Η θερμική διαχείριση είναι μια από τις πιο σημαντικές προκλήσεις της μηχανικής στον σύγχρονο σχεδιασμό μπαταριών ηλεκτρικών οχημάτων.

Καθώς τα πακέτα μπαταριών EV κινούνται προς υψηλότερη ενεργειακή πυκνότητα, ταχύτερη φόρτιση, υψηλότερη απόδοση ισχύος και πιο συμπαγείς αρχιτεκτονικές, ο έλεγχος της θερμοκρασίας της κυψέλης γίνεται όλο και πιο δύσκολος. Το ίδιο το σύστημα ψύξης είναι μόνο ένα μέρος της λύσης. Τα υλικά που τοποθετούνται μεταξύ κυψελών, δομές ψύξης, περιβλήματα συσκευασίας και άλλα εξαρτήματα καθορίζουν πόσο αποτελεσματικά μπορεί να κινηθεί η θερμότητα ή πόσο αποτελεσματικά μπορεί να αποκλειστεί.

Για το λόγο αυτό, η θερμική διαχείριση της μπαταρίας θα πρέπει να θεωρείται ως συνδυασμόςψύξη, μεταφορά θερμότητας, μόνωση, στεγανοποίηση, διασπορά θερμότητας και ενεργή θέρμανσηπαρά ως ενιαία τεχνολογία ψύξης.

Ένα καλά σχεδιασμένο σύστημα θερμικής διαχείρισης μπαταρίας χρησιμοποιεί συνήθως πολλές τεχνολογίες υλικών, με κάθε υλικό να επιλέγεται σύμφωνα με τη συγκεκριμένη θέση και τη λειτουργία του μέσα στη συσκευασία.

Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου είναι ευαίσθητες στη θερμοκρασία λειτουργίας. Η απόδοση της μπαταρίας, η συμπεριφορά γήρανσης, η ικανότητα φόρτισης και η ασφάλεια μπορούν όλα να επηρεαστούν από τη θερμοκρασία.

Πολλές στρατηγικές θερμικής διαχείρισης μπαταριών EV στοχεύουν στη διατήρηση της θερμοκρασίας των κυψελών μέσα σε ένα ελεγχόμενο παράθυρο λειτουργίας, συνήθως γύρω από15–40°C, ανάλογα με τη χημεία των κυττάρων, τις συνθήκες λειτουργίας και τις απαιτήσεις OEM. Ερευνητικές ανασκοπήσεις έχουν επίσης τονίσει τη σημασία του ακριβούς ελέγχου θερμοκρασίας για την απόδοση, την ασφάλεια και τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας.

Η πρόκληση είναι ότι ένα σύστημα ψύξης μπορεί να ελέγξει αποτελεσματικά τη θερμοκρασία μόνο όταν η θερμότητα μπορεί να φτάσει στο ψυκτικό μέσο.

Μια ψυχρή πλάκα υγρού, κανάλι ψυκτικού ή ρεύμα αέρα καθορίζει την οριακή συνθήκη ψύξης. Ωστόσο, κάθε διεπαφή μεταξύ της κυψέλης και του συστήματος ψύξης εισάγει θερμική αντίσταση.

Για παράδειγμα:

Κυψέλη → TIM → Ψυχρή πλάκα → Ψυκτικό

Εάν η διεπαφή περιέχει μικροσκοπικά κενά αέρα, ανεπαρκή συμπίεση ή υπερβολικό πάχος γραμμής σύνδεσης, η θερμική διαδρομή μπορεί να γίνει εμπόδιο ακόμα και όταν το ίδιο το σύστημα ψύξης έχει επαρκή χωρητικότητα.

Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο η επιλογή υλικού είναι ένα ουσιαστικό μέρος του σχεδιασμού της θερμικής διαχείρισης της μπαταρίας.

Ένα σύγχρονο πακέτο μπαταριών περιέχει πολλές διαφορετικές θερμικές ζώνες και ζώνες προστασίας.

Κάθε ζώνη εκτελεί διαφορετική λειτουργία και επομένως απαιτεί διαφορετική στρατηγική υλικού.

Αυτή η προσέγγιση βάσει ζώνης καθιστά την επιλογή υλικού ευκολότερη, επειδή ο μηχανικός μπορεί πρώτα να ορίσειτι χρειάζεται να επιτύχει κάθε διεπαφήκαι μετά επιλέξτε την κατάλληλη κατηγορία υλικού.

Η διεπαφή κυψέλης προς ψυχρή πλάκα είναι μια από τις πιο σημαντικές θερμικές διαδρομές σε μια υγρόψυκτη μπαταρία EV.

Ο στόχος είναι απλός:

Ελαχιστοποιήστε τη θερμική αντίσταση μεταξύ της κυψέλης παραγωγής θερμότητας και της δομής ψύξης.

Ο αέρας έχει θερμική αγωγιμότητα μόνο περίπου0,026 W/m·K, έτσι τα μη ελεγχόμενα κενά αέρα μπορούν να αυξήσουν σημαντικά την αντίσταση της διεπαφής.

Τα υλικά θερμικής διεπαφής γεμίζουν αυτά τα κενά και δημιουργούν μια πιο συνεχή θερμική διαδρομή.

Οι τρεις πιο κοινές προσεγγίσεις είναι:

• Θερμικά επιθέματα

• Διανεμόμενα πληρωτικά θερμικού κενού

• Θερμικά αγώγιμα συγκολλητικά

Τα θερμικά επιθέματα είναι συμβατά συμπαγή φύλλα που τοποθετούνται μεταξύ του εξαρτήματος της μπαταρίας και της δομής ψύξης.

Διατίθενται σε σκευάσματα σιλικόνης και μη και μπορούν να κοπούν σε προσαρμοσμένα σχήματα.

Τα τυπικά πλεονεκτήματα περιλαμβάνουν:

• Καμία διαδικασία σκλήρυνσης

• Εύκολη εγκατάσταση

• Ακριβής γεωμετρία κοπής

• Καλή ηλεκτρική μόνωση σε βαθμούς μόνωσης

• Επανεπεξεργασιμότητα σε πολλές εφαρμογές

• Ελεγχόμενο πάχος

Οι σημαντικές παράμετροι επιλογής περιλαμβάνουν:

• Θερμική αγωγιμότητα

• Θερμική αντίσταση

• Πάχος

• Σκληρότητα

• Συμπεριφορά συμπίεσης

• Διηλεκτρική αντοχή

• Σετ συμπίεσης

• Θερμοκρασία λειτουργίας

Μια υψηλή τιμή θερμικής αγωγιμότητας από μόνη της δεν εγγυάται καλή απόδοση εφαρμογής.

Για παράδειγμα, ένα πολύ σκληρό επίθεμα μπορεί να έχει εξαιρετική αγωγιμότητα αλλά να απαιτεί υπερβολική πίεση συναρμολόγησης για να επιτευχθεί στενή επιφάνεια επαφής. Ένα πιο μαλακό υλικό μπορεί να παρέχει καλύτερη συμμόρφωση σε χαμηλότερη πίεση.

Επομένως, οι μηχανικοί θα πρέπει να αξιολογήσουνθερμική σύνθετη αντίσταση κάτω από την πραγματική πίεση συναρμολόγησης και το πάχος της γραμμής σύνδεσης, αντί να επιλέγετε ένα υλικό μόνο βάσει της βαθμολογίας W/m·K.

Τα διανεμόμενα πληρωτικά κενού είναι ιδιαίτερα χρήσιμα όταν το κενό διασύνδεσης ποικίλλει στο συγκρότημα της μπαταρίας.

Σε αντίθεση με ένα προκομμένο μαξιλαράκι, ένα υγρό ή τζελ πλήρωσης κενού μπορεί να συμμορφώνεται με την πραγματική γεωμετρία της διεπαφής.

Αυτό καθιστά την τεχνολογία ελκυστική για:

• Διεπαφές κυψέλης προς ψυχρή πλάκα

• Αρχιτεκτονικές από κύτταρο σε πακέτο

• Μονάδες μπαταρίας μεγάλης περιοχής

• Σύνθετες στοίβες ανοχής

• Αυτοματοποιημένες γραμμές παραγωγής

Διατίθενται σκευάσματα ενός και δύο συστατικών.

Τα υλικά ενός μέρους έχουν σχεδιαστεί για ελεγχόμενη σκλήρυνση σύμφωνα με τις καθορισμένες συνθήκες του κατασκευαστή, ενώ τα συστήματα δύο μερών αναμιγνύονται και ωριμάζουν μετά τη διανομή.

Τα κύρια πλεονεκτήματα περιλαμβάνουν:

• Εξαιρετική συμμόρφωση επιφάνειας

• Μεγάλη ικανότητα πλήρωσης κενών

• Χαμηλή μηχανική καταπόνηση

• Συμβατότητα αυτοματοποιημένης διανομής

• Μειωμένη εξάρτηση από την προ-κομμένη γεωμετρία του μαξιλαριού

Οι κύριες παρασκευαστικές εκτιμήσεις είναι:

• Όγκος διανομής

• Αναλογία ανάμειξης για συστήματα δύο μερών

• Ζωή σε γλάστρα

• Χρόνος θεραπείας

• Απαιτήσεις εξοπλισμού

• Έλεγχος γραμμής ομολόγων

• Στρατηγική ανανέωσης

Για την παραγωγή μπαταριών μεγάλου όγκου, αυτοί οι παράγοντες διαδικασίας μπορεί να είναι εξίσου σημαντικοί με τη θερμική αγωγιμότητα.

Η επιλογή μεταξύ ενός μαξιλαριού και ενός διανεμημένου πληρωτικού κενού εξαρτάται κυρίως από τη γεωμετρία της διεπαφής και τη διαδικασία κατασκευής.

Καμία τεχνολογία δεν είναι παγκοσμίως καλύτερη.

Η σωστή επιλογή εξαρτάται από τοεύρος κενού, στοίβα ανοχής, απαίτηση συμπίεσης, όγκος παραγωγής και θερμικός στόχος.

Ορισμένες διεπαφές μπαταριών απαιτούν τόσο θερμική μεταφορά όσο και μηχανική προσάρτηση.

Οι θερμικά αγώγιμες κόλλες μπορούν να παράσχουν μια μόνιμη σύνδεση ενώ παράλληλα μεταφέρουν τη θερμότητα μακριά από το εξάρτημα.

Μπορούν να ληφθούν υπόψη για:

• Μόνιμη προσάρτηση εξαρτήματος

• Δομικές θερμικές διεπαφές

• Εφαρμογές που σχετίζονται με το Busbar

• Εξάρτημα διανομής θερμότητας

• Εξαρτήματα όπου οι μηχανικοί συνδετήρες είναι ανεπιθύμητοι

Οι θερμικά αγώγιμες ταινίες μπορούν να παρέχουν μια απλούστερη μέθοδο συναρμολόγησης για ελαφρύτερα εξαρτήματα.

Ωστόσο, οι κόλλες και οι ταινίες είναι γενικά λιγότερο βολικές για επανεπεξεργασία από τα θερμικά επιθέματα. Επομένως, θα πρέπει να επιλέγονται όταν η μόνιμη φύση της άρθρωσης είναι αποδεκτή.

Δεν προκαλούνται όλα τα θερμικά προβλήματα από κακή κατακόρυφη μεταφορά θερμότητας.

Μεγάλες πρισματικές κυψέλες και συγκροτήματα κυψελών θήκης μπορούν επίσης να εμφανίσουν διαβαθμίσεις θερμοκρασίας σε όλη την επιφάνειά τους.

Σε αυτές τις περιπτώσεις, τα υλικά διασποράς θερμότητας μπορούν να διανείμουν τη θερμότητα πλευρικά πριν φτάσει στην κύρια διεπαφή ψύξης.

Ο γραφίτης και τα υλικά με βάση το γραφένιο είναι παραδείγματα ανισότροπων θερμικών υλικών που μπορούν να παρέχουν υψηλή θερμική αγωγιμότητα εντός του επιπέδου.

Ανάλογα με την αρχιτεκτονική του υλικού, οι διανομείς θερμότητας με βάση γραφίτη μπορούν να φτάσουν πολύ υψηλές τιμές αγωγιμότητας εντός του επιπέδου, σε ορισμένα εμπορικά προϊόντα που υπερβαίνουν1.000 W/m·K.

Αυτά τα υλικά χρησιμοποιούνται γενικά ως μέρος μιας θερμικής στοίβας και όχι ως άμεση αντικατάσταση του πρωτεύοντος TIM.

Μια απλοποιημένη δομή μπορεί να είναι:

Cell → Heat Spreader → TIM → Cold Plate

Ο διανομέας θερμότητας βοηθά στη μείωση της τοπικής συγκέντρωσης θερμοκρασίας, ενώ το TIM παρέχει τη θερμική επαφή στη δομή ψύξης.

Τα υλικά αλλαγής φάσης (PCM) απορροφούν θερμότητα ενώ υφίστανται μια μετάβαση φάσης.

Αυτό τα καθιστά χρήσιμα για εφαρμογές όπου το θερμικό φορτίο περιέχει κορυφές μικρής διάρκειας.

Για παράδειγμα, μια μπαταρία μπορεί να παρουσιάσει μια προσωρινή αύξηση της παραγωγής θερμότητας κατά τη διάρκεια:

• Γρήγορη φόρτιση

• Επιτάχυνση υψηλής ισχύος

• Αναγεννητικό φρενάρισμα

• Εκφόρτιση υψηλού ρεύματος

Ένα PCM μπορεί να απορροφήσει μέρος αυτής της παροδικής θερμότητας και να μειώσει τον ρυθμό αύξησης της θερμοκρασίας.

Ωστόσο, το PCM δεν πρέπει να θεωρείται ως αντικατάσταση ενός ενεργού συστήματος ψύξης.

Το υλικό έχει πεπερασμένη λανθάνουσα θερμότητα. Μόλις εξαντληθεί η διαθέσιμη χωρητικότητα αλλαγής φάσης, το PCM δεν μπορεί πλέον να παρέχει το ίδιο εφέ προσωρινής αποθήκευσης.

Επομένως, το PCM είναι πιο αποτελεσματικό όταν ενσωματώνεται με ένα κατάλληλο σύστημα απόρριψης θερμότητας.

Η βιβλιογραφία ανασκόπησης του 2024 σχετικά με τη θερμική διαχείριση μπαταριών EV προσδιορίζει τις προσεγγίσεις που βασίζονται σε PCM ως μία από τις σημαντικές τεχνολογίες παθητικής ή υβριδικής θερμικής διαχείρισης.

Ενώ ορισμένα μέρη της μπαταρίας πρέπει να μεταφέρουν θερμότητα αποτελεσματικά, άλλες περιοχές πρέπει να κάνουν ακριβώς το αντίθετο.

Μεταξύ των κυψελών, μπορεί να απαιτούνται υλικά για να επιβραδύνουν τη θερμική διάδοση και να παρέχουν ηλεκτρική μόνωση.

Οι κοινές τεχνολογίες υλικών περιλαμβάνουν:

Οι κουβέρτες με βάση το αερογέλη μπορούν να παρέχουν πολύ χαμηλή θερμική αγωγιμότητα σε μια λεπτή δομή.

Το κύριο πλεονέκτημά τους είναι η θερμομονωτική απόδοση.

Ωστόσο, μπορεί να απαιτείται μηχανική προστασία επειδή ορισμένες δομές αερογέλης μπορεί να είναι ευαίσθητες στη συμπίεση, την τριβή και το χειρισμό.

Ο αφρός σιλικόνης παρέχει έναν συνδυασμό:

• Θερμομόνωση

• Απορρόφηση κραδασμών

• Ανάκτηση συμπίεσης

• Περιβαλλοντική αντίσταση

• Ηλεκτρική μόνωση

• Επιλογές επιβραδυντικού φλόγας

Για παράδειγμα, η οικογένεια Z-FOAM800 της ZIITEK περιλαμβάνει ποιότητες με θερμική αγωγιμότητα γύρω0,06 W/m·K, βαθμολογίες UL 94 V-0 και δυνατότητες θερμοκρασίας που εκτείνονται σε περίπου 200°C, ανάλογα με τη συγκεκριμένη κατηγορία.

Η μαρμαρυγία και τα κεραμικά φύλλα μπορούν να παρέχουν ηλεκτρική μόνωση και προστασία σε υψηλές θερμοκρασίες.

Συχνά εξετάζονται για εφαρμογές όπου το υλικό πρέπει να αντέχει σε έντονη θερμική έκθεση ή να παρέχει ένα φυσικό εμπόδιο μεταξύ των εξαρτημάτων της μπαταρίας.

Το κατάλληλο υλικό εξαρτάται από την αρχιτεκτονική της μπαταρίας, το σενάριο θερμικών συμβάντων και τις ισχύουσες απαιτήσεις ασφάλειας.

Η θερμομόνωση από μόνη της δεν μπορεί να αποτρέψει κάθε συμβάν ασφάλειας μπαταρίας.

Μια πλήρης στρατηγική μετριασμού θερμικής διαφυγής μπορεί να περιλαμβάνει:

• Έλεγχοι συστήματος διαχείρισης μπαταριών

• Παρακολούθηση κυττάρων

• Θερμομόνωση

• Πυράντοχα φράγματα

• Κατασκευές εξαερισμού

• Μηχανικός σχεδιασμός περιβλήματος

• Συστήματα ψύξης

• Υλικά επιβραδυντικά φλόγας

Πρότυπα και μέθοδοι δοκιμής όπωςUL 2596μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αξιολόγηση της θερμικής και μηχανικής απόδοσης των υλικών του περιβλήματος μπαταριών υπό συνθήκες αντιπροσωπευτικές της θερμικής διαφυγής.

Είναι σημαντικό ότι τα αποτελέσματα των δοκιμών σε επίπεδο υλικού δεν θα πρέπει να ερμηνεύονται ως άμεσες εγγυήσεις για την ασφάλεια της μπαταρίας σε επίπεδο συστήματος. Η πραγματική απόδοση εξαρτάται από το υλικό, τη γεωμετρία, το πάχος, το σχέδιο κυψέλης και τη διαμόρφωση τελικής χρήσης.

Η θερμική διαχείριση της μπαταρίας είναι στενά συνδεδεμένη με την προστασία του περιβάλλοντος.

Ένα περίβλημα μπαταρίας πρέπει να προστατεύει τα εσωτερικά εξαρτήματα από το νερό, τη σκόνη, την υγρασία, τους κραδασμούς και τη θερμοκρασία.

Επομένως, το στεγανοποιητικό υλικό πρέπει να διατηρεί τη δύναμη συμπίεσης και σφράγισης καθ' όλη την απαιτούμενη διάρκεια ζωής.

Σημαντικές προδιαγραφές περιλαμβάνουν:

• Σετ συμπίεσης

• Απορρόφηση νερού

• Εύρος θερμοκρασίας

• Επιβραδυντικότητα φλόγας

• Ιδιότητες εφελκυσμού και σχισίματος

• Διηλεκτρική αντοχή

• Περιβαλλοντική αντίσταση

• Ανοχή στην κοπή μήτρας

Για εφαρμογές που απαιτούν επιβράδυνση φλόγας,UL 94 V-0μπορεί να καθοριστεί ανάλογα με τον OEM και τις απαιτήσεις συστήματος. Η UL περιγράφει τις ονομασίες UL 94 V ως ταξινομήσεις αναφλεξιμότητας υλικών με βάση καθορισμένες συνθήκες δοκιμής.

Απαιτήσεις προστασίας από εισροή όπωςIP67 ή IP68μπορεί επίσης να ισχύει ανάλογα με το περίβλημα της μπαταρίας και τις προδιαγραφές OEM.

Ο αφρός σιλικόνης μπορεί να συνδυάσει λειτουργίες σφράγισης, αντικραδασμικής προστασίας και μόνωσης σε ένα μόνο υλικό.

Η σειρά Z-FOAM800 της ZIITEK, για παράδειγμα, περιλαμβάνει ποιότητες σχεδιασμένες για σφράγιση περιβλήματος μπαταρίας και θερμική προστασία. Οι διαθέσιμες προδιαγραφές περιλαμβάνουν σετ χαμηλής συμπίεσης, επιβράδυνση φλόγας UL 94 V-0 και ευρεία αντοχή στη θερμοκρασία, με ακριβείς τιμές ανάλογα με την ποιότητα.

Για εφαρμογές μπαταριών, οι μηχανικοί θα πρέπει να αξιολογούν τον πλήρη σχεδιασμό στεγανοποίησης αντί να επιλέγουν ένα υλικό φλάντζας με βάση μόνο το σετ συμπίεσης.

Το υλικό, η γεωμετρία των αυλακώσεων, η αναλογία συμπίεσης, οι ανοχές και η περιβαλλοντική έκθεση επηρεάζουν τη μακροπρόθεσμη απόδοση στεγανοποίησης.

Η θερμική διαχείριση της μπαταρίας δεν αφορά μόνο την αφαίρεση της θερμότητας.

Σε περιβάλλοντα χαμηλής θερμοκρασίας, η μπαταρία μπορεί επίσης να χρειαστεί να θερμανθεί πριν ή κατά τη φόρτιση.

Οι χαμηλές θερμοκρασίες μπορούν να μειώσουν τη διαθέσιμη ισχύ και την απόδοση φόρτισης. Η φόρτιση κυψελών ιόντων λιθίου σε επαρκώς χαμηλές θερμοκρασίες μπορεί επίσης να αυξήσει τον κίνδυνο επιμετάλλωσης λιθίου, ανάλογα με τη χημεία των κυττάρων και τις συνθήκες φόρτισης.

Ως εκ τούτου, τα εύκαμπτα θερμαντικά στοιχεία μπορούν να ενσωματωθούν σε πακέτα μπαταριών για να αυξήσουν τη θερμοκρασία του στοιχείου στο κατάλληλο εύρος λειτουργίας.

Οι κοινές τεχνολογίες περιλαμβάνουν:

Οι θερμαντήρες πολυιμιδίου προσφέρουν:

• Λεπτή κατασκευή

• Χαμηλό βάρος

• Υψηλή ευελιξία

• Προσαρμοσμένα μοτίβα θέρμανσης

• Καλή αντοχή στη θερμοκρασία

Οι θερμαντήρες από καουτσούκ σιλικόνης προσφέρουν:

• Ευέλικτη κατασκευή

• Καλή περιβαλλοντική αντοχή

• Μηχανική αντοχή

• Προσαρμοσμένες ζώνες θέρμανσης

• Συμβατότητα με δομές πακέτων μπαταριών

Οι λύσεις θερμαντήρα Kheat της ZIITEK περιλαμβάνουν τεχνολογίες θερμαντήρα με βάση πολυιμίδιο και σιλικόνη, με προσαρμοσμένα σχέδια ικανά περίπουΠυκνότητα ισχύος 1–2 W/cm², ανάλογα με το σχέδιο και την εφαρμογή.

Τα συστήματα θέρμανσης πρέπει να σχεδιάζονται μαζί με αισθητήρες θερμοκρασίας και αλγόριθμους ελέγχου για την αποφυγή υπερβολικών κλίσεων θερμοκρασίας ή υπερθέρμανσης.

Οι αρχιτεκτονικές Cell-to-pack (CTP) μειώνουν ή εξαλείφουν ορισμένες παραδοσιακές δομές μονάδων.

Το IDTechEx ανέφερε ότι τα σχέδια CTP μπορούν να μειώσουν σημαντικά την ποσότητα του TIM που χρησιμοποιείται επειδή η αρχιτεκτονική αφαιρεί ορισμένες από τις διεπαφές που σχετίζονται με τις συμβατικές μονάδες.

Ωστόσο, η μείωση του αριθμού των επιπέδων TIM δεν εξαλείφει την ανάγκη για προσεκτική μηχανική διεπαφής.

Σε ορισμένα σχέδια CTP, η εναπομείνασα διασύνδεση κυψέλης προς ψυχρή πλάκα γίνεται ακόμη πιο σημαντική.

Οι μηχανικοί μπορεί να χρειαστεί να διαχειριστούν:

• Μεγαλύτερες περιοχές διεπαφής

• Μεγαλύτερη διαφοροποίηση διαστάσεων

• Επέκταση κυττάρου

• Απαιτήσεις συμπίεσης

• Μακροχρόνια μηχανική σταθερότητα

• Θερμική αντίσταση

• Αυτοματοποιημένη εφαρμογή

Ως αποτέλεσμα, η τάση προς λιγότερα υλικά μπορεί πραγματικά να αυξήσει τις απαιτήσεις απόδοσης που τίθενται στα υπόλοιπα υλικά.

Η επιλογή υλικού θα πρέπει να ξεκινά με τη θερμική αρχιτεκτονική και όχι με έναν κατάλογο προϊόντων.

Μια πρακτική διαδικασία επιλογής περιλαμβάνει τα ακόλουθα βήματα.

Προσδιορίστε κάθε διεπαφή μεταξύ της κυψέλης παραγωγής θερμότητας και του ψυκτικού μέσου.

Για παράδειγμα:

Κυψέλη → TIM → Ψυχρή πλάκα → Ψυκτικό

Στη συνέχεια, εντοπίστε άλλες περιοχές όπου η θερμότητα πρέπει να μπλοκαριστεί, να εξαπλωθεί, να σφραγιστεί ή να παράγεται ενεργά.

Καθορίζω:

• Μέγιστη επιτρεπόμενη θερμοκρασία κυψέλης

• Μέγιστη διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ των κυττάρων

• Ρυθμός παραγωγής θερμότητας

• Στόχος θερμικής αντίστασης

• Περιοχή διεπαφής

• Αναμενόμενο εύρος θερμοκρασίας

Μη χρησιμοποιείτε τη θερμική αγωγιμότητα ως το μόνο κριτήριο επιλογής.

Μέτρο:

• Ελάχιστο κενό

• Μέγιστο κενό

• Ομαλότητα

• Τραχύτητα επιφάνειας

• Ανοχή εξαρτημάτων

• Εύρος συμπίεσης

Αυτές οι πληροφορίες καθορίζουν εάν είναι κατάλληλο ένα θερμικό επίθεμα, πληρωτικό διάκενου, κόλλα ή άλλη τεχνολογία διεπαφής.

Θεωρώ:

• Δύναμη συμπίεσης

• Σετ συμπίεσης

• Επέκταση κυττάρου

• Δόνηση

• Σοκ

• Διατμητική κίνηση

• Μακροχρόνια χαλάρωση του στρες

Ένα TIM πρέπει να παραμένει λειτουργικό καθ' όλη τη διάρκεια της μηχανικής ζωής της μπαταρίας.

Ανάλογα με τη θέση του, το υλικό μπορεί να χρειαστεί:

• Ηλεκτρική μόνωση

• Διηλεκτρική αντοχή

• Επιβραδυντικότητα φλόγας

• Χαμηλό καπνό

• Χαμηλή εξάτμιση

• Συμμόρφωση RoHS

• Συμμόρφωση REACH

Οι αξιολογήσεις σε επίπεδο υλικού θα πρέπει πάντα να ελέγχονται σε σχέση με τις πραγματικές απαιτήσεις OEM και συστήματος.

Ένα εξαιρετικό τεχνικά υλικό μπορεί να είναι ακόμα ακατάλληλο εάν δεν μπορεί να κατασκευαστεί αποτελεσματικά.

Αξιολογώ:

• Δυνατότητα κοπής μήτρας

• Ταχύτητα διανομής

• Απαιτήσεις ανάμειξης

• Χρόνος θεραπείας

• Συμβατότητα αυτοματισμού

• Αξιοποίηση υλικού

• Απαιτήσεις επανεργασίας

• Διάρκεια ζωής

Για την παραγωγή μπαταριών EV μεγάλου όγκου, η συμβατότητα της διαδικασίας κατασκευής μπορεί να έχει σημαντικό αντίκτυπο στο συνολικό κόστος.

Τέλος, δοκιμάστε το υλικό στην πραγματική συσσώρευση μπαταριών.

Οι σχετικές αξιολογήσεις μπορεί να περιλαμβάνουν:

• Θερμική ανακύκλωση

• Δόνηση

• Γήρανση με συμπίεση

• Γήρανση υγρασίας

• Θερμική αντίσταση

• Προσκόλληση

• Σετ συμπίεσης

• Ηλεκτρική μόνωση

• Δοκιμές που σχετίζονται με τη φωτιά και τη διάδοση

Για υλικά θερμικής διεπαφής, το ASTM D5470 είναι μια συνήθως χρησιμοποιούμενη μέθοδος για τη μέτρηση των ιδιοτήτων θερμικής μετάδοσης θερμικά αγώγιμων ηλεκτρικών μονωτικών υλικών.

Οι συνθήκες δοκιμής—συμπεριλαμβανομένης της πίεσης, του πάχους και της διαμόρφωσης δοκιμής—θα πρέπει πάντα να αναφέρονται επειδή η θερμική αντίσταση εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τις πραγματικές συνθήκες διεπαφής.

Πριν επιλέξετε ένα υλικό για ένα πρόγραμμα μπαταρίας EV, αξίζει να ρωτήσετε τον προμηθευτή αρκετές πρακτικές ερωτήσεις.

Μην βασίζεστε αποκλειστικά στη διαφημιζόμενη τιμή W/m·K.

Ζητώ:

• Μέθοδος δοκιμής

• Πίεση

• Πάχος γραμμής σύνδεσης

• Θερμοκρασία

• Δείγμα διαμόρφωσης

Ζητήστε καμπύλες συμπίεσης και απόδοση σε όλο το πραγματικό εύρος διακένου.

Για πληρωτικά κενού, ρωτήστε σχετικά:

• Εξοπλισμός διανομής

• Αναλογία ανάμειξης

• Ζωή σε γλάστρα

• Προφίλ θεραπείας

• Ακρίβεια διανομής

Ζητήστε δεδομένα για:

• Θερμική ανακύκλωση

• Γήρανση σε υψηλή θερμοκρασία

• Υγρασία

• Σετ συμπίεσης

• Άντληση ή μετανάστευση

• Σταθερότητα πρόσφυσης

Τα σχέδια μπαταριών συχνά απαιτούν προσαρμογή:

• Πάχος

• Γεωμετρία

• Σκληρότητα

• Θερμική αγωγιμότητα

• Προσκόλληση

• Επιβραδυντικότητα φλόγας

• Ηλεκτρική μόνωση

Ένας προμηθευτής ικανός να υποστηρίζει τη σύνθεση και τη μετατροπή μπορεί να μειώσει τον χρόνο ανάπτυξης.

Η θερμική αρχιτεκτονική μιας μπαταρίας EV σπάνια λύνεται με ένα υλικό.

Ένα τυπικό πακέτο μπορεί να συνδυάζει:

Θερμικά επιθέματα + Θερμικά τζελ + Μόνωση + Φραγμοί πυρκαγιάς + Αφροί στεγανοποίησης + Διανομείς θερμότητας + Μεμβράνες θέρμανσης

Κάθε υλικό εκτελεί διαφορετική λειτουργία.

Η ZIITEK, για παράδειγμα, παρέχει υλικά θερμικής διεπαφής, υλικά σφράγισης από αφρό σιλικόνης και ευέλικτες λύσεις θέρμανσης για εφαρμογές ηλεκτρικών οχημάτων και νέας ενέργειας. Το τρέχον χαρτοφυλάκιο EV περιλαμβάνει θερμικά τζελ για διεπαφές κυψέλης προς ψυχρή πλάκα, θερμικά επιθέματα σειράς TIF, αφρό σιλικόνης Z-FOAM800 και λύσεις θέρμανσης Kheat.

Η αξία μιας ολοκληρωμένης προσέγγισης υλικών δεν είναι απλώς η ύπαρξη περισσότερων προϊόντων. Είναι η ικανότητα αξιολόγησης τουΟλόκληρη η θερμική, μηχανική, ηλεκτρική και περιβαλλοντική στοίβαξηως ένα σύστημα.

Δεν υπάρχει παγκόσμιο καλύτερο TIM. Τα θερμικά επιθέματα είναι συχνά κατάλληλα για ελεγχόμενα κενά και απλή συναρμολόγηση, ενώ τα διανεμόμενα θερμικά δοχεία πλήρωσης είναι πλεονεκτικά για μεταβλητά κενά και πολύπλοκες γεωμετρίες. Η σωστή επιλογή εξαρτάται από τη θερμική αντίσταση, το διάκενο, τη συμπίεση, την ηλεκτρική μόνωση, τη διαδικασία κατασκευής και τις απαιτήσεις αξιοπιστίας.

Όχι απαραίτητα. Τα υγρόψυκτα πακέτα μπαταριών απαιτούν μια ελεγχόμενη θερμική διασύνδεση μεταξύ των εξαρτημάτων που παράγουν θερμότητα και της δομής ψύξης, αλλά αυτή η διεπαφή μπορεί να είναι ένα θερμικό μαξιλαράκι, θερμική γέλη, πληρωτικό διάκενου, κόλλα ή άλλη τεχνολογία TIM.

Ένα θερμικό επίθεμα είναι ένα προ-σκληρυμένο στερεό υλικό διεπαφής, ενώ ένα θερμικό τζελ ή πληρωτικό διάκενου διανέμεται σε μορφή υγρού ή γέλης και συμμορφώνεται με την πραγματική γεωμετρία διεπαφής. Τα τακάκια είναι γενικά πιο εύκολο στο χειρισμό, ενώ τα τζελ μπορούν να παρέχουν καλύτερη συμμόρφωση για μεταβλητά ή μεγαλύτερα κενά.

Τα μονωτικά υλικά μπορούν να μειώσουν την πλευρική μεταφορά θερμότητας και να βοηθήσουν στην επιβράδυνση της θερμικής διάδοσης μεταξύ των γειτονικών κυψελών. Ανάλογα με την εφαρμογή, μπορούν να ληφθούν υπόψη υλικά όπως αφρός σιλικόνης, αερογέλη, μαρμαρυγία και κεραμικά φύλλα.

Γενικά, όχι. Το PCM μπορεί να απορροφήσει μια πεπερασμένη ποσότητα θερμότητας κατά τη διάρκεια μιας μετάβασης φάσης και επομένως να ρυθμίσει τις θερμικές κορυφές μικρής διάρκειας. Δεν αφαιρεί συνεχώς θερμότητα και κανονικά χρειάζεται να λειτουργεί με κατάλληλο μηχανισμό απόρριψης θερμότητας.

Οι θερμαντικές μεμβράνες παρέχουν ελεγχόμενη θερμότητα κατά τη λειτουργία σε χαμηλή θερμοκρασία. Μπορούν να βοηθήσουν να φέρουν τα κύτταρα σε μια κατάλληλη θερμοκρασία πριν ή κατά τη φόρτιση, ιδιαίτερα σε ψυχρά κλίματα.

Δεν υπάρχει καθολικός στόχος W/m·K. Η θερμική απόδοση εξαρτάται από τη θερμική αγωγιμότητα, το πάχος, την αντίσταση επαφής, την πίεση, τη γεωμετρία της διεπαφής και τη συνολική διαδρομή θερμότητας. Η θερμική αντίσταση υπό ρεαλιστικές συνθήκες συναρμολόγησης είναι συχνά πιο χρήσιμη από την αγωγιμότητα μόνη της.

Σημαντικές παράμετροι περιλαμβάνουν το σετ συμπίεσης, το εύρος θερμοκρασίας, την απορρόφηση νερού, την επιβράδυνση φλόγας, τις διηλεκτρικές ιδιότητες, την περιβαλλοντική αντίσταση και τον πραγματικό σχεδιασμό συμπίεσης του περιβλήματος. Οι απαιτήσεις IP θα πρέπει να αξιολογούνται σε επίπεδο συστήματος.

Ορισμένοι προμηθευτές υλικών προσφέρουν πολλαπλές τεχνολογίες—συμπεριλαμβανομένων θερμικών μαξιλαριών, θερμικών τζελ, αφρού σιλικόνης, διανομέων θερμότητας και φιλμ θέρμανσης—οι οποίες μπορούν να απλοποιήσουν την πιστοποίηση υλικών και την ενσωμάτωση του συστήματος. Ωστόσο, κάθε υλικό πρέπει να επικυρωθεί σε σχέση με τη συγκεκριμένη σχεδίαση της μπαταρίας και τις απαιτήσεις OEM.

Η διαχείριση της θερμικής μπαταρίας EV γίνεται όλο και περισσότερο απρόκληση για τη μηχανική υλικών όσο και μια πρόκληση συστήματος ψύξης.

Η αρχιτεκτονική ψύξης καθορίζει πού μπορεί να πάει η θερμότητα. Τα υλικά καθορίζουν πόσο αποτελεσματικά φτάνει η θερμότητα σε αυτόν τον προορισμό - και πού πρέπει να μπλοκάρει, να εξαπλωθεί, να σφραγιστεί ή να παραχθεί η θερμότητα.

Για ένα σύγχρονο πακέτο μπαταριών EV, η αποτελεσματική θερμική διαχείριση μπορεί να απαιτεί έναν συντονισμένο συνδυασμό:

Υλικά θερμικής διεπαφής

• Υλικά Διασποράς Θερμότητας

• Θερμομόνωση

• Φράγματα πυρκαγιάς

• Υλικά Σφράγισης

• Ταινίες θέρμανσης

Επομένως, η πιο αξιόπιστη στρατηγική επιλογής υλικού είναι να μην αναζητήσετε ένα μόνο «καλύτερο» θερμικό υλικό. Αντίθετα, οι μηχανικοί θα πρέπει να χαρτογραφήσουν την πλήρη θερμική διαδρομή της μπαταρίας, να καθορίσουν τις απαιτήσεις κάθε ζώνης, να αξιολογήσουν τη θερμική και μηχανική απόδοση υπό ρεαλιστικές συνθήκες και να επικυρώσουν την πλήρη συναρμολόγηση πριν από την παραγωγή.

Καθώς οι αρχιτεκτονικές μπαταριών εξελίσσονται προς κυψέλη σε συσκευασία, υψηλότερη ενεργειακή πυκνότητα και ταχύτερη φόρτιση, η σημασία αυτής της προσέγγισης ολοκληρωμένου υλικού θα συνεχίσει να αυξάνεται.