Все аккумуляторные батареи для электромобилей спроектированы таким образом, чтобы обеспечивать стабильное и эффективное охлаждение, однако инженеры по-прежнему сталкиваются с перепадами температуры, локальными перегревами и ячейками батареи, которые нагреваются сильнее, чем ожидалось. В большинстве случаев эти проблемы возникают не из-за серьезных конструктивных ошибок. Они обусловлены настолько незначительными факторами, которые не принимаются во внимание в процессе производства. А из-за таких зазоров тепло не может циркулировать должным образом, что приводит к повышению температуры под нагрузкой.
В этой статье объясняется, почему образуются зазоры, как допуски влияют на тепловое сопротивление и что инженеры могут сделать для их устранения. Но для начала следует разобраться, почему эти зазоры возникают между ячейками и охлаждающими пластинами.
Почему между клетками и охлаждающими пластинами образуются зазоры?
Зазоры, ухудшающие тепловые характеристики, редко возникают случайно. Они формируются в результате повседневных условий внутри блока, которые постепенно определяют положение каждой ячейки относительно пластины.
Вот основные факторы, объясняющие образование этих пробелов:
Допуски при сборке аккумуляторных модулей
Все аккумуляторные модули изготавливаются с допусками. Допуск — это ограниченная степень отклонения, допустимая при изготовлении детали изделия. Один из них может быть на долю миллиметра выше, другой — на долю миллиметра шире, а третий — на полдюйма более выпуклым снизу. Само по себе это делает эти отклонения незначительными. Но в блоке из сотен элементов, расположенных друг над другом...
В этом случае охлаждающая пластина перестает равномерно прилегать ко всем ячейкам. Некоторые ячейки полностью соприкасаются с пластиной, другие — частично, а некоторые едва касаются. В результате давление распределяется неравномерно по поверхности, что увеличивает тепловое сопротивление и создает зоны, где тепло не может эффективно рассеиваться. Эта проблема часто особенно заметна в призматических ячейках, поскольку их жесткая форма усиливает даже мельчайшие отклонения. Это также является проблемой для ячеек в виде пакетов, поскольку они легче скользят внутри рамки.
Именно здесь на помощь приходят материалы с высокой теплопроводностью. Они помогают отводить тепло даже при неидеальном механическом контакте, но не могут эффективно работать, если зазоры становятся слишком большими.
Шероховатость поверхности и микроскопические неровности
Поверхность может казаться гладкой, но на самом деле она не плоская. Под микроскопом металлы имеют выступы и впадины, которые уменьшают фактическую площадь контакта между батарейным элементом и охлаждающей пластиной. Две поверхности могут соприкасаться, но только в части своей видимой площади.
Эта неравномерность на микроскопическом уровне увеличивает тепловое сопротивление. Тепло имеет меньше путей для распространения, поэтому элементы начинают удерживать больше энергии внутри, особенно при больших нагрузках. Это также одна из наиболее распространенных причин, по которой инженеры прибегают к использованию неорганических теплопроводящих заполнителей. Эти материалы обладают теплопроводностью, достаточно мягкие, чтобы заполнять мельчайшие дефекты поверхности, и достаточно прочные, чтобы улучшить соединение между элементами и охлаждающей пластиной. При правильном применении они минимизируют зазор между охлаждающей пластиной и аккумуляторным элементом и повышают эффективность теплопередачи без необходимости существенной переработки конструкции.
Набухание клеток и изменения механического напряжения
Идеально собранный аккумуляторный блок не останется неизменным со временем. Аккумуляторные элементы разбухают по мере старения, а также во время циклов зарядки и разрядки. Это разбухание может увеличивать или уменьшать контактное давление в различных точках внутри модуля. Элемент, изначально имеющий хороший контакт, может постепенно потерять контакт с охлаждающей пластиной.
Такие незначительные движения приводят к нестабильному давлению внутри системы. Компоненты могут деформироваться в зонах чрезмерного давления. В зонах с недостаточным давлением образуются новые зазоры, в которых задерживается тепло. Обе эти проблемы ослабляют общую конструкцию. Эффективность терморегулирования данного аккумуляторного блока.
Именно поэтому многие инженеры используют сжимаемые материалы, которые, как ожидается, будут стабильны в долгосрочной перспективе. Эти материалы помогают поддерживать давление в контакте даже в процессе расширения или сжатия ячейки, продлевая срок службы и повышая производительность модуля.
Как зазоры увеличивают тепловое сопротивление и снижают эффективность охлаждения
Зазоры между элементом батареи и охлаждающей пластиной создают каскад тепловых проблем, которые подрывают всю систему охлаждения. Когда тепло не может свободно поступать к охлаждающей пластине, становится сложнее контролировать температуру, и батарейный блок становится неэффективным. Проще говоря, вот основные причины, по которым эти зазоры являются проблемой.
Воздух — плохой теплопроводник.
Теплопроводность воздуха очень низкая, что означает, что он не проводит тепло, а, наоборот, блокирует его. Именно поэтому даже небольшое воздушное пространство замедляет процесс охлаждения.
В сравнении с ними, теплопроводность теплопроводящих материалов и наполнителей зазоров значительно выше. Они герметизируют воздушные пузырьки и обеспечивают беспрепятственный отвод тепла из ячейки в охлаждающую пластину.
Проще всего это представить, сравнив ситуацию, когда вы кладёте что-то тёплое на твёрдый стол и на мягкую подушку. На столе тепло быстро перемещается, а на подушке остаётся внутри. Этот эффект также наблюдается внутри рюкзака, где между поверхностью и охлаждающей ячейкой существует воздушное пространство.
Контактное тепловое сопротивление (Rᴛᴄ) объяснено наглядно.
Когда поверхность ячейки не плотно прилегает к охлаждающей пластине, контактное тепловое сопротивление возрастает. Большее сопротивление означает худшую теплопередачу, и система охлаждения должна быть более эффективной для отвода тепла.
По мере увеличения зазора тепло отводится от элемента медленнее. Это приводит к непредвиденным колебаниям температуры внутри аккумуляторного блока, что затрудняет терморегулирование и управление производительностью. Эти незначительные различия накапливаются со временем и приводят к более значительным дисбалансам по всему блоку.
Критическое влияние на безопасность и срок службы батареи.
Плохая теплопередача влияет не только на эффективность. Во время быстрой зарядки элементы быстро нагреваются, и любое расстояние между ними снижает эффективность охлаждающей пластины. В результате повышается температура и увеличивается нагрузка на структуру элемента.
Если эти горячие точки сохранятся, батарея может быстрее изнашиваться, быстрее терять емкость или подвергаться более высоким рискам в экстремальных ситуациях. Неконтролируемые разрывы увеличивают риск возникновения условий, способствующих тепловому разгону.
Применение теплопроводящих материалов, надежных заполнителей зазоров и хорошо спроектированных систем жидкостного охлаждения может обеспечить поддержание оптимальной рабочей температуры и способствовать долговременной функциональности системы хранения энергии.
4 распространённые инженерные ситуации, приводящие к образованию зазоров между элементами батареи и охлаждающими пластинами.
Зазоры редко возникают из-за одной большой ошибки. Они являются результатом обыденных инженерных реалий внутри аккумуляторного модуля, где даже незначительные отклонения накапливаются и нарушают контакт между элементами и охлаждающей поверхностью.
Ниже перечислены наиболее распространенные причины появления зазоров, ограничивающих способность модуля эффективно передавать тепло.
- Различия в высоте или толщине ячеек (производственная изменчивость)
Каждый поставщик работает в пределах допустимых отклонений, и эти отклонения влияют на электромобили сильнее, чем ожидает большинство инженеров. Когда элементы поступают с небольшими различиями в высоте или толщине, блок перестает равномерно сжиматься. Даже доля миллиметра нарушает постоянный контакт, снижая эффективную теплопроводность и замедляя передачу тепла к охлаждающей пластине.
В сотнях ячеек эти различия накапливаются. Некоторые ячейки плотно прижимаются к охлаждающей структуре, в то время как другие лишь слегка прилегают к ней. Эта разница приводит к неравномерному распределению температуры внутри батарейных систем, что влияет на производительность и увеличивает потребление энергии, поскольку охлаждающие компоненты работают с большей нагрузкой, чтобы компенсировать это.
- Проблемы с плоскостностью или деформацией холодных пластин
Холодные пластины, особенно алюминиевые, редко остаются идеально ровными после интеграции в модуль. Допуски при механической обработке, расположение крепежных элементов и температурные циклы могут вызывать незначительные деформации.
Даже при незначительном изгибе пластины появляются зоны плохого контакта, препятствующие плавной передаче тепла и снижающие эффективность систем жидкостного или пассивного охлаждения. Этот эффект становится более заметным со временем, поскольку пластина расширяется и сжимается во время циклов зарядки и разрядки.
- Недостаточная сила сжатия или неравномерное зажимание
Эффективность охлаждения в электромобилях во многом зависит от постоянного сжатия. Когда давление сжатия меняется по всей поверхности модуля, некоторые участки плотно прилегают друг к другу, в то время как другие отслаиваются, образуя зоны, замедляющие охлаждение.
Неравномерное сжатие обычно возникает из-за конструкции кронштейнов, неравномерного момента затяжки крепежных элементов или естественного накопления допусков во время сборки. Эти несоответствия нарушают тепловой поток и создают дополнительную нагрузку на контур охлаждения. активная система охлаждения Пытаемся стабилизировать температуру.
- Силиконовые прокладки или конструктивные элементы, вызывающие накопление зазоров при штабелировании.
В конструкциях модулей часто используются силиконовые прокладки, изоляционные слои или несущие конструкции. Хотя это и необходимо, каждый добавленный слой увеличивает общий допуск на монтаж. По мере накопления этих допусков ячейки перестают плотно прилегать к охлаждающей пластине.
Даже материалы, предназначенные для улучшения охлаждения, могут работать против системы, когда высота блока превышает заданный диапазон. Это снижает эффективную теплопроводность, ограничивает эффективность охлаждения и способствует преждевременной потере производительности или сокращению срока службы батареи.
Как инженеры могут выявлять и измерять скрытые микрозазоры
Микрозазоры могут остаться незамеченными на этапе сборки, но в долгосрочной перспективе они определяют все аспекты конструкции аккумуляторного блока, его эффективность и общую производительность. Следующие методы помогают инженерам подтвердить качество контакта, измерить неровности поверхностей и понять, как каждая ячейка взаимодействует с охлаждающей пластиной:
Щупальца, лазерные сканеры и профилометрия
Для проверки качества контактов, особенно при проверке кромок и углов, а также мест, куда не поместится литий-ионный элемент, до сих пор используются простые инструменты, такие как щупы. Для более глубокого анализа лазерные сканеры и профилометрия поверхности позволяют получить подробную информацию о ровности, изменении высоты и микротекстуре компонентов.
Эти измерения показывают, где поверхность создает естественное теплоотводящее соединение, а где небольшие зазоры прерывают конвективную передачу тепла. Даже незначительные отклонения в электромобилях ограничивают контроль температуры и заставляют систему охлаждения работать на максимальной мощности, что требует больше электроэнергии для достижения желаемой температуры аккумуляторной батареи в жаркую погоду.
Пленки для картирования давления (метод предварительной шкалы Fuji)
Одним из наиболее эффективных и простых способов обеспечения фактического контакта модуля является использование пленок для картирования давления. Пленка выглядит темнее в областях высокого давления и светлее в областях слабого контакта между ячейкой и охлаждающей пластиной.
Эта визуальная схема представляет собой полную картину работы инженера. Она демонстрирует зоны сжатия, которые помогают минимизировать тепловое сопротивление а также области низкого давления, образующие карманы, которые замедляют скорость теплопередачи между источником тепла и охлаждающей пластиной.
При разработке аккумуляторных батарей для электромобилей картирование давления необходимо для подтверждения эффективности. термопары или материала интерфейса под нагрузкой, а также для подтверждения того, что все участки поверхности обеспечены необходимой опорой для повышения проводимости.
Прогностическое моделирование с использованием метода конечных элементов и цифровых двойников
Современные конструкции аккумуляторных батарей в значительной степени зависят от моделирования. Метод конечных элементов (МКЭ) и цифровые двойники помогают инженерам прогнозировать деформацию материалов, старение элементов и распространение тепла внутри батареи. Эти инструменты моделируют конвективный теплообмен, схемы сжатия и распределение тепла, чтобы выявить потенциальные микрозазоры еще до стадии создания прототипа.
Благодаря знанию процессов набухания, вибрации и циклического изменения структуры времени, инженеры могут вносить изменения в конструкцию на ранних этапах, улучшать конструкцию аккумуляторных батарей и повышать долговечность электромобилей.
Почему теплопроводящие материалы (ТПМ) важны для устранения зазоров
В последнее время инженеры все чаще полагаются на Материалы термоинтерфейса (TIM)Эти термоинтерфейсные материалы разработаны таким образом, чтобы плотно прилегать к неровным поверхностям, улучшать тепловой контакт и удерживать охлаждающую конструкцию в рабочем состоянии и при высоких температурах.
Следующие пункты объясняют, как термоинтерфейсные материалы помогают аккумуляторным батареям электромобилей оставаться стабильными и эффективными:
Заполнение невидимых микрозазоров для улучшения теплопередачи.
Даже когда поверхности кажутся плоскими, на них все равно присутствуют микроскопические выступы и впадины, которые задерживают воздух. Потому что воздух имеет плохую воздухопроницаемость. теплопроводностьЭти полости замедляют поток тепла между ячейкой и охлаждающей пластиной. Теплопроводящие наполнители зазоров решают эту проблему, заполняя зазоры и создавая непрерывный путь для перемещения тепла через охлаждающую структуру.
Это обеспечивает хорошую теплопроводность по всей поверхности контакта и поддерживает как пассивные, так и активные стратегии охлаждения, используемые автопроизводителями.
Поддержание постоянной температуры в камере (≤3–5°C)
В аккумуляторных батареях для электромобилей цель состоит не только в поддержании низкой температуры, но и в обеспечении её равномерности. Разница более чем в 3–5 °C между элементами может повлиять на скорость старения, режим зарядки и производительность. Термоинтерфейсные материалы помогают предотвратить такие колебания, создавая постоянное контактное давление и постоянный путь для отвода тепла.
Наличие элементов с более высоким теплоотводом обеспечивает более стабильную работу батареи, предотвращая её перегрев при быстрой зарядке, работе с большой нагрузкой или длительных поездках при высоких рабочих температурах.
Снижение контактного теплового сопротивления при переменной нагрузке
Вибрационные и расширительные циклы изменяют степень зажима компонентов во время работы. В отсутствие гибкого материала на границе раздела эти изменения увеличивают термическое сопротивление.
Сжимаемые теплопроводящие материалы, такие как прокладки, гели или материалы с фазовым переходом, обеспечивают постоянный тепловой контакт, адаптируясь к изменяющейся форме конструкции. Это предотвращает образование зон перегрева и делает температурный режим предсказуемым во время нормальной работы.
Какие типы термоинтерфейсных материалов лучше всего подходят для решения проблем с зазорами?
Для решения различных задач, связанных с зазорами, требуются разные типы TIM. Термопрокладки Обеспечивают стабильный, прочный слой в зонах с постоянным сжатием. Теплопроводящие заполнители зазоров хорошо подходят для неровных или смещающихся поверхностей, поскольку они заполняют все доступные пространства. Материалы с фазовым переходом размягчаются при рабочей температуре и образуют бесшовный тепловой путь.
Каждый из вариантов обеспечивает хорошую теплопроводность, надежное рассеивание тепла и недорогой способ повышения тепловых характеристик в конструкциях аккумуляторных блоков.
Внешние ресурсы и технические справочные материалы
Однако, по мере того как инженеры совершенствуют конструкцию аккумуляторного модуля, исследования продолжают указывать на тот же вывод: качество контакта может свести разрыв между теорией и практическими характеристиками к минимуму. Как показали недавние исследования производительности активных систем охлаждения, небольшое улучшение соответствия поверхностей может привести к заметному изменению теплопередачи в аккумуляторном блоке. Эти результаты согласуются с результатами большинства групп, проводивших испытания, особенно при улучшении теплового контакта под реальным рабочим давлением.
Другие отчеты групп по безопасности батарей указывают на еще одну закономерность. Недостатки остаются неустраненными, и разница температур первоначально будет постепенно увеличиваться, но при нагрузке на элементы она будет расти быстро. Исследователи называют это кривой предотвратимых отказов, и этого можно избежать, используя соответствующие материалы и сжатие. Это также объясняет, почему дополнительные программы по разработке электромобилей пересматривают свои первоначальные конструкции модулей: данные показывают, что разумный выбор материалов может повысить эффективность охлаждения, оставаясь при этом очень экономически выгодным.
В совокупности подобные публикации предоставляют инженерам нечто ценное. Они подтверждают ежедневные трудности, наблюдаемые в цехах, и дают фактические рекомендации по их устранению. И по мере того, как все больше автомобилей становятся мощнее, эти уроки будут продолжать влиять на то, как команды создают, разрабатывают и тестируют свои системы охлаждения следующего поколения.
Заключение
Высокая тепловая эффективность начинается на ранних этапах проектирования. Когда инженеры уделяют время изучению того, как каждая ячейка соприкасается с охлаждающей пластиной, они создают более прочную основу для своих аккумуляторных систем, способную выдерживать нагрузки. Небольшие воздушные зазоры на первый взгляд могут показаться безобидными, но они незаметно нарушают тепловой поток, ослабляют электрическую изоляцию и вызывают перепады температуры, которые проявляются позже во время быстрой зарядки или работы при высокой нагрузке. Именно поэтому следующие шаги так важны.
Проведение испытаний на надежность, проверка распределения давления и выбор материалов, обеспечивающих контакт при высоких скоростях и в реальных условиях, могут стать решающим фактором между стабильной системой и системой, которая выйдет из строя слишком рано, даже при работе с ограниченными финансовыми ресурсами.
Это, естественно, приводит к более глубокому вопросу, с которым сталкивается каждый инженер по мере развития этих конструкций: как выбрать подходящий материал, который сможет сохранять свою форму, оставаться стабильным под давлением и заполнять эти скрытые зазоры? Именно этому посвящена наша следующая статья, где мы обсудим, как выбрать правильный теплоизоляционный материал для заполнения микрозазоров.
CTA
Если ваша команда работает над улучшением тепловых характеристик аккумуляторных систем электромобилей, Компания JIUJU может оказать вам инженерную поддержку, основанную на реальных испытаниях. Нас интересует способность материала поддерживать стабильный контакт, обеспечивать высокую надежность и ограничивать его долгосрочное воздействие на окружающую среду.
Среди других технических ресурсов, которые мы предлагаем, есть команды специалистов, помогающие проводить сравнение материалов с высокой степенью достоверности. А если вам потребуется ясность при проектировании следующего этапа, наши инженеры с удовольствием поделятся своим опытом и помогут вам выбрать наиболее подходящие альтернативы.
