Upravljanje termalnom energijom baterije EV: ključna rešenja i materijali

KRATKO

Rešenja za efikasno upravljanje toplotom za kućišta baterija električnih vozila od suštinskog su značaja za obezbeđivanje sigurnosti u radu, optimizaciju performansi i produženje veka trajanja baterije. Glavne strategije uključuju aktivne sisteme poput vazdušnog i tečnog hlađenja, kao i pasivne sisteme koji koriste materijale sa promenom faze (PCM). Ovo omogućava sofisticirani ekosistem komponenti, uključujući termičke prelazne materijale (TIMs), zalivke i dielektrične premaze, koji zajedno rade na rasipanju toplote i sprečavanju katastrofalnih događaja termičkog propadanja.

Ključna uloga upravljanja toplotom u baterijama električnih vozila

Неопходност напредне термалне регулације батерија у електричним возилима директно произилази из електрохемијске природе литијум-јонских (Li-ion) ћелија које се најчешће користе. Ове батерије имају одличну комбинацију високе густине енергије и дугог век трајања, али њихова унутрашња хемија представља значајан термални изазов. Електролитно решење које олакшава проток електричног набоја обично се састоји од високо запаљивих органских једињења, због чега постоји урођени ризик од пожара ако се не управља на одговарајући начин. Одржавање пакета батерија у уском оптималном температурном опсегу зато није само питање перформанси, већ и основни захтев безбедности.

Највећи ризик је појава позната као термални учинак. Ово је ланчана реакција која може да крене када се једна ћелија прегреје због унутрашњег кратког споја, прекомерног пуњења или физичке повреде. Ово првобитно прегревање може покренути низ догађаја који доводе до тога да суседне ћелије такође прегоре и запламене, што изазива ватру која се шири кроз цео модул или пакет. Пожари ове врсте су познати по томе што их је веома тешко угасити и представљају значајну безбедносну бригу. Ефикасни системи термалног управљања су прва одбрана против таквих догађаја, дизајнирани да расипају топлоту током нормалне радне операције и изолују неисправне ћелије како би се спречило ширење.

Pored sprečavanja katastrofalnog otkaza, temperatura ima značajan uticaj na svakodnevni rad i trajnost baterije. Visoke temperature, čak i one znatno ispod tačke termičkog bega, ubrzavaju hemijsku degradaciju komponenti baterije, smanjujući kapacitet za snagu i skraćujući njen efektivni vek. Suprotno tome, veoma niske temperature mogu uzrokovati gubitak snage i energije, a u ekstremnom hladnoću mogu dovesti do trajnih oštećenja ili kvara. Dobro projektovan sistem upravljanja temperaturom osigurava da baterija radi unutar svog idealnog temperaturnog opsega, maksimizujući efikasnost, brzinu punjenja i ukupan vek trajanja.

Osnovne strategije upravljanja temperaturom: Uporedna analiza

Решења за термално управљање батеријама у електромобилима углавном се деле на активне и пасивне системе. Активни системи троше енергију за свој рад, али нуде виши ниво перформанси, док пасивни системи користе принципе термодинамике и не захтевају спољашњу енергију. Избор стратегије зависи од захтева возила у погледу перформанси, циљних цена и густине снаге пакета батерија.

Активни системи хлађења

Активни системи користе механичке компоненте за покретање хладњег медијума и одвођење топлоте од пакета батерија. Две основне методе су:

• Ново хлађење: Ово је најједноставнији облик активног управљања, који користи вентилаторе за циркулацију ваздуха око модула батерија и кроз канале за хлађење. Релативно је јефтин и лак. Међутим, његова ефикасност је ограничена због мале топлотне капацитивности ваздуха, због чега је мање погодан за високоперформанске електромобиле или возила која раде у врућим климама где је температура околине висока.
• Течно хлађење: Ово је најчешћа и најефикаснија метода за модерне електромобиле. Течни хладњак, углавном мешавина воде и гликола, циркулише кроз мрежу цеви или хладњаке које су у контакту са модулима батерије. Течност упија топлоту са ћелија и преноси је до радијатора, где се распрши у спољашњу средину. Ова метода омогућава боље и једноличније хлађење, али додаје комплексност, тежину и трошак систему.

Пасивни системи хлађења

Пасивни системи управљају топлотом без компоненти који захтевају напајање, због чега су једноставнији и поузданји, иако често мање моћни од активних система.

• Материјали са променом фазе (PCM-ови): Ови материјали апсорбују велике количине латентне топлоте када промене фазу, уобичајено из чврстог у течно стање. PCM се интегрише у батеријски пакет и апсорбује топлоту коју генеришу ћелије, топећи се у процесу. Ово одржава стабилну температуру ћелија. Када се батерија охлади, PCM се поново чврсти, ослобађајући сачувану топлоту. Иако су веома поуздани, њихов капацитет је ограничен, па су најбоље погодни за управљање повременим термичким оптерећењима, а не за трајно рад под великим оптерећењем.

Упоредба стратегија

Кључни материјали и компоненте у термалним системима

Ефикасност било које стратегије управљања топлотом зависи од екосистема специјализованих материјала који су пројектовани да преносе, блокирају или управљају топлотом и електричном струјом у оквиру кућишта батерије. Ови материјали су непрепознати хероји који омогућавају ефикасан и сигурaн рад система хлађења.

Термални интерфејсни материјали (TIMs): Чак и површине које изгледају равне имају микроскопске неправилности које стварају ваздушне празнине. Пошто је ваздух лош проводник топлоте, ове празнине ометају пренос топлоте. Термални интерфејсни материјали се користе да попуне те празнине између извора топлоте (као што је ћелија батерије) и компоненте за хлађење (као што је хладњак), обезбеђујући ефикасан ток топлоте. Ови материјали могу бити у облику термички проводљивих лепака, течних испуњавача, масти или подлога. Употреба течних испуњавача уместо чврстих подлога такође може помоћи у смањењу тежине возила, што је кључно за максимизацију домета.

Енкапсуланти: Ови материјали, често полиуретанска фоама, имају двоструку сврху. Прво, обезбеђују структурну подршку, унитизујући склоп батерије и штитећи ћелије од удара и вибрација. Друго, и значајније, делују као баријера против ватре. У случају да једна ћелија доживи топлотни колапс, запаљиво изоловани материјал може изоловати догађај, спречавајући ширење ватре и интензивне топлоте на суседне ћелије. Ово ограничавање је кључно како би се возачима и путницима обезбедило време за безбедно напуштање возила.

Диелектрични премази: У високонапонској средини као што је пакет батерије, спречавање електричног лука је од пресудног значаја. Диелектрични премази се наносе на компоненте попут шинских разводника, плоча за хлађење и кућишта ћелија ради електричне изолације. Напредни премази су такође дизајнирани да буду термички проводљиви, омогућавајући им да доприносе расипању топлоте истовремено спречавајући кратке спојеве. Ова двострука функционалност је неопходна за стварање компактних и енергетски густих конструкција батерија.

Изолациони материјали: Док су неки материјали дизајнирани да одводе топлоту, други су дизајнирани да је блокирају. Материјали са ниском топлотном проводљивошћу, као што су слюда, керамички папир или аерогели, стратешки су постављени како би заштитили здраве ћелије од топлоте неисправне суседне ћелије. Ово је још једна кључна стратегија за спречавање ширења термалног пробоја са ћелије на ћелију, чинећи критични део вишеслојног система безбедности батерије.

Интеграција на нивоу система: Конструисање екосистема кућишта батерије

Ефикасно управљање топлотом није питање појединачног компонента, већ систем целовитости у ком материјали и стратегије делују у хармонији унутар кућишта батерије. Овакав интегрисани приступ, често назван екосистем управљања топлотом, успоставља равнотежу између потребе за топлотном проводљивошћу ради хлађења ћелија у току нормалног рада и потребе за топлотном изолацијом ради заштите ћелија током нестандардних догађаја, као што је термални пробој. Сваки елемент, од хемијског састава ћелије до завршног кућишта, има своју улогу.

Дизајн мора да узме у обзир цео пут преноса топлоте. Топлота мора ефикасно да се креће из средишта ћелије батерије, кроз ТИМ, у хладњак, а затим коначно до радијатора. У исто време, систем мора да спречи ту исту топлоту да се креће бочно са једне ћелије на другу у случају квара. Ово захтева пажљив избор материјала и њихово постављање, стварајући софистицирану термалну архитектуру која је тамо где је потребно и проводљива и изолациона.

Структурни дизајн кућишта самог по себи је основан, обезбеђујући оквир за све термалне компоненте и делујући као крајња баријера против спољашњих еколошких опасности као што су влага и путски сол. За аутомобилске пројекте који захтевају тако прецизно израђене делове, размотрите кастомизоване алуминијумске екструзије од поузданог партнера. Шаои метална технологија нуди комплексну услугу једног заустављања , од брзог прототипирања које убрзава ваш процес валидације до производње у пуном обиму, све у оквиру строгог система квалитета сертификованог по ИАТФ 16949.

Konačno, potpuni dizajn na nivou sistema uključuje i strategije ventilacije. Ako dođe do kvarа ćelije i njenog ulaska u termički beg, oslobađa se značajna količina vrućeg gasa. Kontrolisani otvori za ventilaciju projektovani su tako da omoguće ovim gasovima da napuste paket na kontrolisan način, sprečavajući opasno povećanje pritiska i štiteći susedne ćelije od vrućih projekcija. Ova integracija hlađenja, izolacije, strukturne čvrstoće i ventilacije definiše zaista robusan i siguran kućište baterije za BEV.