Предотвращение теплового разгона в батареях

Наибольшую угрозу для аккумуляторов представляет тепловой разгон, когда выделяемое тепло превышает скорость рассеяния, вызывая серию экзотермических реакций. Это может привести к возгоранию и полному выходу из строя аккумулятора, что повлияет на другие компоненты автомобиля. Чтобы предотвратить и сдержать температурный разгон, в конструкции батареи предусмотрены компрессионные прокладки, корпуса модулей и корпуса батареи. Между ячейками размещаются компрессионные прокладки для предотвращения распространения тепла, а в корпусах модулей ячейки группируются для сдерживания теплового неконтроля внутри модулей. Наконец, эти модули помещены в кожух аккумуляторной батареи, чтобы защитить другие части автомобиля от термического неконтролируемого воздействия.

Конструкция корпуса батареи

Корпуса аккумуляторов электромобилей значительно различаются по конструкции, форме и размеру в зависимости от типа аккумулятора, требований к охлаждению, распределения модулей и применения. Обычно корпус модуля состоит из:

1. Базовый корпус,

2. Внешний корпус,

3. Соединительная пластина, соединяющая внутренние и внешние компоненты,

4. Выпускной клапан для выравнивания давления или выпуска газа во время температурного разгона.

Выбор материала для батарейных шкафов

Материалы, используемые для корпусов батарей, должны иметь высокие тепловые характеристики, хорошие механические свойства и быть легкими. Традиционно предпочтение отдавалось алюминию и стали из-за их термостойкости и пригодности для массового производства. Однако массу металлических материалов невозможно хорошо контролировать, особенно для гибридных и электромобилей, где меньшая масса транспортного средства означает более высокую плотность энергии и больший запас хода. В настоящее время аккумуляторы могут составлять до 50% общей массы автомобиля.

Композитные материалы

Композитные материалы представляют собой легкую альтернативу и потенциально могут превосходить металлы во многих аспектах, хотя они более сложны и дороги. Например, корпус из полимера, армированного углеродным волокном, разработанный для клиентов, занимающихся автоспортом, заменил алюминиевый корпус весом 6,7 кг (14,8 фунта) на композитный корпус весом всего 616 граммов (1,35 фунта), что позволило снизить вес на 91%. Термореактивные препреги из углеродного волокна были использованы из-за их высоких термических и механических характеристик. Углеродное волокно обеспечивает прочность и жесткость, а системы высококачественных смол, таких как эпоксидная смола, предварительно пропитаны. Однако ручные процессы укладки, длительное время отверждения и использование автоклавов ограничивают производство корпусов для батарей из препрега.

Еще одним преимуществом композитных материалов является возможность оптимизировать ориентацию волокон для удовлетворения конкретных требований к нагрузке каждого батарейного отсека. Анализ методом конечных элементов (ВЭД) широко используется в процессе проектирования для определения направления волокон и необходимого количества слоев, обеспечивая высокую жесткость и прочность при сохранении легкого веса. Изотропные свойства металла по-прежнему дают преимущества, которые часто используются в болтовых соединениях для обеспечения дополнительной прочности и жесткости. Программное обеспечение, такое как Гиперсетка и Оптиструк, моделирует анизотропные композитные материалы корпусов батарей.

Электрическая изоляция

Электрическая изоляция является еще одним фактором, который следует учитывать при разработке корпусов для батарей. Поскольку углеродное волокно является проводящим, в ламинат встроены слои стекловолокна для изоляции конкретных электронных компонентов.

Сертификация

Чтобы обеспечить тепловые характеристики аккумуляторов и корпусов, они должны пройти различные испытания на безопасность и пройти сертификацию по стандартам. Первый стандарт — ООН38.8, который обеспечивает безопасность литиевых батарей во время транспортировки посредством восьми испытаний, включая моделирование высоты, тепловые испытания, вибрацию, удар, внешнее короткое замыкание, удар и раздавливание, перезаряд и принудительный разряд. Аккумуляторы также нуждаются в сертификации в соответствии с ЕЭК R100 РЕВ2, в которой описываются необходимые испытания литиевых батарей, установленных в четырехколесных электромобилях для перевозки людей или грузов. В авиации необходимо учитывать другие стандарты, такие как DO311A и DO160G.

Тепловое моделирование батареи

Для корпусов аккумуляторов композитные материалы должны соответствовать стандартам безопасности воспламеняемости UL94, включая несколько испытаний на поверхностное, вертикальное и горизонтальное горение. Контролируемое пламя воздействует на материал несколько раз в течение определенного периода, и время непрерывного горения материала, а также признаки прогорания или пылающих капель определяют, соответствует ли он рейтингам UL94 V0, V1 или V2. Чем быстрее пламя самозатухает, тем выше сопротивление материала, при этом V0 является самым высоким показателем, гасящимся в течение 10 секунд без капель горения.