česky english Vítejte, dnes je pátek 30. říjen 2020

Inteligentní design baterií elektromobilů s využitím materiálů tepelného rozhraní

DPS 5/2019 | Výroba - články
Autor: Arno Maurer, Joachim Kalka, Achim Wießler, Polytec PT GmbH, INTERCONTI Ing. Tomáš Bravený s. r. o.

Rozptyl tepla a tepelné řízení je stále jedním ze zásadních problémů v konstrukci elektromobilů a jejich součástí. Během nabíjení a vybíjení je uvnitř baterie generováno teplo. Výkonové obvody, které transformují a regulují elektrický proud, jsou rovněž vystaveny vysokému vývinu tepla, které je třeba chlazením rozptýlit. Přenos tepla mezi součástmi a chladicím zařízením může být často proveden použitím materiálů tepelného rozhraní. Zejména teplotně vodivá lepidla umožňují pevné a tepelně vodivé spoje, které se vyskytují v tradičním pájení a svařování, ale zabraňují vysokému tepelnému zatížení během zpracování a následným deformacím nebo změnám barvy. Kromě toho je možné spojovat bez omezení obtížně spojitelné kombinace materiálů. Ve srovnání s mechanickým upevněním není třeba dalších dílů, jako jsou šrouby nebo svorky, a přenos tepla probíhá po celé ploše. Lepené spoje vyplňují mezery a jsou odolné vůči většině procesních kapalin. V případě, že tepelně spojené díly musí být později bez poškození vyjmuty nebo vyměněny, mohou být použity pastovité materiály, aby se překlenula jakákoli nevodivá vzduchová mezera.

Řízení teploty v pohonech elektromobilů

Tepelně vodivé sestavení baterií

Konstrukce bateriového systému z lithium-iontových článků klade speciální požadavky na řízení tepla. Protože výkon a životnost článků silně závisí na teplotě okolního prostředí, musí se systém tepelného řízení starat o účinný odvod tepelných ztrát, jakož i o dodávku tepla v případě, že jsou baterie studené. V provozu je teplo generováno, když je systém vybíjen během zrychlování, ale také při nabíjení během brzdění nebo na nabíjecí stanici. Pro zamezení horkých míst a zpomalení tepelné odezvy v bateriovém bloku je výhodná velká tepelná hmota a dobrá mezičlánková tepelná vodivost.

Přívod a odvod tepla lze zajistit různými způsoby. V bateriích může být přenos tepla proveden buď přímo z článků do chlazené základní desky, nebo prostřednictvím aktivních nebo pasivních chladicích destiček umístěných mezi články. Mechanické i tepelné spojení se obvykle provádí mechanickým spojováním (šrouby, svorky) nebo různými svařovacími metodami. Tepelně vodivá lepidla a materiály tepelného rozhraní tedy poskytují nové, ale již osvědčené alternativní řešení.

Inteligentní design baterií elektromobilů s využitím materiálů tepelného rozhraní

Tepelné problémy ve výkonových jednotkách

Tepelné řízení výkonových zařízení, jako jsou měniče, střídače nebo řídicí jednotky, je kritickým faktorem při návrhu. Výkonná elektronická zařízení mohou transformovat desítky nebo stovky wattů na odpadní teplo, takže vyžadují specializované chladiče nebo aktivní chladicí systémy. Spojování výkonových čipů s chladiči se často provádí pájením nebo slinováním, nicméně metoda lepení je velmi slibnou alternativou.

Aplikace materiálů tepelného rozhraní

Tepelně vodivé sestavení Li-Ion článků

Osazení lithium-iontových článků na chladicí základní desku pomocí tepelně vodivých lepidel je technologie již osvědčená v sériové výrobě baterií pro elektromobily. Vhodná lepidla musí vykazovat dobrou tepelnou vodivost, mechanickou stabilitu a odolnost vůči vibracím a okolnímu prostředí. Dále je nevyhnutelné rychlé vytvrzení při pokojové nebo mírně zvýšené teplotě, protože baterie v tomto procesu nemohou vydržet vysoké teploty. Nově vyvinutá epoxidová lepidla a pasty se vyznačují vysokou tepelnou vodivostí 1–2 W/mK, čímž se lepení stává stále atraktivnějším místo pájení/svařování nebo mechanického spojování.

Výzvou při formulaci lepidel pro sestavování článků je dosažení dobrých tepelných i mechanických vlastností. Epoxidy mají, stejně jako jiné polymery, špatnou vnitřní tepelnou vodivost 0,2–0,3 W/mK. Když jsou tyto epoxidy naplněny keramickými nebo kovovými prášky, přenos tepla se podstatně zvyšuje. Celková tepelná vodivost těchto částic se pohybuje mezi 30 a > 300 W/mK. V příslušných kompozitech závisí tepelná vodivost na relativním poměru plniva k epoxidu, ne však lineárně. Objemový podíl plniva by měl být 50 % nebo více pro dosažení tepelné vodivosti nad 1 W/mK.

Což znamená, že maximální teplotní vodivosti lze dosáhnout vysokým obsahem plniv. Vysoký poměr abrazivních částic však snižuje tokové vlastnosti, které jsou potřebné pro smíchání a aplikaci lepidla. Dále může utrpět mechanická pevnost, protože výplň vytlačuje samotný epoxid. Při vývoji produktů tak musí být nalezen kompromis mezi tepelnou vodivostí a parametry zpracování.

Opravitelný teplovodivý spoj

V případě, že tepelně spojené díly musí být později odděleny nebo vyměněny, aniž by došlo k poškození, mohou být použity pastovité materiály tepelného rozhraní za účelem přemostění jakékoli nevodivé vzduchové mezery. To je možné za předpokladu dalšího mechanického upevnění. Například moduly osazené v akumulátorech EM by měly být vyjímatelné pro případ údržby nebo opravy.

Inteligentní design baterií elektromobilů s využitím materiálů tepelného rozhraní 1

Tepelně vodivé pasty jsou dobře známé z počítačové technologie. Snadno se nanášejí a odstraňují, a díky dobrým vnitřním smáčecím vlastnostem mají stálý tepelný kontakt s povrchem substrátu. Aby však mohly sloužit jako výplň tepelných mezer pro baterie, musí splňovat několik dalších požadavků.

Za prvé, pro dosažení vysoké tepelné vodivosti bývají jako plnidla tepelných past pro polovodiče často využívány drahé komponenty, jako je např. stříbro nebo nitrid boru. Aby však materiály bylo možné použít v masové produkci, je nutné využívat levnější komponenty, dobře dostupné na trhu.

Dále jsou tepelné pasty pro počítače obvykle tekuté a jsou přizpůsobeny tak, aby vyplňovaly velmi úzké mezery v rozsahu 50–100 μm, zatímco mezery v bateriových modulech mohou dosáhnout několika milimetrů. To zase vyžaduje tixotropní materiály, které budou mechanicky stabilní, bez prohybů, zejména při zvažování dynamického zatížení, jako jsou provozní vibrace, nárazy způsobené nerovnostmi v silnicích během jízdy, a měnící se sklon vozidla při parkování.

Závěrem lze říci, že tepelná pasta pro aplikace na baterie byla vyvinuta „z čistého stolu“, čímž byly vyřešeny všechny uvedené specifické požadavky.

Podle nedávné studie trhu by se měla celosvětová poptávka po materiálech tepelného rozhraní zvýšit do roku 2026 zhruba trojnásobně a dosáhnout 3,5 miliardy $. Při zvažování budoucích aplikací osazování baterií a výkonové elektroniky EM jsou tepelně vodivá lepidla a pasty flexibilním řešením. Roste poptávka po materiálech přizpůsobených na míru zákaznickým aplikacím, jež lze snadno aplikovat a které se vyznačují vysokou vodivostí a trvanlivostí.

 

Partneři

eipc
epci
imaps
papouch
ep
mikrozone
mcu
projectik