Fanglu Shi Sanzhong Liu Fucai Hua
(Центр Technologiczny, Fujian Supertech Advanced Materials Co., LTD., Xiamen, 361021)
Abstrakt: Materiały izolacyjne są niezastąpionymi kluczowymi materiałami w systemach zarządzania cieplnym baterii. Specjalne panele izolacyjne próżniowe (VIP) wykazują obiecujące perspektywy zastosowania w poprawie wydajności systemów akumulatorowych dzięki swoim wybitnym właściwościom izolacyjnym i ognioodporności. Niniejszy artykuł po raz pierwszy systematycznie przedstawia główne wskaźniki charakterystyczne metalowych paneli VIP oraz ultracienkich paneli VIP, przeprowadza testy i analizy ich właściwości izolacyjnych oraz dynamiki przenoszenia ciepła, a także dokonuje porównań z obecnymi produktami z wełny aerogelowej. Materiał ten stosowany jest do izolacji pakietów akumulatorów, znacznie poprawiając ich adaptacyjność do niskich temperatur oraz wytrzymałość, jednocześnie ograniczając rozprzestrzenianie się zjawiska termicznego samozapłonu baterii. Jednocześnie cechuje się wysoką relacją jakości do ceny. Wyniki pokazują, że nowe specjalne produkty izolacyjne próżniowe oferują większe korzyści w zakresie zintegrowanego projektowania odprowadzania ciepła, izolacji i ochrony przed pożarem dla baterii oraz systemów magazynowania energii.
Słowa kluczowe: Specjalne panele izolacyjne próżniowe; Przewodność cieplna; Dyfuzja cieplna; Zarządzanie cieplne baterii; Termiczny samozapłon
Profil autora: Fanglu Shi: (Date of Birth: July 12, 1962) Gender: Male Ethnicity: Han Native Place: Zhengning, Gansu Province Education: Master’s Degree Title: Senior Engineer Research Direction: Low-temperature Technology, Thermal Insulation Technology, Vacuum Technology and Its Application
0．IWstęp
Pojawienie się pojazdów elektrycznych opartych na nowych źródłach energii skutecznie rozwiązało problemy energetyczne i środowiskowe związane z tradycyjnymi pojazdami. Jako podstawowy element pojazdów elektrycznych, żywotność i efektywność użytkowania baterii decydują o ogólnym poziomie ich wydajności. Spośród czynników wpływających na długość życia baterii najważniejszym jest temperatura jej pracy. Zbyt wysoka lub zbyt niska temperatura może istotnie wpłynąć na działanie baterii. Niskie temperatury obniżają efektywność ładowania i rozładowywania, natomiast wysokie skracają żywotność baterii. W przypadku utraty kontroli nad temperaturą może dochodzić do eksplozji i innych wypadków bezpieczeństwa. Dlatego zapewnienie stabilnej pracy baterii w bezpiecznym zakresie temperatur stanowi priorytet całego sektora.
Zwłaszcza wraz ze wzrostem gęstości energii baterii zasięg pojazdów został znacznie zwiększony, jednak coraz bardziej widoczne stają się kwestie niezawodności i bezpieczeństwa produktów. Wypadki związane z termicznym samozapłonem baterii stanowią poważną barierę dla rozwoju pojazdów zasilanych nowymi źródłami energii. Chociaż przed opuszczeniem fabryki baterie poddawane są różnym rygorystycznym testom bezpieczeństwa, aby zagwarantować ich bezpieczne użytkowanie, to nawet te procedury nie są w stanie całkowicie zapobiec wypadkom związanych z termicznym samozapłonem.
Zasadą działania nowych baterii jest wytwarzanie energii poprzez reakcje elektrochemiczne, co nieuchronnie wiąże się z temperaturą systemu baterii. Wielu badaczy prowadziło szczegółowe modele i symulacje dotyczące charakterystyki cieplnej baterii oraz wpływu temperatury na ich wydajność i żywotność [1]. Na przykład Sato [2] i inni wykazali, że gdy temperatura baterii przekracza 50°C, zarówno efektywność rozładowywania, jak i żywotność znacznie spadają; Khateeb [3] i współpracownicy zauważyli, że gdy temperatura pakietu akumulatorowego przekracza jego optymalny zakres pracy, równomierność temperatury w pakiecie pogarsza się, co może prowadzić do termicznego samozapłonu i wypadków pożarowych; Pesaran [4] i inni sugerowali, że optymalna temperatura pracy baterii powinna być utrzymywana w przedziale 25–40°C. Dlatego opracowanie wydajnych technologii odprowadzania ciepła i izolacji oraz budowa systemu zarządzania cieplnego baterii, pozwalającego utrzymać baterię w odpowiednim zakresie temperatur, jest niezbędne do zapewnienia normalnego funkcjonowania i zapobiegania wypadkom bezpieczeństwa.
Technologie zarządzania cieplnym baterii można podzielić na pasywne i aktywne, w zależności od tego, czy wymagają dodatkowego zużycia energii. Zgodnie z różnicami w mediach przenoszenia ciepła i metodach wymiany ciepła, zarządzanie cieplne dalej dzieli się na takie formy jak chłodzenie powietrzem, chłodzenie cieczą, materiały zmiany fazowej (PCM) oraz rurki cieplne.
Zarządzanie termicznym baterii obejmuje nie tylko kontrolę temperatury pakietu akumulatorów, ale także izolację i odprowadzanie ciepła między pojedynczymi ogniwami. Pierwsze z tych zagadnień ściśle związane jest z jakością eksploatacji systemu akumulatorowego oraz efektywnością energetyczną, podczas gdy drugie skupia się na procesie samozapłonu i rozprzestrzenianiu się temperatury w baterii, co wiąże się z bezpieczeństwem. W odniesieniu do badań nad technologiami zarządzania termicznego baterii litowych, w literaturze szeroko opisano różne metody chłodzenia i wymiany ciepła [5], jednak istnieje niewiele publikacji poświęconych analizie właściwości materiałów izolacyjnych stosowanych w tym zakresie. Faktycznie, materiały izolacyjne odgrywają bardzo ważną rolę w zarządzaniu termicznym baterii, a ich charakterystyczne parametry różnią się w zależności od konkretnego zastosowania. Wybór odpowiedniego materiału izolacyjnego jest kluczowy dla poprawy poziomu zarządzania termicznego [6]. Ponadto, dynamiczny rozwój technologii baterii nowych źródeł energii sprawił, że opracowanie nowych materiałów izolacyjnych lub innowacyjnych konstrukcji izolacyjnych stało się jeszcze bardziej pilne i stawia nowe wymagania:
(1) Samozapłon w bateriach napędowych spowodowany nadmiernym obciążeniem elektrycznym, uszkodzeniem mechanicznym, zwarciami itp. może w krótkim czasie wydzielić ogromną ilość ciepła. Konwencjonalne materiały izolacyjne oraz rozwiązania oparte na chłodzeniu cieczą nie są w stanie całkowicie rozwiązać tego problemu.
(2) Tradycyjne pojazdy wykorzystują odpadające ciepło do utrzymania komfortowej temperatury w kabinie pasażerskiej, nie zużywając przy tym dodatkowej energii, podczas gdy w przypadku pojazdów nowych źródeł energii zarządzanie termiczne wymaga zasadniczo pobierania energii z samej baterii. Dlatego szczególnie niezbędne jest opracowanie wysoce wydajnych materiałów izolacyjnych, zwłaszcza takich o ultraniskiej przewodności cieplnej.
(3) Wraz z rosnącymi wymaganiami rynku dotyczącymi gęstości energii baterii napędowych, jednym z rozwiązań jest zastosowanie lepszych materiałów izolacyjnych, które umożliwiają zwiększenie liczby ogniw w pakiecie akumulatorów, co prowadzi do wzrostu gęstości energii i zasięgu jazdy, bądź też redukcja objętości pakietu akumulatorów, pozwalając na zwiększenie przestrzeni wewnątrz pojazdu i zapewnienie komfortu podczas jazdy.
(4) Aby pojazdy nowych źródeł energii mogły funkcjonować w różnych warunkach środowiskowych, zwłaszcza w zimnych północnych regionach, gdzie temperatury na zewnątrz często spadają poniżej -10℃, trudno jest utrzymać normalny zakres temperatury potrzebny dla baterii napędowych podczas postoju. Może to prowadzić do spadku pojemności i żywotności akumulatora. Dlatego system baterii musi zastosować niezawodne i wydajne środki zachowania ciepła.
(5) W odpowiedzi na problemy bezpieczeństwa wystąpiłe w przypadku pojazdów elektrycznych, odpowiednie ministerstwa i komisje sukcesywnie wprowadziły wiele obowiązkowych norm narodowych [7–9], dalej zaostrzając wymagania dotyczące bezpieczeństwa i jasno określając, że system baterii nie powinien płonąć ani wybuchnąć w ciągu “5 minut” po wystąpieniu samozapłonu, co zapewnia pasażerom złoty czas na ewakuację. Żadne rozwiązanie problemu samozapłonu nie może obyć się bez doskonałych materiałów izolacyjnych chroniących przed przepływem ciepła.
1．Typowe materiały izolacyjne stosowane w zarządzaniu termicznym baterii
Obecnie w bateriach energetycznych najczęściej stosuje się piankę, włókna, koc aerogel oraz specjalne panele izolacyjne próżniowe (VIP), a także ultracienkie materiały metalowe; każdy z tych materiałów posiada swoje zalety i wady. Jako materiał izolacyjny termiczny głównym wskaźnikiem oceny jest współczynnik przewodności cieplnej. Na rysunku 1 przedstawiono różnice w tym współczynniku dla czterech powszechnie używanych typów materiałów izolacyjnych. Przy uzyskaniu tej samej efektywności izolacji cieplnej występują również różnice w grubości warstwy izolacyjnej. Pianki i materiały włókniste charakteryzują się stosunkowo słabą wydajnością izolacyjną i trudnością montażu, jednak są niskokosztowe. Kompozytowy filc aerogel powstaje poprzez połączenie nowego typu nanopudru aerogelowego z włóknami. Produkt ten cechuje się niską przewodnością cieplną, przy grubości wynoszącej jedynie 1/2 do 1/5 grubości tradycyjnych materiałów. Dodatkowo charakteryzuje się doskonałą odpornością na wysokie temperatury, szerokim zakresem pracy (–196 do 1000℃) oraz stabilnymi parametrami. Produkt ten został zastosowany w systemach zarządzania ciepłem nowych baterii energetycznych [20]. Jednakże filc aerogel o znakomitej wydajności jest stosunkowo drogi. Wraz z postępującym wzrostem wymagań dotyczących właściwości izolacyjnych systemów zarządzania ciepłem, poprawa jego parametrów staje się coraz większym wyzwaniem.
Rysunek 1. Wydajność izolacji termicznej czterech typów materiałów izolacyjnych
Produkt panelu izolacyjnego próżniowego (VIP) przedstawiony jest na rysunku 2. Jest to nowa generacja niezwykle wydajnego materiału izolacyjnego. Materiałem rdzeniowym są włókna lub substancje w postaci proszku. Wysokoporowata membrana pokrywowa zapewnia szczelność próżniową. Doskonała izolacja cieplna osiągana jest dzięki skutecznej eliminacji przewodności cieplnej gazów poprzez utworzenie próżni. Produkt ten charakteryzuje się wyjątkowo niskim współczynnikiem przewodności cieplnej. Konstrukcja izolacyjna jest kompaktowa, a jej grubość stanowi jedynie 1/8 do 1/10 grubości tradycyjnych materiałów. Nie absorbuje wody i jest odporny na korozję kwasową i zasadową. Produkt ten znalazł szerokie zastosowanie w urządzeniach domowych, przemyśle chemicznym oraz w obszarze nowych źródeł energii. Niski współczynnik przewodności cieplnej oraz niski współczynnik dyfuzji temperatury charakteryzujące specjalne produkty VIP stanowią istotne zalety dla kompaktowego projektowania nowych baterii energetycznych i dalszego zwiększenia ich bezpieczeństwa.
Rysunek 2. panel izolacyjny próżniowy（VIP）
2．Wydajność i charakterystyka przenoszenia ciepła metalowego VIP oraz ultracienkiego VIP
2.1 Konstrukcja metalowego VIP oraz jego wydajność izolacyjna
Metalowy VIP wykorzystuje folię aluminiową lub stalową jako materiał pokrywowy, a jako materiał rdzeniowy – włókna bazaltowe, wysokokrzemianowe itp. Po usunięciu powietrza produkt zostaje zamknięty poprzez spawanie. Charakteryzuje się odpornością na wysokie i niskie temperatury, niską przewodnością cieplną, stabilną pracą, odpornością na przebicie oraz poziomem A odporności na ogień i niepalnością. Stanowi kolejny preferowany materiał izolacyjny o wysokiej wydajności, obok włókien wysokokrzemianowych i filcu aerogelowego. Główne parametry tego produktu przedstawiono w tabeli 1.
| Tabela 1. Główne wskaźniki wydajności metalowego VIP | |
| Centralna przewodność cieplna (25℃) | ＜3 mw/（m·k） |
| Waga gramowa (grubość 1,5 mm) | 1,3–2,0 kg/m³2 |
| ITest całkowitego poziomu nieszczelności | ≤10-10Pa·m3/s |
| Zakres temperatury stosowania | −253–1000℃ |
(a) Urządzenie do testowania reakcji termicznej b) Schematyczny rysunek zasady testu
Rysunek 3. Urządzenie do testowania reakcji temperaturowej
Aby ocenić niestacionarne cechy procesu przenoszenia ciepła w szerokim zakresie temperatur metalowego VIP, dokonano pomiarów reakcji temperaturowych powierzchni zimnej i gorącej przy użyciu aparatury badawczej przedstawionej na rysunku 3. Gdy powierzchnia gorąca (powierzchnia grzewcza) utrzymywana jest przy wysokich temperaturach 200℃, 400℃ i 600℃, temperatura powierzchni zimnej stopniowo wzrasta w czasie, jak pokazano na rysunku 4, osiągając odpowiednio 23,4℃, 26,8℃ i 123,1℃. Poniżej 400℃ temperatura powierzchni zimnej pozostaje prawie identyczna z temperaturą otoczenia. Nawet przy wysokiej temperaturze 600℃ metalowy VIP nadal wykazuje doskonałą wydajność izolacyjną. Temperatura strony zimnej wynosi jedynie 123,1℃, a różnica między stroną gorącą a zimną osiąga 476,9℃. Metalowy VIP o grubości 8 mm prezentuje doskonałą izolację cieplną w szerokim zakresie temperatur.
Rysunek 4. Krzywa reakcji temperaturowej powierzchni zimnej próbki
Wewnętrzna część metalowego VIP jest wypełniona materiałami rdzeniowymi odpornymi na wysokie temperatury i poddana próżni, co zapewnia doskonałe właściwości izolacji cieplnej w kierunku prostopadłym do metalowego VIP. Zewnętrzny materiał pokrywowy wykonany jest z folii ze stali nierdzewnej. Proces przewodzenia ciepła w tej unikalnej strukturze “rozpraszanie – izolacja – rozpraszanie” metalowego VIP charakteryzuje się dwuwymiarowymi cechami przewodzenia ciepła, jak przedstawiono na rysunku (5). Z wyników termograficznych (rys. 6) wynika, że temperatura powierzchni metalowego VIP szybko rozprzestrzenia się i spada we wszystkich kierunkach, z obszarem nagrzewania jako centrum. W kierunku równoległym do powierzchni płyty zachodzi dobry efekt rozpraszania ciepła. Jeśli jako materiał pokrywowy wybrano materiał o wysokiej przewodności cieplnej, np. folię aluminiową, i połączono go z systemem odprowadzania ciepła w ramach zarządzania termicznego, to dzięki dobrze działającej izolacji cieplnej w kierunku prostopadłym do powierzchni płyty znacznie zmniejsza się przepływ ciepła między ogniwami baterii. To skutecznie opóźnia rozprzestrzenianie się temperatury, umożliwia efektywną dystrybucję zgromadzonego ciepła w kierunku równoległym do powierzchni płyty i odprowadzenie go przez system odprowadzania ciepła, lub znacznie obniża obciążenie termiczne, osiągając tym samym skuteczne zarządzanie termicznym baterii.
Rysunek 5. Dwuwymiarowe przenoszenie ciepła Rysunek 6. Obrazowanie termiczne próbki Schematyczny rysunek metalowego VIP
2.2 Wybitne właściwości izolacji cieplnej i wysoka wydajność kosztowa
Porównanie reakcji temperatury strony zimnej dla metalowego VIP o grubości 8 mm oraz filcu aerogelowego o grubości 9 mm, przy tych samych wymiarach długości i szerokości, w warunkach 400℃ i 600℃ na stronie gorącej, przedstawiono na rysunku (7). W porównaniu z filcem aerogelowym, temperatura strony zimnej metalowego VIP jest znacznie niższa, różnice wynoszą odpowiednio 148,4℃ i 204,8℃. Podczas procesu szybkiego nagrzewania (stanu niestabilnego), gdy powierzchnia gorąca jest stale podgrzewana od temperatury pokojowej do 200℃ i 400℃, temperatura strony zimnej metalowego VIP również wykazuje istotne różnice w porównaniu z filcem aerogelowym. Reakcje temperatury na stronach zimnej i gorącej przedstawiono na rysunku (8). Dlatego, ze względu na mniejszą przewodność cieplną lub współczynnik dyfuzji cieplnej metalowego VIP, prędkość rozprzestrzeniania się lub dyfuzji temperatury jest znacznie spowolniona, co zapewnia dłuższy czas bezpiecznego ucieczki w przypadku termicznego awarii baterii lub znacznie redukuje obciążenie termiczne systemu chłodzenia zarządzania termicznym. W przypadku baterii litowych trójkomponentowych maksymalna temperatura termicznego awarii ogniwa może osiągać 700–800℃. Obecnie w branży do izolacji przed termiczną awarią stosuje się zazwyczaj 2,5-mm podkładki z aerogelu (co wymaga utrzymania temperatury sąsiednich ogniw w granicach 200℃). Zastosowanie metalowego VIP pozwala skutecznie zmniejszyć grubość aerogelu, pozwalając na więcej miejsca i ciężaru dla systemu baterii. Tabela 2 porównuje i oblicza główne parametry dwóch metod izolacji — filcu aerogelowego i metalowego VIP — dla pakietów baterii o konkretnych rozmiarach. Poza wzrostem całkowitego ciężaru, izolacyjność termiczna metalowego VIP jest pięciokrotnie większa niż filcu aerogelowego, a jego grubość znacznie mniejsza, co świadczy o wysokiej wydajności kosztowej.
Rysunek 7. Krzywe reakcji temperatury strony zimnej metalowego VIP i filcu aerogelowego
Rysunek 8. Krzywe reakcji temperatury na stronach zimnej/gorącej metalowego VIP i filcu aerogelowego
Tabela 2. Wydajność kosztowa dwóch metod izolacji dla baterii litowych trójkomponentowych
| TLB
|
Rozmiar (mm) | Grubość (mm) | Ilość
(szt.) |
Cena
（RMB/m²）2） |
Masa brutto.
（kg/m²）2） |
Współczynnik termiczny Rth（m²·K/W）2.Aerogel wełna |
| Filc aerogel | 205*98 | 2.5 | 216.0 | 169 | 1.7 | 0.1 |
| Metalowy VIP | 205*98 | 1.5 | 216.0 | 160 | 1.4 | 0.5 |
2.3 Ultra-cienki VIP do izolacji pakietów baterii
Liczne eksperymenty udowodniły, że temperatura pracy pakietów akumulatorowych istotnie wiąże się z poziomem utrzymania pojemności rozładowczej. Jak pokazano na rysunku (9), przedstawiono wykres zależności między poziomem utrzymania pojemności rozładowczej a temperaturą dla najpopularniejszych na rynku baterii litowo-żelazofosforanowych. Wraz ze spadkiem temperatury pojemność rozładowcza maleje; poniżej -5℃ jej wartość gwałtownie spada, a przy -20℃ obniża się o prawie 25%. Jest to również jednym z ważnych powodów znacznego ograniczenia zasięgu pojazdów nowej energii w zimnym, niskotemperaturowym środowisku. Jednocześnie pozwala ono rozwiązać problem skarg użytkowników z regionów północnych na długie czasu szybkiego ładowania w zimie. Dlatego ogólna izolacja pakietu akumulatorowego jest kluczowa dla wydłużenia żywotności baterii, poprawy efektywności ładowania oraz jakości doświadczenia użytkownika.
Rysunek 9. Zależność pomiędzy poziomem utrzymania pojemności rozładowczej pakietu akumulatorowego a temperaturą
Wakuumowa izolacja ultracienka VIP, o grubości zaledwie 1–5 mm. Produkt charakteryzuje się doskonałymi właściwościami izolacyjnymi i amortyzującymi, a także przeszedł szereg testów i verifikacji wymaganych przez branżę nowych źródeł energii. W szczególności przeprowadzono “podwójny test niezawodności 85” zgodnie z normą GB/T 2423.50. W warunkach temperatury otoczenia 85±2℃ oraz wilgotności 85±5%RH produkt poddany został 1000-godzinnej próbie starzenia; jego przewodność cieplna pozostała poniżej 8 mW/(m·K), co potwierdza jego długoterminową odporność na przenikanie wilgoci oraz stabilność parametrów termicznych. Główne wskaźniki wydajności przedstawiono w tabeli 3. Produkty serii zostały zastosowane w takich dziedzinach jak izolacja termiczna i ochrona pakietów akumulatorów litowych.
|
Tabela 3. Główne wskaźniki wydajności ultracienkiej izolacji VIP |
|
| Początkowa przewodność cieplna | 3,5 mw/（m·K） |
| Podwójny test niezawodności “85” Przewodność cieplna po 1000 godzinach | ≤ 8 mw/（m·K） |
| Spray soli octanowej miedzi
Zmiana przewodności cieplnej po 240 godzinach |
＜ 2 mw/（m·K） |
| Wytrzymałość na napięcie | 3800 VDC, nieszczelność <1 mA |
| IIzolacja | 5000 MΩ, 1000 VDC |
Pewna marka pakietów akumulatorowych stosuje identyczną grubość 3 mm pianki izolacyjnej oraz ultracienką (Yinlin ultrathin™) izolację VIP do odpowiednich zabiegów izolacyjnych. Początkowa temperatura wynosi 25℃, a następnie zestaw umieszczony jest w niskotemperaturowym środowisku –20℃. W warunkach naturalnej konwekcji temperatura pakietu z pianką spada do 0℃ w około 3,5 godziny. Natomiast pakiet zastosowany z izolacją Yinlin ultrathin™-VIP osiąga tę samą temperaturę dopiero po około 10 godzinach. Krzywa schładzania przedstawiona jest na rysunku 10; czas utrzymania ciepła różni się ponad trzykrotnie, co znacznie zwiększa adaptacyjność pakietu akumulatorowego w niskotemperaturowych warunkach oraz wydłuża jego żywotność.
Rysunek 10. Krzywa chłodzenia pakietu baterii
- 3.Co do przewodności cieplnej i dyfuzji cieplnej materiałów
Izolacja pakietów akumulatorów oraz zarządzanie termicznym pomiędzy ogniwami w nowych bateriach energetycznych wiąże się z dwoma całkowicie różnymi procesami przenoszenia ciepła: stanem ustalonym i stanem niestanowym. Dlatego parametry fizyczne, które są tu istotne, znacznie się różnią. Jak wspomniano wcześniej, pierwszy z nich dotyczy zachowania energii, podczas gdy drugi – bezpieczeństwa. W przypadku kontroli temperatury pakietów akumulatorów materiał izolacyjny i sam pakiet znajdują się raczej w stanie ustalonym lub quasi-ustalonym procesie przenoszenia ciepła. Proces ten opisuje się zazwyczaj równaniem Fouriera, a kluczowym parametrem jest wartość przewodności cieplnej k (Thermal Conductivity), czyli zdolność do przenoszenia ciepła przy określonym rozkładzie temperatury. Natomiast kontrola temperatury między ogniwami nowych baterii energetycznych, zwłaszcza procesu thermal runaway, należy do niestanowego przenoszenia ciepła, skupiając się na dynamicznych zmianach temperatury. Charakteryzuje go zwykle współczynnik dyfuzji cieplnej a lub współczynnik przewodności cieplnej. Ich fizyczne znaczenie odnosi się do zdolności poszczególnych części przedmiotu do osiągania jednolitej temperatury podczas (szybkiego) nagrzewania lub chłodzenia; wyraża to inercję cieplną danego obiektu. Im mniejszy współczynnik dyfuzji cieplnej, tym większa inercja cieplna i wolniejsze osiągnięcie stanu równowagi termicznej. Konkretnie, współczynnik dyfuzji cieplnej (a=k/ρ×Cp) odzwierciedla kompleksową zależność między zdolnością przewodzenia ciepła (k) materiału w procesie przewodzenia ciepła a pojemnością cieplną (ρ×Cp) substancji znajdujących się w drodze. Współczynnik dyfuzji cieplnej znacznie różni się w zależności od materiału. Na przykład drewno ma współczynnik dyfuzji cieplnej wynoszący 1,5×10⁻⁷ m²/s, podczas gdy aluminium – 9,5×10⁻⁵ m²/s. Ogólnie rzecz biorąc, im mniejsza przewodność cieplna, im większa gęstość, tym mniejszy współczynnik dyfuzji cieplnej i tym większa inercja cieplna materiału. Tabela 4 przedstawia zakres wartości współczynnika dyfuzji cieplnej dla różnych materiałów. Oczywiste jest, że metalowy VIP charakteryzuje się dużą inercją cieplną i jest szczególnie odpowiedni do systemów zarządzania termicznego pomiędzy ogniwami baterii.
| Tabela 4. Przewodność cieplna i współczynnik dyfuzji cieplnej różnych materiałów w temperaturze pokojowej | ||
| Materiał | Współczynnik przewodnictwa cieplnego Współczynnik cieplny
（W/m·K） |
Dyfuzja cieplna
（10⁻⁶ m²/s）-6 m2/s） |
| Metal | 4-420 | 3-165 |
| Gaz | 0.01-0.20 | 15-165 |
| Nie-metalowe (z kilkoma wyjątkami) | 0.17-70 | 0.1-1.6 |
| Płyn (nierdzewny)) | 0.05-0.68 | 0.08-0.16 |
| Typowe materiały izolacyjne cieplne | 0.04-0.12 | 0.16-1.6 |
| AAerogel Wełna | 0.016-0.025 | 0.05-0.08 |
| Metal VIP | 0.003-0.010 | ＜0,01 |
Ponadto obecnie testy wydajności termicznej ultracienkich VIP-ów stosowanych w zarządzaniu termicznym baterii koncentrują się głównie na pomiarze centralnej wartości przewodności cieplnej k. Większość urządzeń pomiarowych opiera się na standardach krajowych takich jak GB/T 10295, GB/T 10294 oraz GB/T 39704, albo na międzynarodowych standardach, np. ISO 8301 czy ASTM C518. Innymi słowy, obliczanie wartości k za pomocą równania Fouriera opisującego stały proces przenoszenia ciepła jest również polecany standardowy metodą arbitralną. Jednak większość tych przyrządów jest dostosowana do pomiaru produktów o grubości powyżej 10 mm i nie nadaje się do oceny właściwości termicznych bardzo cienkich materiałów izolacyjnych o grubości poniżej 5 mm. Co więcej, ultracienkie VIP-y zazwyczaj mają tylko 1–3 mm grubości. Nawet przy tej samej nacisku dociskowym, względny błąd pomiaru grubości jest znacznie większy niż 10%. Ponadto różnica temperatury między dwiema stronami jest stosunkowo niewielka, ale błąd pomiaru temperatury jest bardzo duży, co prowadzi do znacznych różnic w danych pomiarowych między różnymi przyrządami; niektóre nawet przekraczają 100% i nie są ze sobą porównywalne. Dlatego, aby ocenić właściwości izolacyjne ultracienkich struktur VIP, bardziej naukowo i rozsądnie jest korzystać z krzywej reakcji temperaturowej strony gorącej lub wzrostu temperatury na stronie ciepłej i zimnej przy ustalonej gęstości strumienia ciepła i określonych interwałach czasowych.
4.Perspektywa
Technologia i produkty izolacji próżniowej zostały szeroko wprowadzone do urządzeń domowych oraz innych dziedzin, stając się jedynym niezbędnym materiałem pozwalającym na oszczędność energii, redukcję zużycia oraz maksymalne wykorzystanie przestrzeni w urządzeniach chłodniczych, takich jak lodówki czy zamrażarki. Izolacja próżniowa stosowana w systemach zarządzania termicznego baterii znajduje się dopiero we wstępnej fazie rozwoju. Wymaga dogłębnej weryfikacji produktowej oraz projektowania adaptacyjnego dostosowanego do specyfiki systemów zarządzania ciepłem baterii. Jednak możliwość indywidualnego dopasowania kształtu i rozmiaru specjalnych płyt izolacyjnych próżniowych (VIP) lub konstrukcji izolacyjnych próżniowych (VIS), elastyczne połączenie materiałów membranowych, wypełnień oraz metod uszczelniania próżniowego, a także niezrównana wydajność izolacyjna, umożliwiają zintegrowane zaprojektowanie funkcji odprowadzania ciepła, izolacji, ochrony przed pożarem oraz podziału na komory ogniowe w systemach akumulatorowych. Nowe produkty płyt izolacyjnych próżniowych posiadają ogromny potencjał zastosowania w obszarze zarządzania termicznego baterii samochodowych oraz systemów magazynowania energii.
5.ROdniesienia
[1] Zhang Liyu i inni. Podstawowe badania eksperymentalne nad zależnością między parametrami baterii litowo-jonowych a temperaturą [J]. Dziennik Uniwersytetu Xi’an Jiaotong, 2018, 52 (5): 133–141.
[2] Sato N. Analiza zachowania termicznego baterii litowo-jonowych stosowanych w pojazdach elektrycznych i hybrydowych [J]. Journal of Power Sources, 2001, 99(1-2): 70–77.
[3] WILKE S., SCHWEITZER B., KHATEEB S. i inni. Zapobieganie rozprzestrzenianiu się przebiegu termicznego w pakietach baterii litowo-jonowych za pomocą kompozytowego materiału zmiany fazy: badanie eksperymentalne [J]. Journal of Power Sources, 2017, 340: 51–59.
[4] Pesaran A A. Modele termiczne baterii do symulacji pojazdów hybrydowych [J]. Journal of Power Sources, 2002, 110(2): 377–382.
[5] Rui Xinyu i inni. Przegląd problemu rozprzestrzeniania się przebiegu termicznego w bateriach litowo-jonowych [J]. Branża baterii, 2020, 24(3): 193–205.
[6] Jiangxi Zhongmao New Energy Materials Technology Co., LTD. A high-temperature resistant heat insulation sheet: CN222039868U.2024.11.22.
[7] “GB 38031-2020 Wymagania bezpieczeństwa dla baterii napędowych pojazdów elektrycznych”.
[8] “GB 18384-2020 Wymagania bezpieczeństwa dla pojazdów elektrycznych”.
[9] “GB 38032-2020 Wymagania bezpieczeństwa dla autobusów elektrycznych”.
