Zarządzanie termiczne w produkcji baterii do pojazdów elektrycznych i elektroniki

Obecnie, bardziej niż kiedykolwiek, od baterii stosowanych w pojazdach elektrycznych (EV) i elektronice wymagamy nie tylko dłuższego i szybszego działania, ale także gwarancji bezpieczeństwa. Wyjście naprzeciw tym nieustannie rosnącym wymaganiom niesie za sobą konieczność zapewnienia niezawodnego zarządzania termicznego.

Im większą moc i pojemność zapewnimy w obrębie małej przestrzeni – takiej jak ogniwo baterii lub na płytce drukowanej – tym więcej otrzymamy generowanego ciepła. Zarządzanie termiczne umożliwia bezpieczne odprowadzanie nadmiaru ciepła z baterii lub podzespołów elektronicznych, co zapewnia prawidłowe działanie i zapobiega ich zapaleniu się.

• W przypadku baterii stosowanych w pojazdach elektrycznych zwykle wiąże się to z  otoczeniem  lub zamknięciem danego elementu w obudowie wykonanej z materiału termoprzewodzącego (TIM), zwanego również elementem wypełniającym wolną przestrzeń.
• W elektronice TIM zazwyczaj dozuje się bezpośrednio na powierzchnie komponentów elektronicznych.

Temperatura odgrywa niezwykle istotną rolę w kontekście trwałości, wydajności i bezpieczeństwa ogniw baterii lub komponentów elektronicznych.

• Jeśli temperatura stanie się zbyt niska może wiązać się to z obniżeniem mocy,  pojemności  lub wydajności baterii.
• Z kolei jeśli temperatura będzie zbyt wysoka, może dojść do degradacji, która w konsekwencji skróci żywotność danego produktu. Zbyt wysokie temperatury mogą również zagrozić bezpieczeństwu, co może mieć katastrofalne w skutkach konsekwencje.

Dlatego też zaleca się utrzymywanie stałej i równomiernej temperatury. Niemniej jednak, z uwagi na fakt, iż nadmierne ilości ciepła powstają z tak wielu powodów, niezawodne zarządzanie termiczne stanowi dla producentów spore wyzwanie.

Dlatego każdy akumulator wymaga wyposażenia w system zarządzania termicznego, zapewniający ochronę przed przegrzewaniem oraz bezpieczne odprowadzanie ciepła z elementów o znaczeniu krytycznym.

Baterie stosowane w pojazdach elektrycznych (EV) i elektronice mogą ulegać przegrzewaniu się, co może prowadzić do zdarzeń termicznych spowodowanych przeładowaniem, szybkim rozładowywaniem lub czynnikami środowiskowymi. Zarządzaniu termicznemu najczęściej zagraża nieustanna optymalizacja.

• W celu zwiększenia wydajności baterii stosowanych w pojazdach elektrycznych i zmniejszenia ich wagi, ogniwa baterii mają większą gęstość energii, co wiąże się z generowaniem większych ilości ciepła w obrębie mniejszych przestrzeni.
• W celu zwiększenia szybkości i ograniczenia rozmiarów, podzespoły elektroniczne poddawane są miniaturyzacji, natomiast ich funkcje są integrowane, co pozwala lepiej wykorzystać powierzchnię płytek drukowanych (PCB) oraz ograniczonych przestrzeni. Im bardziej kompaktowe i wydajne stają się płytki drukowane, tym więcej ciepła wytwarzają.

Materiały termoprzewodzące charakteryzują się wysoką lepkością oraz zawierają materiały wypełniające o właściwościach wysoce ściernych, co powoduje szybkie zużywanie się części urządzeń pracujących na mokro, takich jak pompy, wały lub uszczelnienia. Tradycyjne systemy dozowania nie spełniają wymagań w zakresie trwałości podczas produkcji, co prowadzi do wzrostu kosztów przestojów i konserwacji sprzętu. 

Prawidłowa aplikacja materiałów termicznych może być trudna i pracochłonna. Pasty te są często materiałami dwuskładnikowymi, które wymagają precyzyjnego dozowania w odpowiedniej proporcji. Ponieważ procesy technologiczne wymagają również stosowania dużych ilości materiału, kluczowe jest tutaj równomierne aplikowanie odpowiednich dawek materiału, aby uniknąć powstawania szczelin powietrznych lub aplikowania nadmiaru materiału. 

Materiały termoprzewodzące są bardzo gęste i mają konsystencję pasty. TIM zawierają również cząsteczki charakteryzujące się wysokim współczynnikiem ścieralności, których twardość może dorównywać twardości diamentów. Takie połączenie powoduje szybkie zużywanie się i uszkadzanie tradycyjnych przemysłowych systemów dozujących. Częste naprawy lub wymiany pomp, wałów i uszczelnień wiążą się z wieloma przestojami i kosztami serwisowymi.

Prawidłowe mieszanie i aplikowanie materiałów termoprzewodzących również może stanowić duże wyzwanie. Pasty często są materiałami dwuskładnikowymi, wymagającymi precyzyjnego dozowania z zachowaniem odpowiednich proporcji. Kluczowe jest w tym przypadku zapewnienie dozowania odpowiednich i równych ilości materiału, pozwalające uniknąć szczelin powietrznych lub stosowania nadmiaru materiału.

Aby utrzymać bieg linii montażowych baterii i elektroniki w przypadku stosowania materiałów termoprzewodzących (TIM), wymagane jest korzystanie z systemów dozowania spełniających poniższe wymagania:

• komponenty muszą zapewniać odporność na ścieranie nawet w najtrudniejszych warunkach;
• dokładne i powtarzalne dozowanie pozwalające prawidłowo rozprowadzać materiał w przypadku zastosowań o niskim lub wysokim natężeniu przepływu;
• pobieranie danych (danych procesowych i rejestrów zadań) pozwalających na identyfikację problemów, zanim doprowadzą do przestojów;
• łatwa integracja z urządzeniami zautomatyzowanymi;