การเลือกวัสดุเชื่อมต่อในการระบายความร้อนที่เหมาะสมสำหรับโมดูลแบตเตอรี่ EV:เจลระบายความร้อนหรือแผ่นกันความร้อน?

เนื่องจากระบบแบตเตอรี่รถยนต์ไฟฟ้ามีขนาดกะทัดรัดและใช้พลังงานหนาแน่นมากขึ้น การเลือกวัสดุเชื่อมต่อในการระบายความร้อน (TIM) ที่เหมาะสมจึงกลายเป็นการตัดสินใจที่สำคัญทางวิศวกรรม อินเทอร์เฟซการระบายความร้อนที่ไม่ดีสามารถเพิ่มความต้านทานความร้อน ลดความสม่ำเสมอของแบตเตอรี่ และทำให้อายุการใช้งานสั้นลง

เป็นเวลาหลายปีมาแล้วที่แผ่นระบายความร้อนเป็นโซลูชั่นมาตรฐานในการถ่ายเทความร้อนจากเซลล์แบตเตอรี่ไปยังแผ่นทำความเย็นด้วยของเหลว อย่างไรก็ตาม ด้วยระบบอัตโนมัติที่เพิ่มขึ้นและโครงสร้างแบตเตอรี่ที่ซับซ้อนมากขึ้น ผู้ผลิตหลายรายจึงประเมินเจลนำความร้อนเป็นทางเลือกหนึ่ง

บทความนี้จะเปรียบเทียบโซลูชันทั้งสองจากมุมมองทางวิศวกรรม และอธิบายว่าเจลระบายความร้อนให้ข้อดีที่วัดผลได้ที่ไหน

เหตุใดโมดูลแบตเตอรี่จึงต้องมีอินเทอร์เฟซระบายความร้อนที่ยืดหยุ่น

ต่างจาก CPU หรือโมดูลจ่ายไฟที่มีพื้นผิวค่อนข้างเรียบ โมดูลแบตเตอรี่มีเกณฑ์ความคลาดเคลื่อนในการผลิตหลายประการ

วิศวกรจะต้องคำนึงถึง:

• การเปลี่ยนแปลงความสูงของเซลล์

• ความทนทานต่อความเรียบของโมดูล

• เซลล์บวมระหว่างการชาร์จ

• การเสียรูปของโครงสร้างภายใต้แรงสั่นสะเทือน

• พื้นผิวแผ่นทำความเย็นไม่สม่ำเสมอ

เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงขนาดเหล่านี้เกิดขึ้นตลอดอายุการใช้งานแบตเตอรี่ การรักษาหน้าสัมผัสความร้อนให้สม่ำเสมอจึงเป็นเรื่องที่ท้าทายมากกว่าการเลือกวัสดุที่มีการนำความร้อนสูง

ข้อจำกัดของแผ่นระบายความร้อนแบบธรรมดา

แผ่นความร้อนมีจำหน่ายในความหนาคงที่

แม้ว่าจะให้การถ่ายเทความร้อนที่เชื่อถือได้ภายใต้สภาวะที่มีการควบคุม แต่จะมีประสิทธิภาพน้อยลงเมื่อขนาดช่องว่างแตกต่างกันอย่างมาก

ความท้าทายด้านวิศวกรรมทั่วไป ได้แก่:

• ต้องใช้แผ่นหนาหลายชั้นสำหรับแพลตฟอร์มแบตเตอรี่ที่แตกต่างกัน

• เครื่องมือแบบไดคัททำให้ต้นทุนโครงการเพิ่มขึ้น

• การติดตั้งด้วยตนเองจะลดประสิทธิภาพการผลิต

• ความสอดคล้องที่จำกัดกับพื้นผิวที่ผิดปกติ

• ความเครียดในการประกอบที่สูงขึ้นในเซลล์แบตเตอรี่

สำหรับผู้ผลิตแบตเตอรี่ที่ต้องการการผลิตแบบอัตโนมัติขั้นสูง ข้อจำกัดเหล่านี้มีความสำคัญมากขึ้นเรื่อยๆ

ทำไมเจลนำความร้อนกำลังได้รับความนิยม

เจลระบายความร้อนแบบจ่ายได้มีลักษณะแตกต่างจากแผ่นช่องว่างแบบเดิม

แทนที่จะบังคับโมดูลแบตเตอรี่ให้ตรงกับวัสดุเชื่อมต่อ เจลจะปรับให้เข้ากับโมดูลแบตเตอรี่เอง

หลังจากการจ่ายและการบ่ม วัสดุจะสร้างวิถีทางความร้อนอย่างต่อเนื่องในขณะที่ยังคงความสอดคล้องทางกลที่ดีเยี่ยม

ข้อดีทั่วไป ได้แก่:

การปรับช่องว่างที่ดีขึ้น

กระบวนการจ่ายครั้งเดียวสามารถรองรับช่องว่างส่วนต่อประสานได้ตั้งแต่ประมาณ 0.5 มม. ถึง 5 มม. โดยไม่ต้องเปลี่ยนความหนาของวัสดุ

ลดความเครียดทางกล

เนื่องจากเจลระบายความร้อนมีโมดูลัสยืดหยุ่นต่ำมาก จึงสร้างแรงกดบนเซลล์แบตเตอรี่น้อยที่สุด ขณะเดียวกันก็รักษาการสัมผัสความร้อนให้คงที่

นี่เป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งสำหรับเซลล์ลิเธียมไอออนที่ขยายตัวระหว่างการปั่นจักรยาน

การผลิตแบบง่าย

เจลความร้อนช่วยลดขั้นตอนการตัดด้วยไดคัท

เมื่อการออกแบบแบตเตอรี่เปลี่ยนไป ผู้ผลิตเพียงปรับเปลี่ยนโปรแกรมการจ่าย แทนที่จะซื้อเครื่องมือใหม่

ปรับปรุงความสม่ำเสมอในการผลิต

การจ่ายอัตโนมัติช่วยลดความผันแปรในการประกอบด้วยมือ ช่วยเพิ่มผลผลิตและความสามารถในการทำซ้ำของกระบวนการ

เจลความร้อนเทียบกับแผ่นความร้อน

แทนที่จะเปลี่ยนแผ่นระบายความร้อนในทุกการใช้งาน เจลระบายความร้อนให้ประโยชน์ที่ชัดเจน โดยที่ระบบการผลิตอัตโนมัติและรูปทรงที่ซับซ้อนมีความสำคัญเป็นอันดับแรก

ความน่าเชื่อถือมีความสำคัญมากกว่าประสิทธิภาพเริ่มแรก

การนำความร้อนเริ่มต้นบอกเล่าเรื่องราวเพียงบางส่วนเท่านั้น

วัสดุแบตเตอรี่รถยนต์จะต้องทำงานต่อไปหลังจากการสั่นสะเทือน การหมุนเวียนของความร้อน การสัมผัสกับความชื้น และการทำงานอย่างต่อเนื่องเป็นเวลาหลายปี

โดยทั่วไปวิศวกรจะประเมินเจลระบายความร้อนโดยใช้การทดสอบต่างๆ เช่น:

• การจัดเก็บที่อุณหภูมิสูง

• ช็อกความร้อน

• การสั่นสะเทือนแบบสุ่ม

• การกู้คืนการบีบอัด

• ต้านทานการตกเลือดของน้ำมัน

• ฉนวนไฟฟ้า

• ประสิทธิภาพการหน่วงไฟ

การรักษาความต้านทานส่วนต่อประสานให้คงที่ตลอดอายุการใช้งานของผลิตภัณฑ์มักจะมีคุณค่ามากกว่าการได้รับค่าการนำไฟฟ้าเริ่มต้นที่สูงขึ้นเล็กน้อย

ที่ Thermal Gel ทำงานได้ดีที่สุด

เจลนำความร้อนเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานที่เกี่ยวข้องกับ:

• การเชื่อมต่อระหว่างเซลล์แบตเตอรี่กับเพลทเย็น

• ส่วนประกอบโมดูลแบตเตอรี่

• ระบบกักเก็บพลังงาน

• การระบายความร้อนของบัสบาร์

• อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์การจัดการแบตเตอรี่

• ตัวแปลงไฟ DC-DC

• ที่ชาร์จออนบอร์ด

ความสามารถในการสอดคล้องกับรูปทรงที่ผิดปกติช่วยให้วิศวกรมีอิสระในการออกแบบมากขึ้น ขณะเดียวกันก็ทำให้การผลิตง่ายขึ้น

แนวโน้มในอนาคตในการจัดการความร้อนของแบตเตอรี่

ผู้ผลิตแบตเตอรี่กำลังมุ่งสู่:

• ก้อนแบตเตอรี่ขนาดใหญ่ขึ้น

• Cell-to-Pack (CTP)

• เซลล์ถึงแชสซี (CTC)

• สถาปัตยกรรม 800 V

• สายการประกอบอัตโนมัติเต็มรูปแบบ

การพัฒนาเหล่านี้ต้องการวัสดุเชื่อมต่อในการระบายความร้อนที่ผสมผสานประสิทธิภาพการระบายความร้อน ความสอดคล้องทางกลไก และประสิทธิภาพการผลิต

เจลนำความร้อนสอดคล้องกับข้อกำหนดเหล่านี้ได้ดีโดยนำเสนอการจ่ายที่ยืดหยุ่น ความสามารถในการอุดช่องว่างที่ดีเยี่ยม และเข้ากันได้กับการผลิตอัจฉริยะ

ความคิดสุดท้าย

การเลือกวัสดุเชื่อมต่อในการระบายความร้อนที่เหมาะสมนั้นเกี่ยวข้องมากกว่าการเปรียบเทียบค่าการนำความร้อน

ประสิทธิภาพการผลิต ความน่าเชื่อถือในระยะยาว ความทนทานต่อการประกอบ ความต้านทานต่อการสั่นสะเทือน และต้นทุนการผลิตโดยรวม ล้วนมีอิทธิพลต่อการตัดสินใจขั้นสุดท้าย

สำหรับโมดูลแบตเตอรี่ EV สมัยใหม่ เจลนำความร้อนแบบสององค์ประกอบมอบโซลูชันที่น่าสนใจมากขึ้นโดยการรวมการถ่ายเทความร้อนที่มีประสิทธิภาพเข้ากับการประมวลผลแบบอัตโนมัติ และความสามารถในการปรับตัวที่โดดเด่นกับโครงสร้างแบตเตอรี่ที่ซับซ้อน