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如何通过组合和调整不同材料优化热电阻安全性的热管理

来源:发表时间:2019-07-18


      考虑如何通过组合和调整各种不同的材料,针对热电阻模块的安全性优化热管理。与其他常用热电阻相比,锂离子热电阻具有高能量和功率密度,使用寿命长以及由低污染材料组成。锂是化学周期表中最轻的金属(6.941克/ mol的原子质量; 0.53密度g / cm 3),并具有的所有金属的最大电化学势(3.0 V,相对于标准氢电极)。
汽车和安全
      热电阻在汽车工业中的使用由于其高容量,特别是高串联连接而受到热安全问题的损害。原因是热电阻只能在由温度和电压定义的明确规定的工作范围内使用。超出该范围,热电阻的使用会迅速导致性能降低和安全风险。考虑到大多数热电阻制造商的指示,目前汽车热电阻的安全温度范围(石墨烯/ LiMn 2 O 4或缩写为C / LMO,C / LiCo x Ni y Mn z O 2或C / NCM,C / LiFePO 4或C / LFP,C / LiNi 0.8 Co 015 Al 0.05 O 2或C / NCA)如下:在-20℃至+ 55℃放电并在0℃至+ 45℃充电。
      对于具有Ki 4 Ti 5 O 12或LTO负极的锂离子热电阻,低温值为-30°C。锂离子热电阻的工作电压通常介于1.5 V和4.2 V之间(C / LCO,C / NCA,C / NCM和C / LMO介于2.5 V和4.2 V之间,LTO / LMO介于1.5 V至2.7 V之间)对于2.0 V和3.7 V之间的C / LFP)。
      随着温度升高,热电阻通过增加热电阻中的压力,发出可燃气体并使热电阻着火而发生反应,最终形成恶性的,自我强化的循环,从而使热电阻爆炸性地烧掉(热失控)。因此,使用高温是有问题的并且导致损坏和故障。
      + 70°C:石墨阳极和电解质的自加热。电解液中的低沸点组分在80℃开始蒸发并导致压力积聚,这可能导致热电阻爆裂。
      + 130°C:PE,PP或PE / PP制成的分离器磨损毛孔(关闭)。分离器熔化,由于短路引起的额外加热,自动催化的温度升高。
      + 250°C:阴极材料与电解质发生放热反应(分解)。由于蒸发和分解气体导致热电阻中的压力增加。热电阻外壳和潜在开口的膨胀(逸出的分解气体是易燃的)。一些阴极材料已经在低于+ 200°C的温度下自发分解,并在放热反应中放出热量和氧气,这可能导致热失控。
      + 600°C:阴极材料分解,其晶体结构发生变化。释放氧气。在短时间内灭火。热失控。
      + 660°C:铝集电器(阴极)熔化。由于粉尘爆炸而释放具有潜在危险的石墨。正极的铝板开始燃烧(金属燃烧)的温度进一步升高。
      关于热管理,牵引热电阻具有广泛的操作条件。因此,不同的外部温度对热管理来说是一个巨大的挑战,无法与热电阻在消费电子产品中使用的条件相比。例如,可用容量在冰冷天减少,因为更早达到截止电压,从而减小了车辆的行程。另一个挑战是保证使用寿命,汽车行业必须定义为8到10年。这与热电阻系统的热管理密切相关。细胞老化的速度取决于温度,并且表现为容量下降和热电阻增加。
热电阻
      由此产生的高电容和高热电阻电压可以与各种不同的阴极材料结合使用,使其成为化学能储存装置的理想电极材料。因此,热电阻越来越多地用于日常生活的各个领域。它们主要用作独立于主电源的独立电源和用作电子设备的缓冲热电阻。
      特别是小型移动电子设备(智能手机,笔记本电脑,照相机和工具等)的蓬勃发展导致其大规模的广泛部署。然而,热电阻也越来越多地用于小型车辆领域。目前,汽车工业中热电阻的使用增长(例如混合动力传动系统和高压电动传动系统等)并不是现象。例如,德国政府已宣布其目标是到2025年将电动汽车数量增加到600万辆,这必须与热电阻系统的进一步发展同步进行。用于电动车辆内的机电式能量存储装置的适用性尤其取决于各种技术,经济和生态方面。此外,还有汽车行业规定的热电阻系统规格:需要具有高功率和高能量密度的经济高效的解决方案,这显着限制了可用于热电阻设计和热电阻设计的可用体积和重量开销热管理。
寿命终止条件
      因此,寿命终止条件具体取决于应用而定义,并且在达到原始容量的80%和/或热电阻加倍时达到。在高于最佳范围的温度下的老化速率可以使用Arrhenius方程近似:对于每10K温度增加,热电阻的使用寿命减半。因此,重要的是要强调,不仅平均热电阻温度而且热电阻内和热电阻之间的温度梯度是关键的。
      事实证明,不均匀的热量分布会通过创造局部“热点”而导致过早老化和减少容量。细胞之间的温度差异导致细胞以不同的速率老化:在一系列连接的细胞链中,最弱的细胞会缩短系统的使用寿命。因此,需要考虑热电阻热管理系统(BTMS)中的平均温度和温度差异。总之,理想的情况是在热电阻系统中具有均匀且一致的温度分布。
“有一个明显可识别的趋势:锂离子热电阻的能量密度将不断增加,从而在不久的将来热电阻电动汽车的范围将得到改善。然而,当能量增加时,风险也会增加。“
      “暗示这意味着安全方面将变得越来越重要,并且必须在设计过程中考虑更多。对于大家来说,热材料变得特别有趣,以便为昂贵的冷却管理解决方案提供经济上可行的替代方案”开展了这项研究,其研究结果将在这里进行更详细的探讨。他的方法的有趣之处在于通过整合新材料来优化热管理,从而大大减小尺寸和体积。所呈现的设计的模块结构在下面的图1中描述,其反映了从上面看的剖视图:、
热解石墨片
      此外,热解石墨片(PGS)被用作热分布器,这是松下开发的一种新型超轻石墨片,其导热系数是铜的五倍。热解石墨片直接粘在热电阻表面上并与热电阻表面完全齐平,并使用柔性和导热粘合剂与PCM和金属型材粘合。
基于弹性体的相变材料以这样的方式设置,即由于其额外的潜热吸取,它在热电阻的上部操作温度范围内充当缓冲剂。这样,它与热电阻和冷却板之间的热路并联热连接,从而不会中断路径。铝型材设计为铸造塑料框架的成型嵌体,并提供机械稳定性和与冷却板的热界面。
      商业流体冷却板与可压缩间隙填料结合,以便补偿几何和与生产相关的公差,由此可以消除气隙。所有热电阻通过超声波焊接串联连接。这种设计的优点是即使对于少量生产,制造过程也具有经济上的成本效益。图2显示了组装的原型。
散热设计
      热电阻模块的热设计是与各种不同的行业合作伙伴密切合作开发的,并且基于热材料解决方案的集成和交互。具有集成组件的框架如图3所示。大家最初开始使用带有固定石墨冷却板的袋式热电阻模块。然而,PGS因其70μm的低材料密度,柔韧性/弯曲循环稳定性和1,000 W / mK的高导电率引起了大家的注意。
      另外,片材可以直接连接到袋状热电阻而无需任何其他步骤,因此确保了低的热接触电阻。此外,在充电循环和使用寿命期间发生的热电阻体积增加的问题可以通过柔性板通过相应的浮雕折叠与泡沫相结合来补偿。这种设计的结果不言而喻,可以使用以下三个标准来引用:
      1.空间均匀化程度,可以基于细胞之间的最大测量温度差来定义。
      2.时间均匀化的程度,其通过最大热电阻确定,因此参考最大温度增加/耗散功率损耗关系。
      3.开销,其在重量和体积方面进行测量和陈述,因此使机械设计可以独立于热电阻进行量化和比较。
空间温度均匀化
      在48V和130A(5C)放电电流下截止电压为50A(2C)的充电电流,截止电压为35V,作为测试周期(图4)。初始温度,环境温度和冷却液温度设定为20°C。

 



      上面的图5显示了最热和最冷的热电阻之间的最大温差,峰值为4.3oC。由于热电阻由于石墨片而具有良好的热连接,但同时通过框架彼此热绝缘,因此实现了这个相对较低的值。因此,可以减少温暖的中间细胞和冷的外部细胞之间的最大梯度。
最大热电阻
      为了计算最大热电阻,当系统处于静止状态时,必须知道最大温度增加和耗散功率损耗。为此,流体冷却模块在绝缘温度室内连续循环,以实现几乎恒定的散热,直到达到静止状态。测量热电阻和冷却板的温度。提取的热输出可以根据流速和冷却剂的温度增加来确定。流速降低导致冷却剂的温度升高,从而提高了测量精度。记录的结果是热电阻和冷却剂之间的最大热电阻为0.12 K / W,这意味着热电阻中每瓦功率损耗的温度升高0.12°C。


      由于测量原型,该研究能够证明,通过组合和调整各种不同的材料,可以优化热管理,同时影响热电阻模块的使用寿命和安全性。
      所呈现的热电阻模块被构造,组装和测试,以证明空间和时间温度均匀化的测量。因此,传统的铝冷却板被松下的薄而轻的石墨片(PGS)取代。
      新的基于弹性体的间隙填充垫和基于可压缩弹性体的PCM嵌体被开发并集成到系统中并与柔性和导热粘合剂连接。
记录的测量结果显示,在连续循环中,单元之间的最大温差为最大允许放电电流,模块级最大热电阻为0.12 K / W,重量和体积开销减小。

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