Введение
Производители автомобилей заметили, что зарядка и разрядка аккумуляторов электромобилей генерируют значительное количество тепла, и управление тепловыделением имеет решающее значение для терморегулирования элементов батареи. Часто плохое контактное соединение или неравномерное охлаждение внутри батарейных блоков могут приводить к образованию зон перегрева, что сокращает срок службы батареи, а в некоторых крайних случаях может привести к тепловому разгону. Следовательно, эффективная работа батарейного блока, его безопасность и долговечность зависят от того, насколько эффективно можно управлять тепловыделением в элементах.
Таким образом, в данной статье представлено подробное сравнение термопрокладок и термогелей, что поможет в выборе подходящего термоматериала для проектирования и производства продукции.
Батареи EV
Аккумулятор электромобиля — это перезаряжаемая батарея, изготовленная из литий-ионных элементов и предназначенная для питания тяжелой техники с высоким соотношением мощности к весу и плотностью энергии. Аккумуляторы электромобилей используются для подачи энергии постоянного тока к электродвигателю электромобиля (BEV) или гибридного электромобиля (HEV).
Исследования показывают, что заполнители зазоров способствуют более равномерному распределению тепла по ячейкам. По сравнению с батареями без эффективных заполнителей зазоров, модули батарей, использующие высокоэластичные заполнители зазоров, демонстрируют более равномерное распределение температуры (около ±2 °C), на 15–20% более медленный темп повышения температуры (в условиях интенсивной эксплуатации, когда теплопередача минимальна), снижение теплового сопротивления в местах соединения материалов и увеличение срока службы примерно на 30–50%. Эти экспериментальные результаты были получены при многократной зарядке и разрядке батарей электромобилей.
Таким образом, правильный выбор материалов (термопрокладок или термогелей) может улучшить рассеивание тепла и теплопередачу между элементами аккумуляторного блока и охлаждающими клеммами.
пакеты для батарей
Аккумуляторные батареи представляют собой системы хранения энергии (ESS), являющиеся важнейшими компонентами электромобилей и предназначенные для обеспечения электропитанием всей системы, гарантируя её оптимальную работу. Энергия хранится в различных цилиндрических ячейках, соединенных друг с другом в аккумуляторном блоке, как показано на рисунке ниже. Блоки состоят из множества ячеек, соединенных последовательно и параллельно для образования высоковольтной батареи, и работают за счет преобразования накопленной химической энергии в электрическую. Технология, лежащая в основе этих систем хранения энергии, значительно способствовала замене традиционных двигателей внутреннего сгорания на электромобили (BEV).
Использование термоинтерфейсных материалов (ТИМ) имеет решающее значение в батареях электромобилей, поскольку позволяет не превышать требуемые тепловые параметры, обеспечивая тем самым оптимальную производительность и безопасность. Эти материалы предотвращают перегрев, который может сократить срок службы батареи, как между компонентами, так и системой охлаждения, что крайне важно для поддержания срока службы и эффективности аккумуляторного блока.
В процессе производства батарей создаются микроскопические воздушные зазоры для обеспечения «дыхания» и «расширения» батареи, которые определяют тепловые и механические свойства элементов. «Дыхание» относится к изменению, происходящему между активными компонентами анода и катода, вызывая внутреннее механическое напряжение внутри батареи, отсюда необходимость улучшения тепловых контактов элементов. «Расширение» представляет собой постепенное увеличение толщины из-за побочных реакций, связанных со старением, таких как рост пассивирующего слоя и осаждение лития, что увеличивает внутреннее напряжение элемента. Эти явления распространены в литий-ионных батареях.
Теплопроводящие материалы предназначены для устранения этих микроскопических воздушных зазоров путем заполнения пустот, создавая тем самым эффективный путь для передачи тепла между твердыми поверхностями и другими элементами.
Теплопроводящие материалы (ТПМ), их роль и характеристики
Теплопроводящие материалы — это материалы, размещаемые между двумя твердыми поверхностями. В батареях электромобилей эти материалы обычно размещаются между внешней поверхностью батарейного элемента и охлаждающей пластиной внутри батареи. Это делается с целью снижения теплового сопротивления на границе раздела за счет заполнения макроскопических и микроскопических зазоров.
Зазоры между двумя поверхностями возникают из-за производственных допусков, установленных для ячейки, охлаждающей пластины и узла. Другие факторы, создающие зазоры, включают шероховатость поверхности, набухание ячейки во время циклической работы и деформацию охлаждающей пластины. В аккумуляторных системах электромобилей теплопроводящие материалы соединяют несовершенные поверхности для улучшения распределения тепла от ячеек к охлаждающим узлам и пассивным теплоотводам. Эти материалы могут быть представлены в виде проводящих прокладок, гелей (жидких или полужидких наполнителей зазоров), клеев, материалов с фазовым переходом или смазок.
В системах управления батареями электромагнитные помехи сводятся к минимуму при использовании проводящих корпусов, специальных покрытий и стратегического размещения компонентов в качестве решения для минимизации излучения и восприимчивости к электромагнитным помехам.
Работоспособный теплопроводящий материал определяется несколькими характеристиками. К этим характеристикам относятся следующие:
- материалы должны обладать хорошей теплопроводностью.
- легко наносится,
- стабильный в течение длительного периода времени,
- обладают высокой устойчивостью к газам и химическим веществам.
- и изготовлены из негорючего материала.
Что такое термопрокладки и термогели?
Термопрокладки и гели — это теплопроводящие материалы, обычно используемые для заполнения мельчайших зазоров между компонентом и радиатором с целью эффективной передачи тепла.
Как уже упоминалось, термоинтерфейсные материалы (ТИМ) работают за счет заполнения микроскопических воздушных зазоров, существующих между источниками тепла и охлаждающими конструкциями. Поскольку воздух обладает низкой теплопроводностью, небольшие пустоты могут значительно увеличить сопротивление. Использование мягких и эластичных прокладок обеспечит плотный контакт и повысит эффективность теплопередачи.
Термопрокладки
Термопрокладки — это твердые материалы, изготовленные из комбинации силиконовой основы и высокотеплопроводных наполнителей, таких как керамика и металлические частицы. Они сжимаются примерно до 10–50% от своей первоначальной толщины и часто используются из-за своей толщины для заполнения предсказуемых зазоров между компонентами и радиаторами. Сжатие позволяет уменьшить количество воздуха, захваченного в результате теплового контакта. Еще одна причина сжатия заключается в том, что они помогают компенсировать производственные допуски и механические напряжения на компоненте.
Электроизоляционные площадки легко устанавливаются (то есть, методом "захват и перемещение"), поскольку являются электроизоляционными материалами, обеспечивающими хорошую электрическую изоляцию, что помогает предотвратить короткие замыкания в электронных сборках. Они часто используются в автоматизированном производстве и эффективны в управлении тепловыми процессами и рассеивании тепла.
Термическая паста
Термопасты или гели также называют жидкостными заполнителями зазоров или термоинкапсулирующими гелями. Термогели более гибкие и мягкие, так как они текучие или пастообразные. При использовании такая термопаста остается мягкой и плотно прилегает к поверхности. Они также эффективно смачивают, заполняют микронеровности и адаптируются к различным зазорам в местах нанесения, что приводит к уменьшению микроскопических воздушных пузырьков и повышению термического сопротивления. Некоторые из них классифицируются как легкоотверждаемые силиконы, а некоторые — как незатвердевающие. В целом, это эффективные материалы для управления теплом.
Заполнители зазоров
Исследования показали, что наполнители превосходят прокладки по снижению термостойкости, поскольку наполнители идеально повторяют шероховатость поверхности. Наполнители в батареях электромобилей состоят из четырех модулей. Это включает в себя две водяные пластины сверху и снизу модуля, а наполнитель заполняет пустоты, отделяя охлаждающие контакты от ячеек и корпуса.
Заполнители пустот играют решающую роль в управлении энергией нагреваемых тел по ряду причин: они улучшают электрическую изоляцию, обеспечивают гашение вибраций и способны улучшить охлаждение между ячейками и контактами.
Теплопроводность
Значение теплопроводности для типичного термогеля составляет от 2.0 Вт/м·К до 4.5 Вт/м·К. Этот диапазон ставит гель между стандартными термопрокладками и высококачественной термопастой по теплопроводности. Лабораторные испытания термогелей подтвердили, что эффективная теплопроводность гелей в реальных условиях полностью соответствует исследуемым поверхностям. Математически эффективная тепловая эффективность определяется формулой (X: Эффективная тепловая эффективность = Теплопроводность × Толщина ÷ Контактное тепловое сопротивление). Следовательно, в сценариях с небольшими пустотами (например, <0.3 мм) гели обеспечивают лучшее решение, обеспечивая высокую степень сжатия и плотное прилегание к поверхности. Но когда речь идет о больших пустотах, прокладка может быть лучшим вариантом, поскольку она обеспечивает лучшую структурную поддержку. Гели часто страдают от проблем с высыханием или вытеканием. В термопрокладках теплопроводность находится в диапазоне от 1 до 20 Вт/м·К в зависимости от материалов и качества.
Хорошая теплопроводность
Как правило, теплопроводность измеряется в ваттах на метр-кельвин (Вт/м·К), и существуют параметры, определяющие хорошую теплопроводность материалов. Эти материалы, как уже упоминалось, могут быть в виде подушек, гелей или паст. Хорошая теплопроводность определяется как способность материала, используемого в системах охлаждения электроники, эффективно передавать тепло, обычно превышающую 3 Вт/м·К.
Термопрокладки против термогелей
| Характеристика | Термальный гель | Термальная подушка |
|---|---|---|
| Стиль приложения | Термогелевые наполнители наносятся непосредственно на поверхность и требуют точного контроля, как правило, с помощью автоматического дозатора. Они более устойчивы и менее склонны к высыханию по сравнению с жировыми, например, силиконовыми наполнителями для зазоров. | Термопрокладки устанавливаются непосредственно на место без дополнительной обработки, так как они нарезаются по размерам, что упрощает их использование в определенных областях применения. |
| Процедуры отверждения или затвердевания | Процесс затвердевания требует много времени, поскольку включает использование тепла или давления. Термогелям необходимо время для высыхания, чтобы достичь оптимальной теплопроводности, так как этот процесс применим только к герметикам, таким как RTV и силиконовые герметики. Однако подавляющее большинство термопаст/гелей не являются твердыми. | Термопрокладки производятся в готовом к использованию виде. Поэтому их не нужно сушить, так как их установка проста в процессе монтажа. |
| Характеристики теплопроводности | Благодаря способности термогелей заполнять микроскопические воздушные пустоты, они обеспечивают превосходную теплопроводность и эффективное снижение температуры. | С другой стороны, термопрокладки обладают более низкой теплопроводностью с точки зрения снижения температуры. Однако они эффективно используются в других областях терморегулирования. |
| Рассмотрение стоимости | Выбор материала — один из параметров, определяющих стоимость. Другие параметры включают монтаж, время применения и долгосрочную надежность. При рассмотрении стоимости за единицу продукции, термогель или паста стоят дороже из-за их способности служить в течение длительного периода, примерно 7-10 лет. Это свойство делает гели экономически выгодными во многих областях применения. | Если сравнивать термопрокладки и гели с точки зрения снижения стоимости, то прокладки оказываются дешевле в применении, чем гели. |
Распространенное заблуждение относительно термопрокладок и термогелей
В литературе встречаются заблуждения, которые противоречат инженерным фактам о термопрокладках и термогелях. Эти заблуждения выявлены и обсуждаются ниже.
Термопроводящие адгезионные свойства
В большинстве научных работ утверждается, что адгезионные свойства термопаст обеспечивают очень прочное соединение после затвердевания, что затрудняет их разделение под воздействием термических нагрузок или вибрации. Однако это утверждение является серьезным заблуждением в инженерной практике, и принимать его на веру — ошибка. Пасты/гели не обладают никакой структурой и не обеспечивают прочного соединения. Вибрация в упаковке возникает из-за конструктивных особенностей, силы сжатия и способа упаковки. Поэтому большинство термопрокладок, в отличие от гелей, обычно не обладают адгезионными свойствами и легко заменяются. Некоторые другие сохраняют свои герметизирующие свойства, но со временем ослабевают из-за воздействия экстремально высоких температур, хотя и сохраняют свои теплопроводящие свойства.
Классификация показателей теплопроводности является ложным стандартом.
В литературе упоминается, что существуют общие правила охлаждения электроники, согласно которым материал с показателем теплопроводности ниже 1 Вт/м·К считается «плохим». Аналогично, материал с показателем от 1 до 3 Вт/м·К считается обладающим «удовлетворительным» охлаждением электроники. 3–6 Вт/м·К считается хорошим охлаждающим свойством. 6–10 Вт/м·К считается очень хорошим, а выше 10 Вт/м·К — отличным. Однако признанного инженерного стандарта с такой классификацией не существует. Качество теплопроводности в значительной степени зависит от толщины и условий на границе раздела фаз. Это классификация, созданная в маркетинговых целях, а не на основе здравого инженерного смысла.
Скорость отвода тепла
Тепло передается от горячей поверхности к холодной поверхности, контактирующей друг с другом, посредством теплопроводности. Процесс, посредством которого горячие поверхности передают эту энергию подушечкам и гелям, происходит через установившееся термическое сопротивление на границе раздела (ΔT). Следовательно, ошибочное представление о том, что скорость отвода тепла выше у подушечек, является заблуждением, поскольку не существует такого понятия, как более быстрая теплопроводность подушечек и более медленная теплопроводность гелей.
Различия в эффективности термопрокладок и термогелей.
Способность заполнять пробелы
Термопасты отлично заполняют неровные или шероховатые поверхности между источниками и потребителями тепла. Они заполняют микроскопические пустоты, обеспечивая оптимальный тепловой контакт. Термопрокладки, напротив, имеют готовую форму и обладают ограниченной способностью заполнять сильно неровные поверхности.
Простота в использовании
Для термопаст или гелей требуется точное смешивание и нанесение, но это может быть более сложным процессом. Термопрокладки просты в использовании и подходят для массового производства, поскольку требуют точного нанесения.
Устойчивость к неровностям поверхности
Термопасты отлично подходят для использования на шероховатых поверхностях. Термопрокладки же, напротив, показывают себя с лучшей или плохой стороны при использовании на шероховатых или неровных поверхностях.
Возможность повторной обработки
Повторное использование термопаст требует минимальных усилий, в то время как для термопрокладок этот показатель высок. Однако в некоторых случаях рекомендуется не использовать термопрокладки повторно, поскольку во время установки они сжимаются, а при снятии легко рвутся или теряют адгезию, что изменяет их форму и толщину, снижая тем самым их тепловые характеристики.
Чистота
При использовании термопасты поверхность после применения выглядит неопрятно. В то время как при использовании термопрокладки упаковка выглядит чистой и аккуратной после использования.
Другие TIM
Термоинтерфейсные материалы регулируют температуру в тяговых пакетах, эффективно оптимизируя процесс теплопередачи между ключевыми компонентами для обеспечения их эффективного рассеивания. Помимо гелей и подушечек, упомянутых выше, существуют и другие термоинтерфейсные материалы, помогающие в управлении температурой.
Клейкие ленты
Эти ленты двусторонние и служат для склеивания компонентов, обеспечивая эффективную передачу тепла, а также диэлектрическую изоляцию и механическую стабильность. Они широко используются для крепления датчиков, распределителей или нагревателей, поскольку позволяют обойтись без дополнительных креплений, обеспечивая тем самым стабильное состояние.
Тепловые барьеры
Эти барьеры разработаны для защиты от неконтролируемого распространения тепла. В некоторых конструкциях блоков между группами ячеек используются изоляционные барьеры, такие как листы слюды, керамические волокна или аэрогелевые маты, чтобы замедлить распространение тепла при возникновении неисправностей. Эти барьеры работают, направляя горячую энергию в каналы охлаждения и предотвращая нежелательную передачу тепла между ячейками.
Пасты и смазки
Эти материалы заполняют микроскопические воздушные пустоты между плотно прилегающими друг к другу поверхностями, такими как ячейки и охлаждающие пластины. Они представляют собой вязкие соединения и действуют за счет улучшения межфазного контакта, эффективно увеличивая теплопередачу в компактных конструкциях.
Гибкие графитовые листы
Эти листы обеспечивают высокую теплопроводность, изолируя тепло между соседними компонентами. Они предотвращают чрезмерное выделение тепла во время быстрой зарядки или в ненормальных условиях эксплуатации. Кроме того, они компенсируют пустоты, возникающие в результате производственных допусков, и обеспечивают стабильные пути охлаждения.
Хотя жидкие наполнители по-прежнему используются в некоторых областях, в крупномасштабном производстве электромобилей они все чаще заменяют прокладки.
Результаты исследований термогелей и термопрокладок
Большинство исследований теплопроводящих материалов (например, тепловых гелей и тепловых прокладок) показали, что тепловые гели имеют более низкое тепловое сопротивление, чем тепловые прокладки, несмотря на сопоставимую объемную теплопроводность. Однако тепловые гели идеально повторяют шероховатость микроскопических поверхностей и тем самым снижают тепловое сопротивление на границе раздела, тем самым облегчая теплопередачу.
Кроме того, в опубликованном аналитическом отчете содержится следующее: Лорд Сотрудничество Было доказано, что гели отводят больше тепла и обеспечивают минимальную температуру батареи, чем прокладки с аналогичной теплопроводностью. Результаты исследований также показали, что даже при моделировании производственных допусков или пустот гели все равно превосходят прокладки по эффективности отвода тепла, что является распространенным заблуждением в инженерной практике. Однако теплоотводящие прокладки быстрее изнашиваются при увеличении количества пустот.
С точки зрения стабильности и надежности, ЛипополимерКомпания, производящая теплопроводящие материалы, сообщила, что термогель может сохранять свои высокие эксплуатационные характеристики в течение 7-10 лет. Таким образом, этот отчет доказывает, что гель выдерживает обширные испытания на старение, поскольку не окисляется в присутствии влаги при воздействии воздуха. Это помогает противостоять термической деградации, обеспечивая надежную работу даже в сложных условиях. Такая стабильность имеет решающее значение для поддержания эффективного управления теплопередачей.
В реальных аккумуляторных батареях гибкость поверхности играет более важную роль, чем теплопроводность. Это объясняется тем, что материал с высокой теплопроводностью, но плохой гибкостью поверхности, все же может создавать более высокое эффективное тепловое сопротивление, чем материал с более низкой теплопроводностью, который, как правило, идеально смачивает поверхности.
Заключение
Как правило, выбор между термогелем и термопрокладкой зависит от проектных требований или условий применения, таких как тепловые характеристики или размер заполняемого зазора. Термогели хорошо прилегают к поверхностям, но их использование обходится дорого. Термопрокладки дешевле, но не идеально прилегают к некоторым шероховатым поверхностям; они недороги и отлично работают в других областях применения. Таким образом, можно заключить, что как прокладки, так и гели универсально хороши в зависимости от области применения.
