Řešení tepelného managementu pro balení elektroniky v EV

Elektronická vozidla (EV) jsou v posledních letech středem pozornosti. S tím, jak se automobilový průmysl více přizpůsobuje cílům udržitelného rozvoje, se pozornost přesunula směrem k elektromobilům a zlepšování jejich výkonu.

Řešení tepelného managementu pro balení elektroniky v elektrických vozidlech

Obrazový kredit: Roman Zaiets/ShutterStock

Udržování teploty a tepelné úrovně elektronických součástek, baterií a obalových materiálů v elektromobilech je složitý proces. Zaměření na lepší tepelný výkon zpočátku zahrnovalo výzkum bateriových článků, které jsou bezpečnější, odolnější a schopné odolat tepelnému vystavení.

Následně nabyla konstrukce bateriového pouzdra na významu v prevenci tepelných jevů, které by mohly vést k explozi, nebo přinejmenším zmírnit potenciální vážné následky v případě výbuchu. Účelná konstrukce bateriového obalu má za cíl udržet teplotu článků baterie v optimálním rozsahu.

Složitost balení elektroniky EV

Společnosti zabývající se balením se při manipulaci s EV potýkají s výraznými problémy – choulostivá povaha elektronických součástek používaných v EV vyžaduje specializovaná obalová řešení. Odlišný tvar a velikost dílů EV vyžaduje obaly šité na míru, aby je bylo možné bezpečně umístit.

Akumulátory jsou obecně mnohem větší než ty, které se nacházejí v konvenčních vozidlech, což vyžaduje odpovídající balení, které je ochrání před poškozením během cestování. Rostoucí poptávka po elektrických vozidlech také představuje výzvy týkající se objemu a škálovatelnosti v obalovém průmyslu.

Obalové materiály a design přijaté společnostmi jsou finalizovány s ohledem na velikost, hmotnost a jedinečný tvar baterie elektromobilu. Namísto konvenčních materiálů a jednoduchého designu používají moderní výrobci specializované typy obalů pro elektroniku těchto nových automobilů. Obal se skládá z tepelně izolované pěny, specializovaných nádob na zakázku a dodatečného doplňkového polstrování pro ochranu před nadměrnou silou.

Aby se snížila uhlíková stopa a emise škodlivých plynů, balicí společnosti se zaměřují na vývoj strategií, které minimalizují odpadní produkty a snižují oxid uhličitý (CO2) Výroba. To je zřejmé z použití biologicky odbouratelného obalového materiálu a optimalizace konvenčních výrobních procesů.

Jak systém tepelného managementu baterií zlepšuje tepelný výkon?

Lithium-iontové baterie (LIB) se široce používají k napájení moderních elektromobilů. Když je elektromobil v provozu, teploty elektronických součástek a baterií se zvyšují, což vyžaduje pečlivé sledování a údržbu. To je umožněno specializovaným systémem zvaným Battery Thermal Management System (BTMS).

Článek publikovaný v Baterie zdůrazňuje, že návrhy a strategie BTMS lze klasifikovat na základě jejich pracovních principů a chladicího materiálu používaného pro přenos tepla. Pracovní princip BTMS může zahrnovat buď přímý přenos mezi chladivem a bateriemi, nebo nepřímý chladicí systém začleněný do BTMS.

Nepřímého chlazení je dosaženo použitím potrubí, kterým se uvolňuje teplo. EV také používají různé typy materiálů chladicí kapaliny k zajištění optimální provozní teploty. BTMS mohou být vzduchem chlazené systémy, kapalinou chlazené nebo mohou jako chladicí materiál používat materiály s fázovou změnou (PCM).

Ve srovnání s jinými systémy tepelného managementu je BTMS využívající vzduch jako chladicí kapalinu relativně jednoduchý v konstrukci a nákladově efektivní. Velkým omezením těchto systémů se však stává nízká tepelná kapacita vzduchu. Naproti tomu kapalinou chlazený BTMS využívá kapalinu s vyšší tepelnou kapacitou než vzduch. Jako alternativa byly PCM, zejména ty na bázi parafínu, vyvinuty pro zvýšení tepelné kapacity a jsou široce doporučovány pro chlazení baterií elektrických vozidel.

BTMS na bázi PCM vykazuje vysokou účinnost a stabilní výkon, zejména v extrémních podmínkách. To je přičítáno schopnosti PCM ukládat teplo během procesu změny fáze. Je však důležité poznamenat, že materiály PCM mají obvykle nízkou tepelnou vodivost. PCM musí také po úplném roztavení projít procesem regenerace, aby si zachovala svou účinnost.

Tepelné řízení výkonové elektroniky EV: Vliv aditivní výroby

Konstrukce řešení tepelného managementu ovlivňuje spolehlivost a hustotu výkonu výkonové elektroniky (PE). V rozvíjejícím se prostředí EV průmyslu, který usiluje o zvýšení účinnosti a výstupního výkonu, musí chladicí systém efektivně zvládat přebytečné teplo generované v PE.

Podle článku zveřejněného v Transakce IEEE při elektrifikaci dopravyU elektromobilů převládají nepřímé, přímé a oboustranné způsoby chlazení, které tvoří 14 % až 33 % z celkového objemu trakčních střídačů. Vzhledem k tomu, že se však očekává, že se velikosti balení PE budou zmenšovat, problém rozptylování rostoucího tepla přetrvává. Pokračující výzkum se proto zaměřuje na zkoumání pokročilých technologií chlazení.

Výkonová polovodičová zařízení slouží jako stěžejní komponenty v PE systémech EV. Zvýšené teploty mohou vyvolat nežádoucí změny ve vlastnostech materiálu a mechanické namáhání vznikající v důsledku vysokých přechodných teplot nebo tepelných cyklů může vést k mechanickým poruchám nebo únavě. Výběr vhodných obalových materiálů hraje zásadní roli v prevenci těchto poruch.

Průlomy v oblasti aditivní výroby umožnily společnostem přepracovat chladiče, což vedlo k výraznému zlepšení tepelného výkonu elektrických vozidel. Automobilka Toyota použila aditivní výrobu k vývoji žeber vyrobených pomocí 3D tisku, což vedlo ke zlepšení toku tepla směrem ven.

Dodatečně byly začleněny pokročilé techniky chlazení, jako je náraz vzduchu. Aditivní výroba byla také použita k výrobě mikrokanálových chladičů pro dosažení vynikajícího tepelného výkonu.

Balení z polyuretanové (PU) pěny: Vylepšení elektroniky EV

Polyuretanová (PU) pěna se v poslední době používá při balení elektronických součástek EV. Lehká povaha pěnového obalu je významnou výhodou, protože baterie EV jsou již těžké. Použití PU pěny tedy vede ke značné úspoře hmotnosti ve srovnání s tradičními obalovými materiály.

PU pěna byla použita v různých studiích a prokázala vynikající tepelné vlastnosti. Umožňuje efektivní tok tepla ze zdroje do jímky a zajišťuje udržování optimální teploty při provozu vozidla. Když je udržována stabilní a optimální provozní teplota, minimalizuje se poškození baterií a zvyšuje se životnost elektronických součástek. Vlhkost nemůže projít tímto obalem, což zajišťuje, že součásti jsou bezpečné a fungují správně.

Nové materiálové bariéry a obaly pro Thermal Runaway Management

Tepelné úniky LIB mohou vznikat v důsledku mechanického a tepelného namáhání, což může vést k vážným vedlejším škodám, požárům nebo výbuchům. K řešení tohoto problému byl použit nový přístup (zveřejněný v International Journal of Heat and Mass Transfer) zahrnuje použití “inteligentního” netkaného elektrospun separátorového balení s tepelně spouštěnými vlastnostmi zpomalujícími hoření pro LIB.

Do separátoru se přidává trifenylfosfát (TPP) a během tepelného úniku dojde vlivem zvýšených teplot k roztavení ochranného polymerního obalu. Toto tavení spouští uvolňování samozhášecího TPP a účinně potlačuje spalování vysoce hořlavých elektrolytů.

Další inovativní řešení zahrnuje začlenění rychlého a reverzibilního termo-responzivního polymerního spínacího materiálu do baterií, aby se zabránilo tepelnému úniku. Tento materiál obsahuje elektrochemicky stabilní grafenem potažené špičaté niklové nanočástice smíchané v polymerní matrici s vysokým koeficientem tepelné roztažnosti. Baterie vybavené tímto samoregulačním materiálem uvnitř elektrody se mohou rychle vypnout za abnormálních podmínek, jako je přehřátí a zkrat. Důležité je, že tyto baterie mohou po vyřešení abnormálních podmínek obnovit svou normální funkci, aniž by došlo ke snížení výkonu.

Balení elektronických součástek a baterií v EV hraje zásadní roli při zajišťování bezpečnosti a trvanlivosti součástí. Pokroky ve vědě o materiálech a využití interdisciplinárních technologií, jako je umělá inteligence, zajišťují vylepšené systémy tepelného managementu a lepší návrhy obalů.

Více od AZoM: Jak můžeme charakterizovat lithium-iontovou baterii pomocí FIB-SIMS?

Reference a další čtení

Společnost Anchor Bay Packaging Corporation. (2023). EV díly a balení baterií. [Online] Společnost Anchor Bay Packaging Corporation. Dostupné na: https://www.anchorbaypackaging.com/ev-battery-packaging/ [Accessed 17 February 2024].

Thanalertkultorn, P. (2023). Polyuretanová (PU) pěna pro balení baterií v elektrických vozidlech (EV). [Online] LinkedIn. Dostupné na: https://www.linkedin.com/pulse/polyurethane-pu-foam-battery-packaging-electric-evs-thanalertkultorn-xfhvc/ [Accessed 18 February 2024].

Widyantara, RD., a kol. (2022). Přehled strategií návrhu bateriových obalů pro vynikající tepelné řízení v elektrických vozidlech. Baterie. doi.org/10.3390/batteries8120287

Jones-Jackson, S. a kol. (2022). Přehled současného tepelného managementu výkonové elektroniky automobilů pro trakční účely a budoucí směry. Transakce IEEE při elektrifikaci dopravy. doi.org/10.1109/TTE.2022.3147976

Lin, J. a kol. (2021). Přehled nedávného pokroku, výzev a perspektivy systému řízení teploty baterií. International Journal of Heat and Mass Transfer. doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2020.120834

Zřeknutí se odpovědnosti: Názory vyjádřené zde jsou názory autora vyjádřené v jejich soukromé funkci a nemusí nutně představovat názory AZoM.com Limited T/A AZoNetwork, vlastníka a provozovatele této webové stránky. Toto vyloučení odpovědnosti tvoří součást podmínek používání této webové stránky.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *