Termálne riadenie batérie EV: Kľúčové riešenia a materiály

ZKRATKA

Efektívne riešenia termálneho riadenia pre batériové skrinky elektromobilov sú nevyhnutné na zabezpečenie prevádzkovej bezpečnosti, optimalizáciu výkonu a predĺženie životnosti batérie. Hlavné stratégie zahŕňajú aktívne systémy, ako je chladienie vzduchom a kvapalinou, a pasívne systémy využívajúce materiály s fázovou zmenou (PCM). Tieto systémy sú podporované sofistikovaným ekosystémom komponentov vrátane materiálov pre termálne rozhranie (TIM), zalievacích hmôt a dielektrických povlakov, ktoré spoločne odvádzajú teplo a zabraňujú katastrofálnym udalostiam tepelného priebehu.

Kľúčová úloha termálneho riadenia v batériách elektromobilov

Nutnosť pokročilého tepelného manažmentu v batériách elektrických vozidiel vyplýva priamo z elektrochemickej povahy bežne používaných lítium-iónových (Li-ion) článkov. Tieto batérie ponúkajú výhodnú kombináciu vysokého energetického obsahu a dlhej životnosti, avšak ich vnútorná chémia predstavuje významné tepelné výzvy. Elektrolytový roztok, ktorý umožňuje tok elektrického náboja, je zvyčajne tvorený vysoce horľavými organickými zlúčeninami, čo vytvára vnútorné riziko požiaru, ak nie je správne riadené. Udržiavanie batérie v úzkom optimálnom teplotnom rozsahu je preto nielen otázkou výkonu, ale aj základnou otázkou bezpečnosti.

Najväčším rizikom je jav známy ako tepelný únik. Ide o kaskádovú udalosť, ktorá môže začať v jednej cele, keď sa prehreje v dôsledku vnútorného skratu, prebitia alebo fyzického poškodenia. Toto počiatočné prehriatie môže spustiť reťazovú reakciu, pri ktorej sa začnú prehrievať a horieť aj susedné bunky, čo vedie k požiaru šíriacemu sa cez celý modul alebo batériu. Takéto požiare sú známe tým, že ich je mimoriadne ťažké uhasiť, a predstavujú významné bezpečnostné riziko. Efektívne systémy tepelnej regulácie sú hlavnou obranou proti takýmto udalostiam, s cieľom odvádzať teplo počas bežnej prevádzky a izolovať zlyhávajúce bunky, aby sa zabránilo šíreniu poruchy.

Okrem prevencie katastrofického zlyhania má teplota výrazný vplyv na každodenný výkon a životnosť batérie. Vysoké teploty, aj tie ďaleko pod úrovňou tepelnej udalosti, urýchľujú chemické degradácie komponentov batérie, čím sa znižuje výkon a kapacita a skracuje sa jej efektívna životnosť. Naopak, veľmi nízke teploty môžu spôsobiť stratu výkonu a energie a v extrémnom chlade môžu viesť k trvalému poškodeniu alebo zlyhaniu. Dobre navrhnutý systém riadenia teploty zabezpečuje prevádzku batérie v ideálnom teplotnom rozmedzí, čím maximalizuje účinnosť, rýchlosť nabíjania a celkovú životnosť.

Základné stratégie riadenia teploty: Porovnávacia analýza

Riešenia tepelnej správy pre batérie elektromobilov sa vo všeobecnosti delia na aktívne a pasívne systémy. Aktívne systémy spotrebúvajú energiu na svoju činnosť, no ponúkajú vyšší výkon, zatiaľ čo pasívne systémy využívajú princípy termodynamiky a nevyžadujú žiadnu vonkajšiu energiu. Voľba stratégie závisí od požiadaviek vozidla na výkon, cieľových nákladov a výkonového hustoty batériovej sady.

Aktívne chladenie

Aktívne systémy používajú mechanické komponenty na pohyb chladiaceho média a odvádzanie tepla z batériovej sady. Dve hlavné metódy sú:

• Chladenie vzduchom: Toto je najjednoduchšia forma aktívnej správy, pri ktorej sa používajú ventilátory na cirkuláciu vzduchu okolo batériových modulov a chladiacich kanálov. Je relatívne lacné a ľahké. Jeho účinnosť je však obmedzená nízkou tepelnou kapacitou vzduchu, čo ho robí menej vhodným pre vysokovýkonné elektromobily alebo vozidlá prevádzkované v horúcich podnebiach s vysokou okolitou teplotou vzduchu.
• Chladenie kvapalinou: Toto je najbežnejšia a najúčinnejšia metóda pre moderné elektromobily. Kvapalné chladiace médium, zvyčajne zmes vody a glykolu, je cirkulované cez sieť rúrok alebo chladiacich plát, ktoré sú v kontakte s modulmi batérie. Kvapalina odoberá teplo z článkov a prenáša ho k chladiču, kde sa odvádza do okolia. Táto metóda ponúka lepšie a rovnomernejšie chladenie, avšak zvyšuje zložitosť, hmotnosť a náklady systému.

Pasívne chladiace systémy

Pasívne systémy riadia teplo bez použitia poháňaných komponentov, čo ich robí jednoduchšími a spoľahlivejšími, hoci často menej výkonnými ako aktívne systémy.

• Fázové zmenové materiály (PCM) Tieto materiály absorbujú veľké množstvá skrytej tepla pri zmene fázy, zvyčajne zo solidnej do kvapalnej. PCM sú integrované do batériového balíka a absorbujú teplo generované článkami, pričom sa v procese topia. Tým sa udržiava stabilná teplota článkov. Keď sa batéria ochladí, PCM sa opäť ztuhne a uvoľní uložené teplo. Hoci sú veľmi spoľahlivé, ich kapacita je obmedzená a najlepšie sa hodia na riadenie občasných tepelných zaťažení, nie na trvalý prevádzku pri vysokom výkone.

Porovnanie stratégií

Nevyhnutné materiály a komponenty v tepelných systémoch

Účinnosť akejkoľvek stratégie riadenia tepla závisí od ekosystému špecializovaných materiálov, ktoré sú navrhnuté tak, aby prenášali, blokovali alebo riadili teplo a elektrinu vo vnútri batériového puzdra. Tieto materiály sú neznámymi hrdinmi, ktorí umožňujú, aby sa chladiace systémy efektívne a bezpečne fungovali.

Tepelné interfacové materiály (TIM): Aj povrchy, ktoré sa zdajú byť hladké, majú mikroskopické nedokonalosti, ktoré vytvárajú vzduchové medzery. Keďže vzduch je zlým vodičom tepla, tieto medzery bránia tepelnému prenosu. TIM sa používajú na vyplnenie týchto medzier medzi zdrojom tepla (napríklad batériou) a chladiacim prvkom (napríklad chladiacou platňou), čím sa zabezpečí efektívny tok tepla. Môžu mať podobu tepelne vodivých lepidiel, aplikovateľných vyplňovačov medzier, mazív alebo vložiek. Použitie aplikovateľných vyplňovačov namiesto pevných vložiek môže tiež pomôcť znížiť hmotnosť vozidla, čo je kritické pre maximalizáciu dojazdu.

Zalievacie hmoty: Tieto materiály, často penové polyuretány, majú dvojaký účel. Po prvé, poskytujú konštrukčnú podporu, zoskupujú batériu do jednotky a chránia články pred nárazmi a vibráciami. Po druhé, a čo je kritickejšie, pôsobia ako požiarny bariéra. V prípade, že jeden článok vstúpi do termálneho poháňania, požiaruvzdorný zalievací materiál môže udalosť izolovať a zabrániť šíreniu plameňa a intenzívneho tepla na susedné články. Toto uzatvorenie je nevyhnutné na to, aby mali cestujúci v aute dostatok času na bezpečný evakuáciu.

Dielektrické povlaky: V prostredí s vysokým napätím, ako je batériový balík, je najdôležitejšie zabrániť elektrickému oblúku. Dielektrické povlaky sa nanášajú na komponenty ako spojovacie lišty, chladiace platne a obaly článkov, aby poskytovali elektrickú izoláciu. Pokročilé povlaky sú navrhnuté aj tak, aby boli tepelne vodivé, čím prispievajú k odvádzaniu tepla a zároveň zabraňujú skratom. Táto dvojitá funkčnosť je nevyhnutná pre vytváranie kompaktných a vysokoenergetických konštrukcií batérií.

Izolačné materiály: Zatiaľ čo niektoré materiály sú navrhnuté tak, aby odvádzali teplo, iné sú určené na jeho blokovanie. Materiály s nízkou vodivosťou, ako napríklad slída, keramické papierové materiály alebo aerogely, sú strategicky umiestnené tak, aby chránili zdravé články pred teplom porušeného suseda. Ide o ďalšiu kľúčovú stratégiu pri prevencii šírenia termálneho prieboja z článku na článok a tvorí kritickú súčasť viacvrstvového bezpečnostného systému batérie.

Integrácia na úrovni systému: Návrh ekosystému obalu batérie

Efektívne riadenie tepla neznamená len jeden jediný komponent, ale celistvý systém, v ktorom materiály a stratégie pôsobia v súlade vo vnútri obalu batérie. Tento integrovaný prístup, často označovaný ako ekosystém riadenia tepla, vyvažuje potrebu tepelnej vodivosti na chladenie článkov počas bežnej prevádzky a potrebu tepelnej izolácie na ochranu článkov počas mimoobvyklé udalosti, ako je termálny prieboj. Každý prvok, od chémie článkov až po konečný obal, zohráva svoju úlohu.

Návrh musí brať do úvahy celú cestu prenosu tepla. Teplo sa musí efektívne presúvať z jadra batériového článku cez tepelné rozhranie (TIM) do chladiacej platne a nakoniec k chladiču. Súčasne systém musí zabrániť šíreniu tohto tepla bokom z jedného článku na druhý v prípade poruchy. To vyžaduje starostlivý výber materiálov a ich umiestnenie, čím vznikne sofistikovaná tepelná architektúra, ktorá je tam, kde je potrebná, vodivá aj izolačná.

Štrukturálny návrh samotného puzdra je základný, pretože poskytuje rám pre všetky tepelné komponenty a pôsobí ako konečná bariéra proti vonkajším environmentálnym nebezpečenstvám, ako je vlhkosť a komínová soľ. Pre automobilové projekty vyžadujúce takéto presne navrhnuté komponenty zvážte vlastné hliníkové profily od overeného partnera. Shaoyi Metal Technology ponúka komplexnú jednostopovú službu , od rýchleho prototypovania, ktoré urýchli váš proces overenia, až po kompletnú výrobu vo veľkom merítku, všetko riadené v rámci prísnej certifikovanej kvalitnej sústavy IATF 16949.

Nakoniec kompletný návrh na úrovni systému zahŕňa aj stratégiu vetrania. Ak dôjde k poruche článku a k termickému poháňaniu, uvoľní sa významné množstvo horúceho plynu. Riadené výpusti sú navrhnuté tak, aby týmto plynom umožnili opustiť batériu kontrolovaným spôsobom, čím sa zabráni nebezpečnému nárastu tlaku a zároveň sa chránia susedné články pred horúcimi výmetmi. Táto integrácia chladenia, izolácie, štrukturálnej pevnosti a vetrania definuje skutočne robustné a bezpečné pouzdro batérie pre BEV.