Воздушные зазоры в модулях аккумуляторных батарей электромобилей: решения и выбор материалов.

Непрерывные инновации, обусловленные растущим спросом на экологически чистые виды транспорта в автомобильной промышленности, привели к созданию батарей с исключительно высокой механической прочностью. В мире электромобильных батарей, сопряженном с высокими рисками , эффективное управление тепловым режимом является важнейшим фактором безопасности транспортного средства, которым нельзя пренебрегать.

Эффективное балансирование скорости зарядки, долгосрочной производительности батареи и распространения тепла является серьезной проблемой, стоящей перед автопроизводителями. Одним из наиболее пагубных факторов, препятствующих достижению этого баланса, является наличие воздушных полостей в батареях электромобилей.

Что такое воздушные зазоры? 

Воздушные зазоры — это микроскопические и макроскопические пустоты в компонентах батареи, являющиеся основной причиной повышенного сопротивления теплу, выделяемому внутри аккумуляторных батарей электромобилей. Воздушные зазоры в значительной степени влияют на равномерность распределения температуры, снижая теплоотвод и теплопроводность, особенно в сложных условиях быстрой зарядки и высокой нагрузки.

В этом подробном руководстве мы объясним, почему и как образуются пустые пространства в батареях электромобилей. как они оказывают критическое влияние на теплопроводностьпроизводительность батареи и какие конкретные материалы (заполнители зазоров) можно использовать для решения этих проблем.

Почему в аккумуляторных модулях электромобилей образуются воздушные зазоры?

В электромобилях зазоры в батареях — это не признак низкого качества сборки, а неизбежное физическое явление, возникающее в результате сочетания допусков механической сборки, свойств материалов и рабочего давления. Понимание причин образования воздушных зазоров — первый шаг к разработке решения этой проблемы.

Образование этих зазоров, действующих как изоляторы, может быть вызвано несколькими причинами. Образование воздушных зазоров обычно происходит во время проектирования или сборки аккумуляторного блока. В этом разделе мы рассмотрим некоторые возможные причины образования воздушных зазоров в аккумуляторных батареях электромобилей.

Допуски на размеры в ячейках и компонентах

Нет двух абсолютно идентичных компонентов. Каждый компонент конструкции аккумуляторного блока электромобиля, от отдельных ячеек до алюминиевой охлаждающей пластины, уникален и изготавливается с соблюдением определенных допусков и размеров.

• Вариации размеров клетокЛитий-ионные аккумуляторные элементы, независимо от их формы — цилиндрической, призматической или пакетообразной — демонстрируют незначительные различия в высоте, ширине и толщине. Призматический элемент высотой 90 мм может фактически иметь высоту 90.05 мм, в то время как соседний элемент будет иметь высоту 89.95 мм.
• Допуски при обработке холоднокатаной сталиРадиатор у основания батареи электромобиля также имеет свои специфические допуски по плоскостности и обработке. Более крупная пластина может иметь слегка деформированные поверхности или отклонения, приводящие к зазорам или вакууму.
• Накопление допусков штабелированияКогда вы соединяете десятки или сотни компонентов вместе, эти крошечные индивидуальные допуски накапливаются. Этот «допуск при соединении» может привести к значительным, непредсказуемым зазорам между нижней частью некоторых элементов батареи и охлаждающей пластиной, создавая неравномерный путь теплового контакта.

Шероховатость поверхности и микронеровность

Для обычного глаза поверхность элемента аккумуляторной батареи электромобиля может показаться идеально гладкой. Однако при более тщательном микроскопическом исследовании вы обнаружите шероховатую, неровную, неоднородную поверхность, характеризующуюся выступами и впадинами.

• Микроскопические пики и впадиныКогда две неровные поверхности прижимаются друг к другу, из-за того, что они не являются идеально плоскими, они вступают в тепловой контакт только в местах с большим удлинением. Поэтому между вершинами этих двух поверхностей образуется микроскопическая впадина, в результате чего формируется обширная сеть заполненных воздухом трещин.
• Фактическая площадь контакта против геометрической площадиФактическая площадь физического контакта может составлять всего 1-2% от геометрической поверхности. Оставшиеся 98-99% площади представляют собой лишь изолирующий слой воздуха, что значительно ограничивает равномерное рассеивание тепла.

Расширение ячейки во время циклов заряда-разряда

Литий-ионные аккумуляторные элементы не являются статичными объектами; они слегка сжимаются и даже иногда расширяются из-за циклов зарядки и разрядки.

• Набухание приводит к изменению уровня теплового контактного давления: Набухание и сжатие элементов батареи известны как изменение объема и изменяют механическое давление, приложенное к тепловому интерфейсу. По мере набухания элемент может сильно прижиматься к охлаждающей пластине, однако сжатие приводит к его разъединению, создавая новые или более крупные воздушные зазоры.
• Циклическая деформация создает микрозазоры: со временем и после более чем тысячи циклов постоянное механическое напряжение может привести к деградации термоинтерфейсных материалов. Это приводит к образованию новых воздушных полостей, которых не было при первоначальной сборке, что в конечном итоге ведет к снижению тепловых характеристик.

Несоосность при сборке и производственные ошибки

Сам процесс сборки является основным источником воздушных зазоров в батареях электромобилей, особенно если производственная линия работает в крупном масштабе. Ниже описаны способы образования воздушных зазоров внутри батарей электромобилей во время сборки:

• Неравномерное сжатиеВ процессе сборки обычно прикладывается усилие для сжатия модуля аккумуляторной батареи электромобиля, но иногда это делается не идеально равномерно по всему модулю. В конечном итоге это может привести к более тесному тепловому контакту между одними участками и более широким зазорам в других.
• Нестабильное давление в арматуреВозможны незначительные колебания давления, оказываемого крепежными элементами, используемыми в аккумуляторных батареях электромобилей, что может привести к несоответствиям между модулями.
• Отклонения плоскостностиДеформация корпуса аккумуляторной батареи электромобиля или отклонения в плоскости охлаждающей пластины могут привести к образованию больших, неровных зазоров, которые особенно трудно заполнить.

Критическое влияние воздушных зазоров в батареях электромобилей на тепловые характеристики батареи.

Наличие воздушных зазоров и пустых пространств в батареях электромобилей — это не просто неудобство; это критический недостаток конструкции батареи, который в конечном итоге напрямую повлияет на безопасность пользователя, а также на срок службы и производительность аккумуляторного блока электромобиля. Воздух является отличным теплоизолятором, что прямо противоположно тому, что необходимо для правильной системы терморегулирования.

Итак, как воздушные зазоры в батареях электромобилей влияют на высокую теплопроводность батареи?

Повышенное тепловое сопротивление

Это показатель того, насколько сложно передавать тепло через материал. Воздух обладает чрезвычайно низкой теплопроводностью, всего около 0.025 Вт/м·К. В отличие от него, типичный теплопроводящий наполнитель зазора может иметь теплопроводность от 3.0 до 8.0 Вт/м·К, а иногда и выше. Воздушный зазор является тепловым барьером, поскольку он удерживает тепло внутри элементов батареи и предотвращает передачу тепла от источника тепла к активной системе охлаждения.

Неравномерность температуры (ΔT > 5–10 °C)

Наиболее разрушительное воздействие воздушных зазоров на батареи электромобилей заключается в неравномерности температуры по всему батарейному блоку. Ячейка, расположенная над большим воздушным зазором, будет нагреваться гораздо сильнее, чем ячейка с хорошим теплоотводом, что приводит к образованию опасных зон перегрева. Нередко батареи быстрее деградируют при высоких температурах. Разница температур (ΔT) более 5 °C между ячейками может привести к более быстрому старению и потере емкости более нагревающихся ячеек.

Снижена эффективность быстрой зарядки

Быстрая зарядка генерирует невероятное количество тепла за короткий промежуток времени. Система управления батареей (BMS) тщательно контролирует температуру элемента, ограничивая зарядный ток, если он увеличивается слишком быстро. Если тепло не может быть вовремя отведено из-за изолирующего эффекта воздушных зазоров, BMS ограничивает скорость зарядки. Это делается для предотвращения перегрева, что приводит к более длительному и неудобному времени зарядки для владельца электромобиля.

Риски для безопасности при высоких нагрузках и потенциальная возможность теплового разгона

Это наиболее критическое последствие. При высоких скоростях разряда (например, во время резкого ускорения) горячие точки, образованные пустыми пространствами в батареях электромобилей, могут довести температуру ячейки до безопасного предела. Если отдельная ячейка перегревается и переходит в состояние теплового разгона, огромное количество выделяемого тепла может вызвать каскадные отказы в соседних ячейках.

Инженерные решения для устранения воздушных зазоров в батареях электромобилей.

Для решения проблемы воздушных зазоров в батареях электромобилей необходим многогранный подход, сочетающий в себе интеллектуальное механическое проектирование и передовые достижения материаловедения. Ниже приведены некоторые конструктивные и инженерные решения, которые вы, как производитель электромобилей или руководитель проекта, можете использовать для устранения воздушных зазоров и улучшения распространения тепла.

Улучшение допусков при проектировании конструкций и производстве.

Первоочередная задача – минимизация зазоров с самого начала. Этого можно достичь за счет повышения точности обработки охлаждающих пластин, улучшения конструкции устройств (для более равномерной затяжки) и строгого контроля допусков при сборке. Однако достижение практически идеальных допусков, особенно в крупносерийном автомобильном производстве, невероятно дорого.

Оптимизировать стратегию сжатия

Крайне важно обеспечить равномерное прижимное усилие по всей длине аккумуляторного блока электромобиля. Благодаря продуманной конструкции компрессионных рам и постоянному давлению при сборке можно уменьшить зазоры, возникающие из-за производственных отклонений. Однако это не позволяет полностью устранить микроскопические зазоры. Если же это невозможно, то какое же решение будет наиболее надежным?

Применение теплопроводящих материалов (ТИМ)

Применение теплопроводящих материалов, несомненно, является наиболее эффективным и практичным решением. За счет заполнения воздушных зазоров в аккумуляторе электромобиля теплопроводящим материалом изолирующий воздух заменяется проводящим путем, предотвращая перегрев. Эти теплопроводящие материалы специально разработаны для того, чтобы соответствовать неровностям поверхности и обеспечивать непрерывный поток тепла от элементов батареи к радиатору. Наиболее распространенные типы, используемые в электромобилях, включают:

• Термопрокладки
• Термогели (заполнители зазоров)
• Термопасты
• Термозамазки (теплопроводящие заполнители зазоров)

Решения на основе термоинтерфейсных материалов (TIM) для заполнения воздушных зазоров в аккумуляторных батареях электромобилей (EV) и повышения производительности батарей.

Хотя улучшение допусков при проектировании и оптимизация стратегий сжатия могут оказаться полезными, наиболее эффективным и практичным решением является применение высокоэффективных теплопроводящих материалов (ТПМ). Эти материалы широкого спектра специально разработаны для соответствия неровностям поверхности и обеспечения непрерывного, бесшовного пути теплопередачи от элементов батареи к радиатору.

1. Термозаполнители (гели и шпатлевки): идеальное соответствие.

Термоизоляционные заполнительи работают за счет заполнения щелей и придания им нужной формы перед затвердеванием. После равномерного распределения этот заполнитель легко заполняет все щели вокруг ключевых элементов, полностью заполняя трещины различной высоты и формы и вытесняя изолирующий воздух.

В процессе полимеризации (при комнатной температуре или при слабом нагреве) образуется твердый, но при этом очень податливый монолитный блок теплопроводящего материала.

Эта непревзойденная адаптивность является ключом к их значительному увеличению срока службы батареи. Устраняя практически все воздушные полости, приводящие к высоким температурам, они создают максимально эффективный и равномерный путь теплопередачи. Это приводит к минимальному тепловому сопротивлению и наиболее равномерному температурному профилю по всему аккумуляторному модулю. 

Компания JIUJU разрабатывает свои высокоэффективные безсиликоновые герметики для зазоров с использованием передовых полимерных технологий, обеспечивая превосходное гашение вибраций и улучшение теплового контакта. С этим у других герметиков для зазоров могут быть проблемы.

2. Термопрокладки: надежное и стабильное решение.

Термопрокладки представляют собой предварительно отвержденные твердые листы на полимерной основе (обычно силиконе), в значительной степени заполненные теплопроводящими керамическими частицами. Они изготавливаются с точной толщиной и могут быть вырезаны в любую форму.

Термопрокладки работают за счет сжатия. При сборке аккумулятора электромобиля применяется механическое давление, в результате чего прокладка между элементами батареи и охлаждающей пластиной сжимается.

Присущая термопрокладке мягкость и гибкость позволяют ей слегка деформироваться, покрывая поверхности и заполняя как микроскопические поверхностные вакуумы, так и небольшие однородные макроскопические пространства. 

Правильно подобранная термопрокладка — ключевой фактор сохранения запаса хода автомобиля на протяжении всего срока его службы. Она идеально подходит для быстро работающих сборочных линий, обеспечивая превосходную стабильность размеров и электроизоляцию.

3. Термопаста: специалист по микрозазорам

Термопаста представляет собой неполимеризующуюся суспензию проводящих керамических частиц в жидкой силиконовой или несиликоновой основе. На протяжении всего срока службы этот термопроводящий клей сохраняет пастообразное состояние. Хотя термопаста не предназначена для заполнения больших макроскопических зазоров, она эффективно распределяется, образуя невероятно тонкий клеевой шов, при нанесении между двумя очень плоскими, гладкими поверхностями под высоким давлением зажима.

В подходящих условиях (например, в качестве радиатора процессора) термопаста может значительно снизить тепловое сопротивление и продлить срок службы компонентов. Однако в условиях сильной вибрации, например, в автомобильной промышленности, неполимеризующаяся природа батарей электромобилей ставит её в невыгодное положение. 

4. Гибридные термоинтерфейсные материалы: лучшее из двух миров.

Гибридные теплопроводящие материалы — это инновационный класс материалов, сочетающих в себе преимущества прокладок и наполнителей для обеспечения максимального теплоотвода. Как правило, такие материалы состоят из структурной основы, например, армированной стекловолокном прокладки, которая затем покрывается мягкой, высокоэластичной теплопроводящей пастой или гелем.

Такой двухступенчатый подход позволяет мягкому, гибкому материалу течь и беспрепятственно заполнять большие, неровные зазоры, подобно традиционному наполнителю. В то же время внутренний структурированный слой обеспечивает высокую механическую стабильность и предотвращает протекание материала, а также утечки под давлением и вибрацией. 

Примеры из практики: Решение реальных проблем, связанных с тепловым режимом электромобилей.

Истинные возможности термоинтеркалированного материала проявляются в его характеристиках в реальных условиях эксплуатации. Вот как правильный выбор решения помог производителям электромобилей решить важнейшие проблемы.

Пример из практики 1: Устранение проблем с быстрой зарядкой с помощью заполнителей зазоров JIUJU

Амбициозный и инновационный стартап в сфере электромобилей разрабатывал новый аккумуляторный блок, уделяя приоритетное внимание быстрой зарядке. В процессе проведения валидационных испытаний стартап обнаружил серьезную проблему: разница температур (ΔT) между самой горячей и самой холодной ячейками в аккумуляторном модуле достигала 8 °C.

Это вынудило систему управления батареей (BMS) ограничить зарядку. В ходе последующего анализа выяснилось, что производственные допуски привели к образованию переменных воздушных зазоров в батареях электромобилей, достигающих 1.5 мм.

После консультаций с инженерами компании JIUJU им удалось выбрать один из наших теплопроводящих заполнителей зазоров с хорошей теплопроводностью 5.0 Вт/м·К. С помощью роботизированного дозирующего оборудования двухкомпонентный гель был нанесен на охлаждающую пластину перед сборкой модуля. Результат оказался революционным.

Высокоэластичный гель идеально заполнял все пространства, независимо от их размера. На следующем этапе тестирования максимальная разница температур (ΔT) была снижена всего до 3 °C. Это позволило компании достичь поставленных целей по быстрой зарядке и увеличить ожидаемый срок службы аккумуляторного блока.

Пример из практики 2: Долгосрочная надежность, достигнутая с помощью гибридных термоинтеркаляционных материалов JIUJU.

Крупный поставщик автомобильных комплектующих первого уровня с цепочками поставок по всему миру столкнулся с отказами в эксплуатации электромобиля для бездорожья.

Сильные вибрации привели к утечке обычной термопасты между элементами батареи и радиатором в течение тысяч циклов. Это вызвало постепенное повышение температуры элементов и последующий выход батареи из строя.

Этому поставщику требовалось решение, которое обладало бы конформностью штукатурки, но при этом стабильностью подложки. Компания JIUJU предоставила одну из своих передовых гибридных систем. Уникальная структура материала обеспечивала высокую устойчивость к опорожнению, а мягкие, гибкие слои идеально заполняли неровные поверхности.

Новая конструкция аккумуляторного модуля прошла жесткие испытания на вибрацию и термический удар, выдержав 2,000 циклов, без ухудшения тепловых характеристик, что гарантирует долговременную надежность, необходимую для работы в сложных условиях.

Заключение

Воздушные зазоры в батареях электромобилей — практически неизбежное следствие реального производства. Эти зазоры представляют собой скрытую угрозу для производительности, безопасности и срока службы батареи. Хотя механические конструктивные решения и улучшения могут помочь, наиболее эффективным и надежным способом предотвращения перегрева является правильное применение современных теплопроводящих материалов.

Если вы, как производитель автомобилей или инженер, не позволите воздушным зазорам между батареями электромобилей поставить под угрозу ваш проект, сотрудничайте с всемирно известным производителем компонентов для терморегулирования и систем охлаждения общего назначения, который понимает науку теплопередачи и может предоставить вам необходимые материальные решения.

Обратитесь сегодня к нашей команде экспертов по теплопроводящим материалам, чтобы воспользоваться всеми следующими преимуществами:

• Индивидуальные решения для производителей электромобилей
• Бесплатное руководство по выбору термоинтерфейсного материала.
• Сравнительный отчет об эффективности наших новейших решений для заполнения пробелов.
• Примеры работ, заполнивших пробелы в знаниях, для оценки ваших навыков.