Тепловое управление является одной из самых важных инженерных задач в современном проектировании аккумуляторов электромобилей.

По мере того, как аккумуляторные батареи двигаются к более высокой плотности энергии, более быстрой зарядке, более высокой мощности и более компактной архитектуре, контролировать температуру ячейки становится все труднее.Сама система охлаждения - лишь одна часть решенияМатериалы, помещенные между ячейками, охлаждающими конструкциями, корпусами упаковки и другими компонентами, определяют, насколько эффективно тепло может перемещаться или насколько эффективно его можно блокировать.

По этой причине тепловое управление батареей следует рассматривать как сочетаниеохлаждение, теплопередача, изоляция, герметика, теплораспределение и активное отоплениеа не как единая технология охлаждения.

Хорошо спроектированная система теплового управления аккумуляторами обычно использует несколько технологий материалов, причем каждый материал выбирается в зависимости от его конкретного местоположения и функции в упаковке.

Литий-ионные батареи чувствительны к рабочей температуре. На производительность батареи, поведение старения, способность зарядки и безопасность могут повлиять температура.

Многие стратегии теплового управления батареями электромобилей направлены на поддержание температуры ячейки в контролируемом рабочем окне, обычно около15°40°CИсследования также подчеркнули важность точного контроля температуры для производительности батареи.безопасность и срок службы.

Проблема заключается в том, что система охлаждения может эффективно контролировать температуру только тогда, когда тепло может достичь охлаждающей среды.

Жидкая холодная плита, канал охлаждающей жидкости или воздушный поток устанавливают граничное состояние охлаждения.

Например:

Клетка → TIM → холодная пластина → охладитель

Если интерфейс содержит микроскопические воздушные пробелы, недостаточное сжатие или чрезмерную толщину линии связи,тепловой путь может стать узким уголком даже при наличии у самой системы охлаждения достаточной мощности.

Вот почему выбор материала является важной частью проектирования теплового управления батареей.

Современный аккумулятор содержит несколько различных тепловых и защитных зон.

Каждая зона выполняет другую функцию и поэтому требует другой материальной стратегии.

Этот зоновый подход облегчает выбор материала, поскольку инженер может сначала определитьчто должен делать каждый интерфейси затем выберите подходящий класс материала.

Интерфейс ячейки-холодной плиты является одним из самых важных тепловых путей в жидкоохлаждаемой электромобильной батарее.

Цель проста:

Минимизировать тепловое сопротивление между теплогенерирующей ячейкой и охлаждающей структурой.

Теплопроводность воздуха составляет всего около0.026 W/m·K, так что неконтролируемые воздушные пробелы могут значительно увеличить сопротивление интерфейса.

Тепловые интерфейсные материалы заполняют эти пробелы и создают более непрерывный тепловой путь.

Три наиболее распространенных подхода:

• Тепловые подушки

• Диспансерированные тепловые заполнители

• Термопроводящие клеи

Тепловые подушки - это соответствующие твердые листы, которые помещаются между компонентом батареи и охлаждающей структурой.

Они доступны в силиконовых и несиликоновых составах и могут быть обрезаны на заказ.

К типичным преимуществам относятся:

• Нет процесса отверждения

• Легкая установка

• Точная геометрия резки

• Хорошая электрическая изоляция в изоляционных классах

• Повторная обработка во многих приложениях

• Контролируемая толщина

К важным параметрам отбора относятся:

• Теплопроводность

• Тепловое сопротивление

• Толщина

• Твердость

• Поведение сжатия

• Диэлектрическая прочность

• Комплект сжатия

• Рабочая температура

Само по себе высокое значение теплопроводности не гарантирует хорошую производительность приложения.

Например, очень жесткая подкладка может иметь отличную проводимость, но требует чрезмерного давления для достижения интимного контакта с поверхностью.Более мягкий материал может обеспечить лучшее соответствие при более низком давлении.

Поэтому инженеры должны оцениватьтепловое сопротивление при фактическом давлении сборки и толщине линии связи, вместо того, чтобы выбирать материал только по его рейтингу W/m·K.

Распределяемые заполнители пробелов особенно полезны, когда интерфейсный пробел варьируется в аккумуляторной сборке.

В отличие от предварительно вырезанной подложки, жидкое или гелевое заполнитель может соответствовать фактической геометрии интерфейса.

Это делает технологию привлекательной для:

• Интерфейсы "элементы" и "холодные пластины"

• Архитектуры "cell-to-pack"

• Модули батарей большой площади

• Комплексные стойкостные стеки

• Автоматизированные производственные линии

Существуют одночастичные и двухчастичные препараты.

Одночастичные материалы предназначены для контролируемого отверждения в соответствии с условиями, установленными производителем, в то время как двухчастичные системы смешиваются и отверждаются после распределения.

К основным преимуществам относятся:

• Отличное соответствие поверхности

• Большая способность заполнять пробелы

• Низкое механическое напряжение

• Совместимость автоматизированной дозировки

• Уменьшенная зависимость от геометрии предварительно вырезанной подкладки

Основными соображениями при изготовлении являются:

• Объем распределения

• Соотношение смешивания для двухчастичных систем

• Продолжительность жизни горшка

• Время заживления

• Требования к оборудованию

• Контроль линий облигаций

• Стратегия переработки

Для производства больших объемов батарей эти процессовые факторы могут быть столь же важны, как и теплопроводность.

Выбор между подложкой и распределяемым заполнителем зависит в первую очередь от геометрии интерфейса и производственного процесса.

Ни одна из этих технологий не является универсально лучшей.

Правильный выбор зависит отдиапазон разрыва, степень допустимых потерь, требования к сжатию, объем производства и целевая температура.

Некоторые интерфейсы аккумуляторов требуют как теплопередачи, так и механической установки.

Теплопроводящие клеи могут обеспечивать постоянную связь, одновременно проводя тепло от компонента.

Они могут рассматриваться для:

• Постоянное прикрепление компонента

• Структурные тепловые интерфейсы

• Приложения, связанные с шины

• Установка теплораспределителя

• Компоненты, для которых нежелательны механические крепежные устройства

Теплопроводящие ленты могут обеспечить более простой метод сборки для более легких компонентов.

Однако в целом клеи и ленты менее удобны для переработки, чем тепловые подкладки.

Не все тепловые проблемы вызваны плохой вертикальной теплопередачей.

Крупные призматические клетки и пакетовые клетки также могут испытывать температурные градиенты по всей их поверхности.

В этих ситуациях теплораспределяющие материалы могут распределять тепло по бокам, прежде чем оно достигнет основного охлаждающего интерфейса.

Материалы на основе графита и графена являются примерами анизотропных тепловых материалов, которые могут обеспечивать высокую теплопроводность в плоскости.

В зависимости от архитектуры материала, теплораспределители на основе графита могут достигать очень высоких значений проводимости в плоскости, в некоторых коммерческих продуктах превышающих1,000 W/m·K.

Эти материалы обычно используются в качестве части теплового накопителя, а не в качестве прямой замены первичного TIM.

Упрощенной структурой может быть:

Клетка → теплораспределитель → TIM → холодная плита

Распределитель тепла помогает снизить концентрацию местной температуры, в то время как TIM обеспечивает тепловой контакт с охлаждающей конструкцией.

Материалы с фазовым изменением (PCM) поглощают тепло во время фазового перехода.

Это делает их полезными для применения, где тепловая нагрузка содержит короткие пики.

Например, аккумулятор может испытывать временное увеличение генерации тепла во время:

• Быстрая зарядка

• Ускорение высокой мощности

• Регенеративное торможение

• Высокоточные разряды

PCM может поглощать часть этого преходящего тепла и уменьшать скорость повышения температуры.

Однако PCM не следует рассматривать как замену активной системы охлаждения.

Материал имеет конечную латентную теплоемкость.

Следовательно, PCM наиболее эффективен, когда он интегрирован с соответствующей системой отталкивания тепла.

В литературе обзора 2024 года по термическому управлению аккумуляторами электромобилей подходы, основанные на PCM, определяются как одна из важных технологий пассивного или гибридного теплового управления.

В то время как некоторые части аккумулятора должны эффективно передавать тепло, другие области должны делать прямо противоположное.

Между клетками могут потребоваться материалы, замедляющие тепловое распространение и обеспечивающие электрическую изоляцию.

Общие материальные технологии включают:

Покрытия на основе аэрогеля могут обеспечивать очень низкую теплопроводность в тонкой структуре.

Их главным преимуществом является эффективность теплоизоляции.

Однако может потребоваться механическая защита, поскольку некоторые аэрогелевые конструкции могут быть чувствительны к сжатию, абразию и обработке.

Силиконовая пенка обеспечивает сочетание:

• Теплоизоляция

• Прокладка

• Восстановление от сжатия

• Сопротивление окружающей среде

• Электрическая изоляция

• Опции огнеупорности

Например, семейство Z-FOAM800 ZIITEK включает в себя сорта с теплопроводностью около00,06 W/m·K, UL 94 V-0 и температурные возможности приблизительно до 200°C, в зависимости от конкретного класса.

Мика и керамические листы могут обеспечивать электрическую изоляцию и защиту от высоких температур.

Они часто рассматриваются для применения, когда материал должен выдерживать сильное тепловое воздействие или обеспечивать физический барьер между компонентами батареи.

Подходящий материал зависит от архитектуры батареи, сценария теплового события и применимых требований безопасности.

Теплоизоляция сама по себе не может предотвратить каждый случай безопасности батареи.

Полноценная стратегия смягчения теплового оттока может включать:

• Управление системой управления батареями

• Мониторинг клеток

• Теплоизоляция

• Огнеупорные барьеры

• Конструкции вентиляции

• Конструкция механического корпуса

• Системы охлаждения

• Огнеупорные материалы

Стандарты и методы испытаний, такие какUL 2596может использоваться для оценки тепловых и механических характеристик материалов корпуса аккумулятора в условиях, представляющих собой тепловое отключение.

Важно отметить, что результаты испытаний на уровне материала не должны интерпретироваться как прямые гарантии безопасности батареи на уровне системы.Конструкция ячейки и конфигурация для конечного использования.

Термоуправление батареей тесно связано с охраной окружающей среды.

Оборудование батареи должно защищать внутренние компоненты от воды, пыли, влажности, вибрации и температурных циклов.

Поэтому уплотнительный материал должен поддерживать сжатие и уплотнительную силу на протяжении всего требуемого срока службы.

К важным спецификациям относятся:

• Комплект сжатия

• Водопоглощение

• Температурный диапазон

• Сдерживание пламени

• Прочность и разрывные свойства

• Диэлектрическая прочность

• Сопротивление окружающей среде

• Толерантность резки штампом

Для применений, требующих задержки пламени,UL 94 V-0UL описывает UL 94 V как классификацию воспламеняемости материалов на основе определенных условий испытаний.

Требования к защите от проникновения, такие как:IP67 или IP68может также применяться в зависимости от корпуса батареи и спецификации OEM.

Силиконовая пенопласт может объединить в одном материале функции уплотнения, амортизации и изоляции.

Серия Z-FOAM800 от ZIITEK, например, включает в себя классы, предназначенные для герметизации корпуса батареи и тепловой защиты.UL 94 V-0 огнеупорность и высокая температурная устойчивость, с точными значениями в зависимости от класса.

Для применения в батареях инженеры должны оценить полную конструкцию уплотнения, а не выбирать материал уплотнения, основанный только на компрессионном наборе.

Материал, геометрия канавки, соотношение сжатия, допустимые отклонения и воздействие окружающей среды влияют на долгосрочную эффективность уплотнения.

Термоуправление батареей - это не только удаление тепла.

В условиях низкой температуры аккумулятор также может нуждаться в нагревании до или во время зарядки.

Низкие температуры могут уменьшить доступную мощность и производительность зарядки.в зависимости от химической структуры клеток и условий зарядки.

Таким образом, гибкие нагревательные элементы могут быть интегрированы в аккумуляторные батареи для повышения температуры ячейки до соответствующего рабочего диапазона.

Общие технологии включают:

Полимидные нагреватели предлагают:

• Тонкая конструкция

• Малый вес

• Высокая гибкость

• Специальные схемы отопления

• Хорошая термостойкость

Силиконовые резиновые обогреватели предлагают:

• Гибкая конструкция

• Хорошая экологическая устойчивость

• Механическая долговечность

• Специальные зоны отопления

• Совместимость со структурами батарейных комплектов

Решения ZIITEK для нагревателей Kheat включают технологии нагревателей на основе полиамида и силикона, с индивидуальными конструкциями, способными приблизительноПлотность мощности 1 ‰ 2 Вт/см2, в зависимости от конструкции и применения.

Системы отопления должны быть спроектированы вместе с датчиками температуры и алгоритмами управления, чтобы избежать чрезмерных температурных градиентов или перегрева.

Архитектура CTP уменьшает или устраняет некоторые традиционные структуры модулей.

IDTechEx сообщила, что конструкции CTP могут существенно уменьшить количество используемых TIM, потому что архитектура устраняет некоторые интерфейсы, связанные с обычными модулями.

Однако сокращение количества слоев TIM не исключает необходимости тщательной разработки интерфейсов.

В некоторых конструкциях CTP, оставшийся интерфейс ячейки-холодной пластины становится еще более важным.

Инженерам может потребоваться управлять:

• Большие площади интерфейсов

• Большая вариация размеров

• Расширение клеток

• Требования к сжатию

• Долгосрочная механическая стабильность

• Тепловое сопротивление

• Автоматизированное применение

В результате тенденция к сокращению количества материалов может фактически увеличить требования к производительности, предъявляемые к оставшимся материалам.

Выбор материала должен начинаться с тепловой архитектуры, а не с каталога продукции.

Практический процесс отбора включает следующие этапы.

Определить все интерфейсы между теплогенерирующей ячейкой и охлаждающей средой.

Например:

Клетка → TIM → холодная пластина → охладитель

Затем определите другие области, где тепло должно быть заблокировано, распределено, запечатано или активно вырабатывается.

Определить:

• Максимально допустимая температура ячейки

• Максимальная разница температуры между ячейками

• Скорость производства тепла

• Целевое тепловое сопротивление

• Площадь интерфейса

• Ожидаемый температурный диапазон

Не используйте теплопроводность как единственный критерий отбора.

Меры:

• Минимальный разрыв

• Максимальный разрыв

• Плоскость

• Грубость поверхности

• Толерантность компонентов

• Диапазон сжатия

Данная информация определяет, является ли целесообразным использование тепловой подложки, заполнителя пробелов, клея или другой технологии интерфейса.

Рассмотрим следующие факты:

• Сила сжатия

• Комплект сжатия

• Расширение клеток

• Вибрация

• Шок

• Движение стрижки

• Длительное облегчение стресса

TIM должен оставаться функциональным на протяжении всего механического срока службы аккумулятора.

В зависимости от места расположения материала может потребоваться:

• Электрическая изоляция

• Диэлектрическая прочность

• Сдерживание пламени

• Низкий уровень дыма

• Низкий выброс газов

• Соответствие требованиям RoHS

• Соответствие REACH

Показатели уровня материала всегда должны быть проверены с учетом фактических требований к ОЭС и системе.

Технически превосходный материал может оказаться непригодным, если его невозможно изготовить эффективно.

Оценить:

• Способность к резке штампом

• Скорость подачи

• Требования к смешиванию

• Время заживления

• Совместимость автоматизации

• Использование материалов

• Требования к переработке

• Срок годности

Для большого объема производства электромобильных батарей совместимость производственного процесса может оказать значительное влияние на общую стоимость.

Наконец, испытайте материал в аккумуляторе.

Соответствующие оценки могут включать:

• Тепловой цикл

• Вибрация

• Сжатие

• Воздушная влажность

• Тепловое сопротивление

• Присоединение

• Комплект сжатия

• Электрическая изоляция

• Испытания, связанные с пожаром и распространением

Для тепловых интерфейсных материалов ASTM D5470 является одним из широко используемых методов для измерения свойств теплопередачи теплопроводящих электрических изоляционных материалов.

Условия испытания, включая давление, толщину и конфигурацию испытания, всегда должны быть указаны, поскольку тепловой импеданс в значительной степени зависит от фактических условий интерфейса.

Перед выбором материала для программы аккумуляторов для электромобилей стоит задать поставщику несколько практических вопросов.

Не полагайтесь только на объявленное значение W/m·K.

Попросите:

• Метод испытания

• Давление

• Толщина линии связи

• Температура

• Конфигурация образца

Попросите кривые сжатия и производительность в пределах фактического диапазона разрыва.

Для заполнения пробелов спросите:

• Оборудование для распределения

• Соотношение смешивания

• Продолжительность жизни горшка

• Профиль лечения

• Точность подачи

Запрошенные данные для:

• Тепловой цикл

• Высокотемпературное старение

• Влажность

• Комплект сжатия

• Выкачка или миграция

• Стабильность сцепления

Дизайн батареи часто требует настройки:

• Толщина

• Геометрия

• Твердость

• Теплопроводность

• Присоединение

• Сдерживание пламени

• Электрическая изоляция

Поставщик, способный сформулировать и преобразовать поддержку, может сократить время разработки.

Тепловая архитектура электромобильных батарей редко решается одним материалом.

Типичная упаковка может включать:

Тепловые подушки + тепловые гели + изоляция + противопожарные барьеры + уплотнительные пены + теплораспределители + тепловые пленки

Каждый материал выполняет разную функцию.

Например, ZIITEK поставляет материалы для тепловых интерфейсов, силиконовые пенопластиковые уплотнители и гибкие решения для отопления электромобилей и новых источников энергии.Его текущий портфель электромобилей включает в себя тепловые гели для интерфейсов ячейки и холодной пластины, тепловые подушки серии TIF, силиконовая пенка Z-FOAM800 и растворы нагрева Kheat.

Ценность интегрированного подхода к материалам заключается не только в наличии большего количества продуктов.Целый тепловой, механический, электрический и экологический наборкак единая система.

Не существует универсального лучшего TIM. Тепловые подушки часто подходят для контролируемых пробелов и простой сборки, в то время как диспенсируемые тепловые заполнители являются выгодными для переменных пробелов и сложной геометрии.Правильный выбор зависит от теплового импеданса, разрыв, сжатие, электрическая изоляция, производственный процесс и требования надежности.

Не обязательно. Жидкоохлаждаемые аккумуляторы требуют контролируемого теплового интерфейса между компонентами, генерирующими тепло, и охлаждающей структурой, но этот интерфейс может быть тепловой подушкой,термогель, наполнитель пробелов, клей или другая технология TIM.

Тепловая подкладка представляет собой предварительно отвержденный твердый интерфейсный материал, в то время как тепловой гель или заполнитель пробелов подается в жидком или гелевом виде и соответствует фактической геометрии интерфейса.С подкладками обычно легче обращаться, в то время как гели могут обеспечить лучшее соответствие для переменных или больших пробелов.

Изоляционные материалы могут уменьшить боковую передачу тепла и помочь замедлить тепловое распространение между соседними ячейками.могут рассматриваться слюна и керамические листы.

PCM может поглощать конечное количество тепла во время фазового перехода и, следовательно, буфер краткосрочных тепловых пиков.Он не постоянно удаляет тепло и обычно должен работать с соответствующим механизмом отталкивания тепла..

Нагревательные пленки обеспечивают контролируемое отопление при низкой температуре работы и помогают привести клетки к подходящей температуре до или во время зарядки, особенно в холодном климате.

Не существует универсальной цели W/m·K. Тепловая производительность зависит от теплопроводности, толщины, контактного сопротивления, давления, геометрии интерфейса и общего теплового пути.Тепловой импиданс при реалистичных условиях сборки часто более полезен, чем только проводимость.

Важными параметрами являются набор сжатия, температурный диапазон, поглощение воды, задержка пламени, диэлектрические свойства, сопротивление окружающей среде и фактическая конструкция сжатия корпуса.Требования к ИС должны оцениваться на уровне системы.

Некоторые поставщики материалов предлагают множество технологий, включая тепловые подкладки, тепловые гели, силиконовые пены,теплораспределители и нагревательные пленки, которые могут упростить квалификацию материалов и интеграцию системТем не менее, каждый материал все еще должен быть проверен в соответствии с конкретным дизайном батареи и требованиями OEM.

Тепловое управление аккумуляторами электромобилей становится все болееИнженерные материалы - это проблема, как и проблема системы охлаждения..

Архитектура охлаждения определяет, куда может идти тепло. Материалы определяют, насколько эффективно тепло достигает этого пункта назначения и где вместо этого тепло должно быть заблокировано, распределено, запечатано или генерируется.

Для современного аккумуляторного комплекта электромобилей эффективное тепловое управление может потребовать скоординированной комбинации:

Материалы теплового интерфейса

• Материалы, распространяющие тепло

• Теплоизоляция

• Огневые барьеры

• Материалы уплотнения

• Нагревательные пленки

Поэтому наиболее надежной стратегией отбора материалов является не поиск одного "лучшего" теплового материала.определить требования каждой зоны, оценивать тепловые и механические характеристики при реалистичных условиях и проверять полную сборку перед производством.

Поскольку архитектура батареи развивается в направлении "cell-to-pack", более высокой плотности энергии и более быстрой зарядки, важность этого интегрированного материального подхода будет только расти.