Термокерування акумулятором ЕV: ключові рішення та матеріали

Коротко

Ефективні рішення з управління тепловіддачею для корпусів акумуляторів електромобілів мають вирішальне значення для забезпечення безпеки експлуатації, оптимізації продуктивності та подовження терміну служби акумулятора. Основними стратегіями є активні системи, такі як повітряне та рідинне охолодження, і пасивні системи, що використовують матеріали зі зміною фазового стану (PCM). Ці системи забезпечуються складною екосистемою компонентів, включаючи матеріали термоінтерфейсу (TIMs), заливні маси та діелектричні покриття, які спільно працюють для відведення тепла та запобігання катастрофічним подіям типу теплового пробігу.

Важлива роль управління тепловіддачею в акумуляторах електромобілів

Необхідність складного теплового управління акумуляторами електромобілів випливає безпосередньо з електрохімічної природи поширених літій-іонних (Li-ion) елементів. Ці акумулятори пропонують вигідне поєднання високої енергетичної ємності та довгого терміну служби, проте їхня внутрішня хімія створює значні теплові виклики. Електролітний розчин, який забезпечує перенесення електричного заряду, зазвичай виготовляють із легко займистих органічних сполук, що створює потенційну небезпеку пожежі у разі недостатнього контролю. Тому підтримання акумуляторного блоку в межах вузького оптимального температурного діапазону — це не просто питання продуктивності, а фундаментальна вимога безпеки.

Найбільш серйозним ризиком є явище, відоме як тепловий пробій. Це ланцюгова подія, яка може починатися з перегріву окремої банки через внутрішнє коротке замикання, перезарядку або фізичне пошкодження. Цей первинний перегрів може спровокувати ланцюгову реакцію, внаслідок чого сусідні банки також перегріватимуться та займатимуться полум'ям, що призведе до поширення пожежі на весь модуль або блок. Такі пожежі надзвичайно важко гасити й становлять значну загрозу безпеці. Ефективні системи теплового управління є основним захистом від таких подій; вони розроблені для відведення тепла під час нормальної роботи та ізоляції виходящих з ладу банок задля запобігання поширенню пошкодження.

Крім запобігання катастрофічним збоям, температура має глибокий вплив на щоденні роботи батареї і її довговічність. Високі температури, навіть ті, що значно нижче точки теплового розпаду, прискорюють хімічну деградацію компонентів батареї, зменшуючи потужність і скорочуючи її ефективний термін служби. Натомість дуже низькі температури можуть викликати втрату потужності та енергії, а при екстремальному холоді можуть призвести до постійного пошкодження або збою. Добре розроблена система управління теплою забезпечує роботу батареї в межах ідеального температурного вікна, що максимізує ефективність, швидкість зарядки та загальний термін служби.

Основні стратегії теплового управління: порівняльний аналіз

Рішення для термального управління акумуляторами ЕМ поширено поділяються на активні та пасивні системи. Активні системи споживають енергію для роботи, але забезпечують вищу продуктивність, тоді як пасивні системи ґрунтуються на принципах термодинаміки й не потребують зовнішнього живлення. Вибір стратегії залежить від вимог до продуктивності транспортного засобу, цільових вартості та питомої потужності акумуляторної батареї.

Системи активного охолодження

Активні системи використовують механічні компоненти для переміщення охолоджувального середовища та відведення тепла від акумуляторної батареї. Два основні методи:

• Охолодження повітрям: Це найпростіший вид активного управління, при якому вентилятори циркулюють повітря навколо модулів акумулятора та через охолоджувальні канали. Цей метод є порівняно недорогим і легким. Однак його ефективність обмежена низькою теплоємністю повітря, що ускладнює застосування в електромобілях високої продуктивності або транспортних засобах, які експлуатуються в гарячему кліматі з високою температурою навколишнього повітря.
• Рідинне охолодження: Це найпоширеніший і найефективніший метод для сучасних електромобілів. Рідкий охолоджувач, зазвичай суміш води та гліколю, циркулює через систему трубок або холодних пластин, які контактують із модулями акумулятора. Рідина поглинає тепло від елементів і відводить його до радіатора, де воно розсіюється в навколишнє середовище. Цей метод забезпечує краще та рівномірніше охолодження, але збільшує складність, вагу та вартість системи.

Пасивні системи охолодження

Пасивні системи відводять тепло без використання компонентів, що працюють від електроживлення, завдяки чому вони простіші та надійніші, хоча часто менш потужні, ніж активні системи.

• Матеріали зі зміною фазового стану (PCM): Ці матеріали поглинають велику кількість прихованого тепла під час зміни агрегатного стану, зазвичай із твердого на рідкий. PCM інтегруються в акумуляторний блок і поглинають тепло, що виділяється елементами, плавлячись у процесі. Це підтримує стабільну температуру елементів. Коли акумулятор охолоджується, PCM твердне, виділяючи накопичене тепло. Хоча такі матеріали є високонадійними, їхня ємність обмежена, і вони найкраще підходять для управління переривчастим тепловим навантаженням, а не тривалою роботою під високим навантаженням.

Порівняння стратегій

Основні матеріали та компоненти в системах теплового управління

Ефективність будь-якої стратегії теплового управління залежить від екосистеми спеціалізованих матеріалів, розроблених для передачі, блокування або управління теплом і електрикою всередині акумуляторного корпусу. Ці матеріали є непоміченими героями, які забезпечують ефективну та безпечну роботу систем охолодження.

Теплові інтерфейсні матеріали (TIM): Навіть поверхні, які здаються гладкими, мають мікроскопічні недосконалості, що створюють повітряні зазори. Оскільки повітря погано проводить тепло, ці зазори ускладнюють теплопередачу. Термопровідні матеріали (TIM) використовуються для заповнення цих зазорів між джерелом тепла (наприклад, елементом батареї) та компонентом охолодження (наприклад, холодною плитою), забезпечуючи ефективний теплообмін. Це можуть бути термопровідні клеї, розподільні заповнювачі, мастила або прокладки. Використання розподільних заповнювачів замість твердих прокладок також може допомогти зменшити вагу транспортного засобу, що є критичним для максимізації запасу ходу.

Капсулюючі матеріали: Ці матеріали, найчастіше пінополіуретани, виконують дві функції. По-перше, вони забезпечують структурну підтримку, уніфікуючи збірку акумулятора та захищаючи елементи від ударів і вібрацій. По-друге, що є критично важливим, вони виступають як бар'єр проти вогню. У разі виходу окремого елемента з режиму теплового пробігу, вогнестійкий герметик може ізолювати цю подію, запобігаючи поширенню полум'я та інтенсивного тепла на сусідні елементи. Таке утримання є вкрай важливим, щоб дати час пасажирам автомобіля безпечно евакуюватися.

Діелектричні покриття: У середовищі з високою напругою, таким як акумуляторна батарея, запобігання електричним розрядам є першорядним завданням. Діелектричні покриття наносяться на компоненти, такі як шини, пласти охолодження та корпуси елементів, щоб забезпечити електричну ізоляцію. Сучасні покриття також розроблені як термопровідні, що дозволяє їм сприяти відведенню тепла, одночасно запобігаючи коротким замиканням. Ця подвійна функція є важливою для створення компактних та енергомістких конструкцій акумуляторів.

Ізоляційні матеріали: Хоча деякі матеріали розроблено для відведення тепла, інші призначені для його блокування. Матеріали з низькою теплопровідністю, такі як слюда, керамічний папір або аерогелі, стратегічно розміщуються, щоб захистити здорові елементи від тепла несправного сусіда. Це ще одна ключова стратегія запобігання поширенню термічного пробою від елемента до елемента, яка є важливою частиною багаторівневої системи безпеки акумулятора.

Інтеграція на рівні системи: проектування екосистеми корпусу акумулятора

Ефективне теплове управління полягає не в окремому компоненті, а в цілісній системі, у якій матеріали та стратегії працюють узгоджено всередині корпусу акумулятора. Такий комплексний підхід, який часто називають екосистемою теплового управління, забезпечує баланс між потребою у теплопровідності для охолодження елементів під час нормальної роботи та потребою у тепловій ізоляції для захисту елементів під час надзвичайних подій, таких як термічний пробій. Кожен елемент — від хімії елементів до остаточного корпусу — відіграє свою роль.

Конструкція має враховувати весь шлях передачі тепла. Тепло має ефективно переміщатися від серцевини елемента батареї через термоінтерфейсний матеріал (TIM) до охолоджувальної пластини та, нарешті, до радіатора. У той же час система має запобігати поширенню цього тепла від одного елемента до іншого у разі виходу з ладу. Це вимагає ретельного підбору матеріалів та їхнього розташування, створюючи складну теплову архітектуру, яка є теплопровідною там, де це потрібно, і теплоізоляційною — там, де необхідна ізоляція.

Конструктивне виконання корпусу має фундаментальне значення, забезпечуючи каркас для всіх теплових компонентів і виступаючи остаточною перешкодою для зовнішніх небезпек, таких як волога та дорожня сіль. Для автомобільних проектів, які вимагають таких точно спроектованих компонентів, розгляньте можливість використання спеціальних алюмінієвих профілів від перевіреного партнера. Шаої Металл Технологія пропонує комплексний сервіс з одного зупинка , від швидкого прототипування, що прискорює процес валідації, до повномасштабного виробництва, все керується суворою системою якості, сертифікованою за IATF 16949.

Нарешті, повноцінна система проектування також включає стратегії вентиляції. Якщо елемент все ж вийде з ладу й потрапить у стан термічного пробігу, він виділить значну кількість гарячого газу. Контрольовані вентиляційні отвори розроблено так, щоб дозволити цим газам виходити з блоку у контрольований спосіб, запобігаючи небезпечному накопиченню тиску та захищаючи сусідні елементи від гарячих викидів. Саме поєднання охолодження, ізоляції, структурної цілісності та вентиляції визначає дійсно надійне та безпечне розташування акумулятора для EV.