การจัดการความร้อนของแบตเตอรี่ EV: โซลูชันและวัสดุหลัก

สรุปสั้นๆ

โซลูชันการจัดการความร้อนที่มีประสิทธิภาพสำหรับกล่องแบตเตอรี่รถยนต์ไฟฟ้ามีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการรับประกันความปลอดภัยในการใช้งาน เพิ่มประสิทธิภาพการทำงาน และยืดอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ กลยุทธ์หลักประกอบด้วยระบบเชิงรุก เช่น การระบายความร้อนด้วยอากาศและของเหลว และระบบเชิงพาสซีฟที่ใช้วัสดุเปลี่ยนเฟส (PCMs) ซึ่งได้รับการสนับสนุนจากระบบนิเวศอันซับซ้อนของชิ้นส่วนต่างๆ ได้แก่ วัสดุระหว่างผิวสัมผัสสำหรับการถ่ายเทความร้อน (TIMs), สารเคลือบปิดผนึก และสารเคลือบกันรั่วไฟฟ้า ที่ทำงานร่วมกันเพื่อกระจายความร้อนและป้องกันเหตุการณ์การลุกลามของความร้อนอย่างรุนแรง

บทบาทสำคัญของการจัดการความร้อนในแบตเตอรี่รถยนต์ไฟฟ้า

ความจำเป็นเร่งด่วนสำหรับการจัดการความร้อนขั้นสูงในแบตเตอรี่ยานยนต์ไฟฟ้ามีที่มาจากธรรมชาติทางเคมีไฟฟ้าโดยตรงของเซลล์ลิเทียมไอออน (Li-ion) ที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย เซลล์เหล่านี้มีข้อได้เปรียบจากความหนาแน่นพลังงานสูงและอายุการใช้งานยาวนาน แต่เคมีภายในของพวกมันก่อให้เกิดความท้าทายด้านความร้อนอย่างมาก สารละลายอิเล็กโทรไลต์ที่ช่วยให้ประจุไฟฟ้าไหลผ่านนั้นมักทำจากสารอินทรีย์ที่ไวต่อการติดไฟสูง ซึ่งสร้างความเสี่ยงต่อการเกิดเพลิงไหม้โดยธรรมชาติหากไม่มีการควบคุมอย่างเหมาะสม การรักษาระดับอุณหภูมิของชุดแบตเตอรี่ให้อยู่ในช่วงแคบที่เหมาะสมจึงไม่ใช่เพียงเรื่องของสมรรถนะ แต่เป็นเรื่องของความปลอดภัยขั้นพื้นฐาน

ความเสี่ยงที่รุนแรงที่สุดคือปรากฏการณ์ที่เรียกว่า thermal runaway ซึ่งเป็นเหตุการณ์ลูกโซ่ที่อาจเริ่มต้นขึ้นเมื่อเซลล์เดี่ยวเกิดความร้อนสูงเกินไปเนื่องจากวงจรสั้นภายใน การชาร์จเกิน หรือความเสียหายทางกายภาพ ความร้อนสูงในเบื้องต้นนี้สามารถกระตุ้นปฏิกิริยาลูกโซ่ ทำให้เซลล์ที่อยู่ใกล้เคียงเกิดความร้อนสูงและลุกไหม้ ส่งผลให้เกิดเพลิงลุกลามไปทั่วโมดูลหรือแพ็คทั้งหมด ไฟลักษณะนี้เป็นที่รู้กันว่ายับยั้งได้ยากมาก และถือเป็นปัญหาด้านความปลอดภัยที่สำคัญ ระบบจัดการความร้อนที่มีประสิทธิภาพจึงเป็นแนวป้องกันหลักต่อเหตุการณ์ดังกล่าว โดยออกแบบมาเพื่อระบายความร้อนในระหว่างการทำงานปกติ และแยกเซลล์ที่มีปัญหาออก เพื่อป้องกันไม่ให้ลุกลาม

นอกเหนือจากการป้องกันความล้มเหลวที่รุนแรงแล้ว อุณหภูมิยังมีผลกระทบอย่างมากต่อประสิทธิภาพการใช้งานและอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ในแต่ละวัน อุณหภูมิสูง แม้จะยังต่ำกว่าจุดที่เกิดการลุกลามทางความร้อน ก็จะเร่งการเสื่อมสภาพทางเคมีของชิ้นส่วนแบตเตอรี่ ทำให้ความจุพลังงานลดลงและอายุการใช้งานโดยรวมสั้นลง ในทางกลับกัน อุณหภูมิต่ำมากอาจทำให้สูญเสียพลังงานและกำลังงาน และในสภาพอากาศหนาวจัดอาจก่อให้เกิดความเสียหายถาวรหรือความล้มเหลวได้ ระบบจัดการความร้อนที่ได้รับการออกแบบมาอย่างดีจะช่วยให้แบตเตอรี่ทำงานอยู่ในช่วงอุณหภูมิที่เหมาะสมที่สุด ซึ่งจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพ ความเร็วในการชาร์จ และอายุการใช้งานโดยรวมให้สูงสุด

กลยุทธ์หลักในการจัดการความร้อน: การวิเคราะห์เปรียบเทียบ

โซลูชันการจัดการความร้อนสำหรับแบตเตอรี่ EV ถูกจัดแบ่งออกเป็นระบบแบบแอคทีฟและแบบพาสซีฟโดยทั่วไป ระบบแบบแอคทีฟจะใช้พลังงานในการทำงานแต่ให้ประสิทธิภาพสูงกว่า ในขณะที่ระบบแบบพาสซีฟอาศัยหลักการเทอร์โมไดนามิกส์และไม่ต้องการพลังงานภายนอก การเลือกกลยุทธ์ขึ้นอยู่กับข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพของยานพาหนะ ต้นทุนเป้าหมาย และความหนาแน่นของพลังงานของชุดแบตเตอรี่

ระบบระบายความร้อนแบบแอคทีฟ

ระบบแบบแอคทีฟใช้ชิ้นส่วนเชิงกลเพื่อเคลื่อนย้ายตัวกลางทำความเย็นและถ่ายเทความร้อนออกจากชุดแบตเตอรี่ วิธีหลักสองวิธีคือ:

• การระบายความร้อนด้วยอากาศ: นี่คือรูปแบบที่ง่ายที่สุดของระบบจัดการแบบแอคทีฟ ซึ่งใช้พัดลมเพื่อหมุนเวียนอากาศรอบๆ โมดูลแบตเตอรี่และผ่านช่องระบายความร้อน ระบบนี้มีต้นทุนค่อนข้างต่ำและน้ำหนักเบา อย่างไรก็ตาม ประสิทธิภาพของระบบมีข้อจำกัดเนื่องจากความจุความร้อนของอากาศต่ำ ทำให้ไม่เหมาะกับ EV ที่มีสมรรถนะสูง หรือยานพาหนะที่ใช้งานในพื้นที่ที่มีอุณหภูมิสูง เนื่องจากอุณหภูมิอากาศภายนอกสูง
• การระบายความร้อนด้วยของเหลว: นี่คือวิธีการที่พบบ่อยที่สุดและมีประสิทธิภาพสำหรับรถยนต์ไฟฟ้ารุ่นใหม่ โดยจะใช้ของเหลวรีดความร้อน ซึ่งโดยทั่วไปเป็นสารผสมระหว่างน้ำกับไกลคอล หมุนเวียนผ่านเครือข่ายของท่อหรือแผ่นระบายความร้อนที่สัมผัสกับโมดูลแบตเตอรี่ ของเหลวนี้จะดูดซับความร้อนจากเซลล์และนำพาไปยังหม้อน้ำ (radiator) เพื่อปล่อยความร้อนออกสู่สิ่งแวดล้อม วิธีนี้ให้การระบายความร้อนที่ดีกว่าและสม่ำเสมอกว่า แต่เพิ่มความซับซ้อน น้ำหนัก และต้นทุนให้กับระบบ

ระบบระบายความร้อนแบบพาสซีฟ

ระบบพาสซีฟจัดการความร้อนโดยไม่ใช้ชิ้นส่วนที่ต้องอาศัยพลังงาน ทำให้มีความเรียบง่ายและเชื่อถือได้มากกว่า แม้ว่าโดยทั่วไปจะมีประสิทธิภาพต่ำกว่าระบบแอคทีฟ

• วัสดุเปลี่ยนสถานะ (PCMs): วัสดุเหล่านี้ดูดซับความร้อนแฝงในปริมาณมากเมื่อมีการเปลี่ยนเฟส โดยทั่วไปจากของแข็งเป็นของเหลว วัสดุเปลี่ยนเฟส (PCM) จะถูกรวมเข้ากับชุดแบตเตอรี่และดูดซับความร้อนที่เกิดจากเซลล์ โดยจะหลอมเหลวไปในกระบวนการนี้ ซึ่งช่วยรักษาอุณหภูมิของเซลล์ให้คงที่ เมื่อแบตเตอรี่เย็นลง PCM จะกลับมาเป็นของแข็งพร้อมปล่อยความร้อนที่เก็บไว้ออกมา ถึงแม้ว่าจะมีความน่าเชื่อถือสูง แต่ความสามารถของมันมีจำกัด และเหมาะที่สุดสำหรับการจัดการภาระความร้อนแบบช่วงๆ มากกว่าการทำงานต่อเนื่องที่ใช้กำลังสูง

การเปรียบเทียบกลยุทธ์

วัสดุและส่วนประกอบที่จำเป็นในระบบการจัดการความร้อน

ประสิทธิภาพของกลยุทธ์การจัดการความร้อนใดๆ ขึ้นอยู่กับระบบนิเวศของวัสดุพิเศษที่ออกแบบมาเพื่อถ่ายโอน กั้น หรือจัดการความร้อนและกระแสไฟฟ้าภายในตู้แบตเตอรี่ วัสดุเหล่านี้คือฮีโร่ผู้ไม่ได้รับการกล่าวขาน ที่ทำให้ระบบระบายความร้อนทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพและปลอดภัย

วัสดุติดต่อความร้อน (TIMs): พื้นผิวที่ดูเรียบเนียนก็ยังมีลักษณะขรุขระในระดับจุลภาคซึ่งทำให้เกิดช่องว่างอากาศ ซึ่งอากาศเป็นตัวนำความร้อนได้ไม่ดี ช่องว่างเหล่านี้จึงขัดขวางการถ่ายเทความร้อน วัสดุติดต่อความร้อน (TIMs) จึงถูกใช้เพื่อเติมเต็มช่องว่างระหว่างแหล่งความร้อน (เช่น เซลล์แบตเตอรี่) กับส่วนประกอบระบายความร้อน (เช่น แผ่นระบายความร้อน) เพื่อให้มั่นใจว่าความร้อนจะถ่ายโอนได้อย่างมีประสิทธิภาพ วัสดุดังกล่าวอาจอยู่ในรูปของกาวนำความร้อน วัสดุอุดช่องว่างแบบฉีดได้ จาระบี หรือแผ่นรอง การใช้วัสดุอุดช่องว่างแบบฉีดแทนแผ่นแข็งยังสามารถช่วยลดน้ำหนักรถยนต์ ซึ่งมีความสำคัญต่อการเพิ่มระยะทางการขับขี่สูงสุด

สารเคลือบหุ้ม: วัสดุเหล่านี้ มักเป็นโฟมโพลียูรีเทน มีจุดประสงค์สองประการ ประการแรก ให้การรองรับเชิงโครงสร้าง โดยรวมชิ้นส่วนของชุดแบตเตอรี่ให้เป็นหน่วยเดียว และป้องกันเซลล์จากการกระแทกและการสั่นสะเทือน ประการที่สอง และมีความสำคัญยิ่งกว่า คือทำหน้าที่เป็นอุปสรรคกันไฟ ในกรณีที่เซลล์เดียวเกิดภาวะความร้อนพุ่งพรวด (thermal runaway) สารเคลือบกันไฟสามารถกักเหตุการณ์นี้ไว้ได้ ป้องกันไม่ให้ไฟและความร้อนสูงลุกลามไปยังเซลล์ที่อยู่ใกล้เคียง การกักกันนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งในการให้เวลาแก่ผู้โดยสารในรถในการอพยพอย่างปลอดภัย

สารเคลือบกันไฟฟ้า: ในสภาพแวดล้อมแรงดันสูง เช่น ภายในชุดแบตเตอรี่ การป้องกันการเกิดอาร์กไฟฟ้าถือเป็นสิ่งสำคัญสูงสุด จึงมีการนำสารเคลือบกันไฟฟ้ามาใช้กับชิ้นส่วนต่างๆ เช่น บัสบาร์ แผ่นระบายความร้อน และเปลือกหุ้มเซลล์ เพื่อให้เกิดฉนวนกันไฟฟ้า สารเคลือบที่ทันสมัยยังถูกออกแบบให้มีคุณสมบัตินำความร้อนได้ดี ทำให้สามารถช่วยระบายความร้อนออกไปได้ในขณะเดียวกันก็ป้องกันการลัดวงจร ความสามารถสองประการนี้มีความจำเป็นอย่างยิ่งต่อการออกแบบแบตเตอรี่ที่มีขนาดกะทัดรัดและมีความหนาแน่นพลังงานสูง

วัสดุฉนวน: แม้ว่าจะมีวัสดุบางชนิดที่ออกแบบมาเพื่อถ่ายเทความร้อนออกไป แต่อีกกลุ่มหนึ่งก็ออกแบบมาเพื่อกั้นความร้อน วัสดุฉนวนที่นำความร้อนได้น้อย เช่น ไมกา กระดาษเซรามิก หรือแอโรเจล จะถูกจัดวางอย่างมีกลยุทธ์เพื่อป้องกันเซลล์ที่ปกติจากความร้อนของเซลล์ข้างเคียงที่เกิดความผิดพลาด นี่คือกลยุทธ์สำคัญอีกประการหนึ่งในการป้องกันการลุกลามของภาวะความร้อนเกินควบคุมจากเซลล์หนึ่งไปยังอีกเซลล์หนึ่ง ซึ่งถือเป็นส่วนสำคัญของระบบความปลอดภัยแบบหลายชั้นของแบตเตอรี่

การรวมระบบในระดับระบบ: การออกแบบระบบนิเวศของเปลือกหุ้มแบตเตอรี่

การจัดการความร้อนอย่างมีประสิทธิภาพไม่ได้ขึ้นอยู่กับชิ้นส่วนใดชิ้นส่วนหนึ่ง แต่ขึ้นอยู่กับระบบโดยรวม ที่ซึ่งวัสดุและกลยุทธ์ต่างๆ ทำงานร่วมกันอย่างสอดคล้องภายในเปลือกหุ้มแบตเตอรี่ แนวทางที่รวมองค์ประกอบต่างๆ เข้าด้วยกันนี้ มักเรียกว่า ระบบนิเวศการจัดการความร้อน ซึ่งทำให้เกิดความสมดุลระหว่างความต้องการนำความร้อนเพื่อระบายความร้อนจากเซลล์ในภาวะการใช้งานปกติ กับความต้องการกันความร้อนเพื่อปกป้องเซลล์ในเหตุการณ์ผิดปกติ เช่น ภาวะความร้อนเกินควบคุม ทุกองค์ประกอบ ตั้งแต่สารเคมีภายในเซลล์ไปจนถึงเปลือกหุ้มภายนอกสุด ล้วนมีบทบาท

การออกแบบจะต้องพิจารณาเส้นทางการถ่ายเทความร้อนทั้งหมดอย่างครบถ้วน ความร้อนจะต้องเคลื่อนที่อย่างมีประสิทธิภาพจากแกนกลางของเซลล์แบตเตอรี่ ผ่านวัสดุนำความร้อน (TIM) เข้าสู่แผ่นระบายความร้อน (cold plate) และในที่สุดไปยังหม้อน้ำ (radiator) ในเวลาเดียวกัน ระบบจะต้องป้องกันไม่ให้ความร้อนนี้แพร่กระจายในแนวราบจากเซลล์หนึ่งไปยังอีกเซลล์หนึ่งในกรณีที่เกิดความล้มเหลว สิ่งนี้จำเป็นต้องมีการคัดเลือกวัสดุและการวางตำแหน่งอย่างรอบคอบ เพื่อสร้างสถาปัตยกรรมด้านความร้อนที่ซับซ้อน ซึ่งสามารถนำความร้อนได้ดีในบางจุด และกั้นความร้อนได้ในบางจุดตามต้องการ

การออกแบบเชิงโครงสร้างของตัวเรือนเองถือเป็นพื้นฐานสำคัญ เพราะทำหน้าที่เป็นโครงสร้างหลักสำหรับชิ้นส่วนทั้งหมดที่เกี่ยวข้องกับการจัดการความร้อน และทำหน้าที่เป็นเกราะป้องกันสุดท้ายจากอันตรายจากสิ่งแวดล้อมภายนอก เช่น ความชื้นและเกลือถนน สำหรับโครงการยานยนต์ที่ต้องการชิ้นส่วนที่ออกแบบอย่างแม่นยำเช่นนี้ ควรพิจารณานำเข้าอลูมิเนียมอัดรีดแบบกำหนดเองจากพันธมิตรที่ไว้ใจได้ บริษัท Shaoyi Metal Technology ให้บริการครบวงจรแบบเบ็ดเสร็จ , ตั้งแต่การทำต้นแบบอย่างรวดเร็วที่เร่งกระบวนการตรวจสอบและยืนยันผลของคุณ ไปจนถึงการผลิตในขนาดใหญ่ทั้งหมด ซึ่งดำเนินการภายใต้ระบบควบคุมคุณภาพที่ได้รับการรับรองตามมาตรฐาน IATF 16949 อย่างเคร่งครัด

ในที่สุด ระบบการออกแบบในระดับโครงสร้างที่สมบูรณ์ยังรวมถึงกลยุทธ์การระบายอากาศด้วย หากเซลล์เกิดความล้มเหลวและเข้าสู่ภาวะการเผาไหม้จากความร้อน (thermal runaway) จะมีการปล่อยก๊าซร้อนจำนวนมากรวมถึงแรงดันสูงออกมา การออกแบบช่องระบายอย่างควบคุมจะช่วยให้ก๊าซเหล่านี้สามารถระบายออกจากแบตเตอรี่แพ็คได้อย่างปลอดภัย ป้องกันไม่ให้เกิดการสะสมของแรงดันที่อาจเป็นอันตราย พร้อมทั้งปกป้องเซลล์ข้างเคียงจากการถูกทำลายจากก๊าซและเศษซากที่มีอุณหภูมิสูง การผสานรวมระบบระบายความร้อน ฉนวนกันความร้อน ความแข็งแรงของโครงสร้าง และการระบายแรงดันนี้ คือหัวใจของการออกแบบเปลือกหุ้มแบตเตอรี่ EV ที่ทนทานและปลอดภัยอย่างแท้จริง