Πρόληψη θερμικής φυγής στις μπαταρίες

Η μεγαλύτερη απειλή για τις μπαταρίες είναι η θερμική διαφυγή, όπου η παραγόμενη θερμότητα υπερβαίνει τον ρυθμό διάχυσης, προκαλώντας μια σειρά από εξώθερμες αντιδράσεις. Αυτό μπορεί να οδηγήσει σε πυρκαγιές και πλήρη αστοχία της μπαταρίας, επηρεάζοντας άλλα εξαρτήματα του οχήματος. Για την πρόληψη και τον περιορισμό της θερμικής διαρροής, ο σχεδιασμός της μπαταρίας ενσωματώνει επιθέματα συμπίεσης, περιβλήματα μονάδων και περιβλήματα μπαταρίας. Τα μαξιλαράκια συμπίεσης τοποθετούνται μεταξύ των κυψελών για να αποτραπεί η διάδοση της θερμότητας, ενώ η μονάδα περικλείει ομαδικές κυψέλες για να περιέχει θερμική διαφυγή μέσα στις μονάδες. Τέλος, αυτές οι μονάδες στεγάζονται σε ένα περίβλημα μπαταρίας για την προστασία των άλλων εξαρτημάτων του οχήματος από θερμικές επιδράσεις.

Σχεδιασμός περιβλήματος μπαταρίας

Τα περιβλήματα μπαταριών ηλεκτρικών οχημάτων διαφέρουν σημαντικά ως προς το σχεδιασμό, το σχήμα και το μέγεθος, ανάλογα με τον τύπο της μπαταρίας, τις απαιτήσεις ψύξης, την κατανομή της μονάδας και την εφαρμογή. Γενικά, ένα περίβλημα ενότητας αποτελείται από:

1. Ένα περίβλημα βάσης,

2. Εξωτερικό περίβλημα,

3. Μια πλάκα σύνδεσης που συνδέει εσωτερικά και εξωτερικά εξαρτήματα,

4. Μια βαλβίδα εξαγωγής για ισορροπία πίεσης ή απελευθέρωση αερίου κατά τη διάρκεια της θερμικής διαρροής.

Επιλογή υλικού για περιβλήματα μπαταριών

Τα υλικά που χρησιμοποιούνται για τα περιβλήματα μπαταριών πρέπει να έχουν υψηλή θερμική απόδοση, καλές μηχανικές ιδιότητες και να είναι ελαφριά. Παραδοσιακά, το αλουμίνιο και ο χάλυβας προτιμώνται για την αντοχή τους στη θερμότητα και την καταλληλότητά τους για μαζική παραγωγή. Ωστόσο, η μάζα των μεταλλικών υλικών δεν μπορεί να ελεγχθεί καλά, ιδιαίτερα για υβριδικά και ηλεκτρικά οχήματα, όπου χαμηλότερη μάζα οχήματος σημαίνει υψηλότερη ενεργειακή πυκνότητα και μεγαλύτερη αυτονομία. Επί του παρόντος, οι μπαταρίες μπορούν να αντιπροσωπεύουν έως και το 50% της συνολικής μάζας ενός οχήματος.

Σύνθετα υλικά

Τα σύνθετα υλικά προσφέρουν μια ελαφριά εναλλακτική λύση και μπορούν δυνητικά να ξεπεράσουν τα μέταλλα από πολλές απόψεις, αν και είναι πιο περίπλοκα και δαπανηρά. Για παράδειγμα, ένα περίβλημα από πολυμερές ενισχυμένο με ίνες άνθρακα που αναπτύχθηκε για πελάτες μηχανοκίνητου αθλητισμού αντικατέστησε ένα περίβλημα από αλουμίνιο βάρους 6,7 κιλό (14,8 λίβρες) με ένα σύνθετο που ζυγίζει μόλις 616 γραμμάρια (1,35 λίβρες), επιτυγχάνοντας μείωση βάρους 91%. Οι θερμοσκληρυνόμενες προεμποτισμένες ίνες άνθρακα χρησιμοποιήθηκαν για την υψηλή θερμική και μηχανική τους απόδοση. Οι ίνες άνθρακα παρέχουν αντοχή και ακαμψία, ενώ τα συστήματα ρητίνης υψηλής ποιότητας, όπως η εποξική, είναι προεμποτισμένα. Ωστόσο, οι διαδικασίες χειροκίνητης τοποθέτησης, οι μεγάλοι χρόνοι σκλήρυνσης και η εξάρτηση από τα αυτόκλειστα περιορίζουν την παραγωγή περιβλημάτων μπαταριών προεμποτισμού.

Ένα άλλο πλεονέκτημα των σύνθετων υλικών είναι η δυνατότητα βελτιστοποίησης του προσανατολισμού των ινών για την κάλυψη συγκεκριμένων απαιτήσεων φορτίου κάθε περιβλήματος μπαταρίας. Η ανάλυση πεπερασμένων στοιχείων (FEA) χρησιμοποιείται εκτενώς στη διαδικασία σχεδιασμού για τον προσδιορισμό της κατεύθυνσης της ίνας και του απαιτούμενου αριθμού στρωμάτων, εξασφαλίζοντας υψηλή ακαμψία και αντοχή, διατηρώντας παράλληλα μικρό βάρος. Οι ισοτροπικές ιδιότητες του μετάλλου εξακολουθούν να παρέχουν πλεονεκτήματα, που χρησιμοποιούνται συχνά γύρω από βιδωτές συνδέσεις για να προσφέρουν πρόσθετη αντοχή και ακαμψία. Λογισμικά όπως το Hypermesh και το Optistruct προσομοιώνουν τα ανισότροπα σύνθετα υλικά των περιβλημάτων μπαταριών.

Ηλεκτρική μόνωση

Η ηλεκτρική μόνωση είναι ένα άλλο ζήτημα που λαμβάνεται υπόψη κατά την ανάπτυξη περιβλημάτων μπαταριών. Δεδομένου ότι οι ίνες άνθρακα είναι αγώγιμες, τα στρώματα ινών γυαλιού ενσωματώνονται στο πολυστρωματικό υλικό για να μονώνουν συγκεκριμένα ηλεκτρονικά εξαρτήματα.

Πιστοποίηση

Για να διασφαλιστεί η θερμική απόδοση των μπαταριών και των περιβλημάτων, πρέπει να περάσουν διάφορες δοκιμές ασφαλείας και πρότυπα για πιστοποίηση. Το πρώτο πρότυπο είναι το UN38.8, το οποίο διασφαλίζει την ασφάλεια των μπαταριών λιθίου κατά τη μεταφορά μέσω οκτώ δοκιμών, συμπεριλαμβανομένων προσομοίωσης υψομέτρου, θερμικών δοκιμών, κραδασμών, κραδασμών, εξωτερικού βραχυκυκλώματος, πρόσκρουσης και σύνθλιψης, υπερφόρτισης και εξαναγκασμένης εκφόρτισης. Οι μπαταρίες χρειάζονται επίσης πιστοποίηση σύμφωνα με το ECE R100 REV2, το οποίο περιγράφει τις απαραίτητες δοκιμές για μπαταρίες λιθίου που είναι εγκατεστημένες σε τετράτροχα ηλεκτρικά οχήματα για τη μεταφορά ανθρώπων ή εμπορευμάτων. Στην αεροπορία, πρέπει να ληφθούν υπόψη άλλα πρότυπα όπως το DO311A και το DO160G.

Θερμική Προσομοίωση Μπαταρίας

Για τα περιβλήματα μπαταριών, τα σύνθετα υλικά πρέπει να πληρούν τα πρότυπα ασφαλείας αναφλεξιμότητας UL94, που περιλαμβάνουν αρκετές επιφανειακές, κάθετες και οριζόντιες δοκιμές καύσης. Οι ελεγχόμενες φλόγες εφαρμόζονται στο υλικό πολλές φορές σε μια συγκεκριμένη περίοδο και ο συνεχιζόμενος χρόνος καύσης του υλικού, καθώς και οι ενδείξεις καύσης ή φλεγόμενων σταγόνων, καθορίζουν εάν πληροί τις αξιολογήσεις V0, V1 ή V2 του UL94. Όσο πιο γρήγορα σβήνει η φλόγα, τόσο ισχυρότερη είναι η αντίσταση του υλικού, με το V0 να είναι η υψηλότερη βαθμολογία, που σβήνει μέσα σε 10 δευτερόλεπτα χωρίς φλεγόμενες σταγόνες.