирования, ускоряющего процесс вашей валидации, до полноценного серийного производства, всё это управляется в рамках строгой системы качества, сертифицированной по стандарту IATF 16949.

Наконец, полный проект на уровне системы также включает стратегии вентиляции. Если элемент выходит из строя и попадает в режим теплового разгона, он выделяет значительное количество горячего газа. Контролируемые выпускные отверстия предназначены для того, чтобы эти газы могли покинуть блок управляемым образом, предотвращая опасное повышение давления и защищая соседние элементы от горячих выбросов. Интеграция охлаждения, теплоизоляции, конструкционной прочности и вентиляции определяет по-настоящему надежную и безопасную оболочку аккумулятора для электромобиля.