منع الانفلات الحراري في البطاريات

التهديد الأكبر للبطاريات هو الهروب الحراري، حيث تتجاوز الحرارة المتولدة معدل التبديد، مما يؤدي إلى سلسلة من التفاعلات الطاردة للحرارة. يمكن أن يؤدي ذلك إلى نشوب حرائق وفشل كامل للبطارية، مما يؤثر على مكونات السيارة الأخرى. لمنع الانفلات الحراري واحتوائه، يشتمل تصميم البطارية على وسادات ضغط ومرفقات الوحدة وأغلفة البطارية. يتم وضع وسادات الضغط بين الخلايا لمنع انتشار الحرارة، بينما تحتوي الوحدة على خلايا جماعية لاحتواء الانفلات الحراري داخل الوحدات. وأخيرًا، يتم وضع هذه الوحدات في غلاف البطارية لحماية أجزاء السيارة الأخرى من التأثيرات الحرارية المنفلتة.

تصميم غلاف البطارية

تختلف حاويات بطاريات السيارات الكهربائية بشكل كبير من حيث التصميم والشكل والحجم، اعتمادًا على نوع البطارية ومتطلبات التبريد وتوزيع الوحدة والتطبيق. بشكل عام، تتكون حاوية الوحدة من:

1. السكن الأساسي،

2. الغلاف الخارجي،

3. لوحة اتصال تربط بين المكونات الداخلية والخارجية،

4. صمام عادم لموازنة الضغط أو إطلاق الغاز أثناء الهروب الحراري.

اختيار المواد لحاويات البطارية

يجب أن تتمتع المواد المستخدمة في حاويات البطاريات بأداء حراري عالي وخصائص ميكانيكية جيدة وخفيفة الوزن. تقليديا، تم تفضيل الألومنيوم والصلب لمقاومتهما للحرارة وملاءمتهما للإنتاج الضخم. ومع ذلك، لا يمكن التحكم في كتلة المواد المعدنية بشكل جيد، خاصة بالنسبة للمركبات الهجينة والكهربائية، حيث يعني انخفاض كتلة المركبة كثافة طاقة أعلى ومدى أطول. حاليًا، يمكن أن تمثل البطاريات ما يصل إلى 50% من إجمالي كتلة السيارة.

المواد المركبة

توفر المواد المركبة بديلاً خفيف الوزن ويمكن أن تتفوق على المعادن في العديد من الجوانب، على الرغم من أنها أكثر تعقيدًا وتكلفة. على سبيل المثال، استبدل هيكل البوليمر المقوى بألياف الكربون الذي تم تطويره لعملاء رياضة السيارات، هيكلًا من الألومنيوم يبلغ وزنه 6.7 كجم (14.8 رطلاً) بهيكل مركب يزن 616 جرامًا (1.35 رطلاً) فقط، مما أدى إلى تقليل الوزن بنسبة 91%. تم استخدام مواد التقوية الحرارية من ألياف الكربون لأدائها الحراري والميكانيكي العالي. توفر ألياف الكربون القوة والصلابة، في حين يتم تشريب أنظمة الراتنج عالية الجودة، مثل الإيبوكسي مسبقًا. ومع ذلك، فإن عمليات التركيب اليدوية، وأوقات المعالجة الطويلة، والاعتماد على الأوتوكلاف تحد من إنتاج حاويات البطاريات سابقة التجهيز.

ميزة أخرى للمواد المركبة هي القدرة على تحسين اتجاه الألياف لتلبية متطلبات الحمل المحددة لكل حاوية بطارية. يتم استخدام تحليل العناصر المحدودة (الهيئة الاتحادية للبيئة) على نطاق واسع في عملية التصميم لتحديد اتجاه الألياف والعدد المطلوب من الطبقات، مما يضمن صلابة وقوة عالية مع الحفاظ على الوزن الخفيف. لا تزال الخصائص المتناحية للمعادن توفر مزايا، وغالبًا ما تستخدم حول الوصلات المثبتة بمسامير لتوفير قوة وصلابة إضافية. تحاكي برامج مثل شبكة مفرطة وOptistruct المواد المركبة متباينة الخواص في حاويات البطارية.

عزل كهربي

يعتبر العزل الكهربائي أحد الاعتبارات الأخرى عند تطوير حاويات البطارية. نظرًا لأن ألياف الكربون موصلة، يتم دمج طبقات الألياف الزجاجية في الصفائح لعزل مكونات إلكترونية محددة.

شهادة

لضمان الأداء الحراري للبطاريات والمرفقات، يجب عليها اجتياز اختبارات ومعايير السلامة المختلفة للحصول على الشهادات. المعيار الأول هو UN38.8، الذي يضمن سلامة بطاريات الليثيوم أثناء النقل من خلال ثمانية اختبارات، بما في ذلك محاكاة الارتفاع، والاختبار الحراري، والاهتزاز، والصدمات، والدائرة القصيرة الخارجية، والتأثير والسحق، والشحن الزائد، والتفريغ القسري. تحتاج البطاريات أيضًا إلى شهادة بموجب اللجنة الاقتصادية لأوروبا R100 REV2، والتي تحدد الاختبارات اللازمة لبطاريات الليثيوم المثبتة في المركبات الكهربائية ذات الأربع عجلات لنقل الأشخاص أو البضائع. وفي مجال الطيران، يجب مراعاة معايير أخرى مثل DO311A وDO160G.

المحاكاة الحرارية للبطارية

بالنسبة لحاويات البطاريات، يجب أن تستوفي المواد المركبة معايير السلامة الخاصة بقابلية الاشتعال يو ال94، والتي تتضمن العديد من اختبارات الحرق السطحية والرأسية والأفقية. يتم تطبيق النيران الخاضعة للرقابة على المادة عدة مرات خلال فترة محددة، ويحدد وقت حرق المادة المستمر، بالإضافة إلى الأدلة على الاحتراق أو القطرات المشتعلة، ما إذا كانت تلبي تقييمات يو ال94's V0 أو V1 أو V2. كلما كان إطفاء اللهب ذاتيًا أسرع، زادت مقاومة المادة، حيث يكون V0 هو أعلى تصنيف، وينطفئ خلال 10 ثوانٍ دون قطرات لهب.