Az akkumulátorházak védelme kétlépcsős szellőzővel 2024.05.31

Az elektromos és hibrid járművek terjedésével a lítium-ion akkumulátorok egyre kritikusabb szerepet töltenek be az autóiparban. Az újratölthető akkumulátorok nagy energiaarányt kínálnak egységnyi térfogatra, és hatékonyan elrendezhetők csomagokban, hogy megerősítsék a járműveket. Ellentétben az otthoni elektronikában használt kisebb lítium-ion akkumulátorokkal, az autóipari lítium-ion akkumulátoroknak erős védelemre van szükségük a zord külső körülményekkel szemben, valamint megfelelő légtelenítésre van szükségük a hőmérséklet- és nyomásingadozásokhoz.

A kétfokozatú házvédő légtelenítés hatékonynak bizonyult az autóakkumulátorok igényeinek kielégítésében. Az első fokozat kiegyenlíti a nyomást, miközben megakadályozza a víz és a szennyeződések bejutását. A második fokozat szellőztetése teljesen kinyílik gyors nyomás- és hőfelhalmozódás esetén, hogy lehetővé tegye a táguló gázok távozását, megakadályozva a megmaradt cellák további károsodását. A legtöbb esetben egyetlen szellőzőszerelvény mindkét funkciót képes ellátni.

Miért van szükség védőszellőztetésre?

Az akkumulátorházak jellemzően tömített fém vagy műanyag burkolatok, amelyek célja, hogy megvédjék az akkumulátort a portól, törmeléktől és nedvességtől, például esőtől, hótól és autómosó permetektől. Ezen elemek bármelyike ​​károsíthatja az akkumulátorcellákat és a kiegészítő elektronikát, így a hatékony burkolat távol tartja a potenciálisan káros anyagokat az akkumulátortól. Az 1. ábrán látható módon egy elektromos jármű akkumulátorcsomagja több száz cellát tartalmazhat több modulban .

A szennyeződések távoltartása mellett az akkumulátorházaknak kezelniük kell a burkolat belseje és a környező légkör közötti nyomáskülönbségeket. A nyomáskülönbség nagymértékben ingadozhat a jármű normál működése során a környezeti hőmérséklet változásai, a cellákban fellépő hőképződés és a légköri nyomásváltozások miatt. Hasonlóan ahhoz, ahogy az autó utasai „fülpattanást” tapasztalhatnak hegyvidéki terepen való áthaladás közben, az akkumulátorházakban hasonló nyomásingadozások tapasztalhatók a magasság változásával.

A védőburkolat összeomlásának vagy összeomlásának megakadályozása érdekében a burkolatokat légteleníteni kell, hogy kiegyenlítsék a belső és külső nyomásokat, miközben a gyors nyomásnövekedés során keletkező gázokat fel kell szabadítani, amelyeket gyakran „termikus kifutásnak” neveznek. Akár fokozatos, akár hirtelen, a nyomásnövekedés megterhelheti a tömítéseket, ami szivárgáshoz és potenciális robbanáshoz vezethet.

A légtelenítés konkrét hatásait jobban megérthetjük, ha áttekintjük egy lítium-ion autóakkumulátor belsejét. Az akkumulátorcsomag általában két egymáshoz erősített részből áll, a csatlakozást tömítő tömítéssel. Ha a burkolat nincs megfelelően szellőztetve, akkor szivárgás alakulhat ki, miután a burkolat többszörösen kisebb nyomáskülönbségeket tapasztal. Mivel az elektromos autógyártók időnként nyolcéves garanciát kínálnak, az akkumulátorházak várhatóan legalább ennyi ideig kitartanak. A megfelelő légtelenítés csökkenti a tömítések által tapasztalt nyomáskülönbségek számát és súlyosságát, meghosszabbítva a tömítések és burkolatok várható élettartamát.

Első szakasz Szellőztetés

Az első szakasz szellőztetése, amelyet passzív szellőztetésnek is neveznek, általában egy expandált politetrafluoretilén (ePTFE) szellőzőnyíláson alapul, amely lehetővé teszi a nyomáskiegyenlítést, miközben megakadályozza a szennyeződések bejutását a burkolatba. Az ePTFE membránok, például a 2. ábrán láthatók , szabad szemmel átlátszatlannak tűnnek, és védelmet nyújtanak a víz, por, oldószerek és egyéb szennyeződések ellen. A membránban lévő szubmikron nyílások azonban lehetővé teszik a gázok áthaladását, kiegyenlítve a nyomást.

A várható szennyezőanyag-expozíció típusától függően a szellőzőnyílások különböző szintű védelmet biztosítanak az idegen testekkel és/vagy nedvességgel szemben. Egy tipikus akkumulátorházat úgy terveztek, hogy védelmet nyújtson a por, a víz alámerülés és a nagynyomású vízpermet ellen, és akár 690 millibar nyomáson is visszatartsa a vizet.

A nyomáskülönbségek csökkentése az első fokozat légtelenítése révén a 3. ábrán látható . Egy 60 perc alatt 50°C-os hőmérsékletnövekedésnek kitett akkumulátorházban nagyjából egy hideg napon beindított és nagy sebességgel hajtott autót szimulálva akár 180 millibar nyomáskülönbség is előfordulhat légtelenítés nélkül. Egy 50 mm-es átmérőjű szellőzőszerelvényű házban 10 millibarnál kisebb eltérések tapasztalhatók.

Második szakasz Szellőztetés

Míg az első szakasz szellőztetése kezeli a fokozatos nyomásváltozásokat, előfordulhat, hogy nem képes kezelni a gyors nyomásnövekedést termikus kifutás esetén. A második szakasz szellőztetését, amelyet aktív szellőztetésnek is neveznek, úgy tervezték, hogy kezelje ezeket a helyzeteket, egy teljesen kinyíló szellőzőnyílással, amely lehetővé teszi a gyorsan táguló gázok ellenőrzött módon való távozását, megakadályozva a megmaradt cellák további károsodását, valamint a maga a burkolat.

A második szakasz szellőztetését gyakran az ePTFE membránba integrált mechanikai jellemzőkkel látják el, hogy lehetővé tegyék a gyors gáztalanítást a termikus események során, amikor a gáz olyan sebességgel tágul, amelyet az ePTFE anyag nem tud passzívan kiegyenlíteni. Lényegében a szellőző megakadályozza, hogy a burkolat túllépje azt a nyomást, amely katasztrofális meghibásodást okozna egy termikus átfutási esemény során, amikor gyorsan gázok és magas hőmérsékletek keletkeznek.

A második fokozatú szellőző beépítéséhez a tervezőknek figyelembe kell venniük, hogy milyen gyorsan szabadulnak fel a gázok, és milyen nyomáson nyílik ki teljesen a szellőző. A szellőzőnyílást ezután úgy kell megtervezni, hogy a nyomást a robbanásveszélyes nyomás alatt tartsa, ami lényegében az a maximális nyomás, amelyet a burkolat képes kezelni, mielőtt eltörne.

Egy másik tervezési szempont az a nyomás, amelynél a burkolat képlékeny deformációt szenvedhet – ez visszafordíthatatlan alakváltozás. Ez nemkívánatos károkat okoz a burkolatban, de nem feltétlenül biztonsági problémákat okoz. A fémburkolatokon a plasztikus deformáció sokkal kisebb nyomáson megy végbe, mint a robbanásveszélyes nyomás. A műanyag burkolatokon a plasztikus deformáció a robbanásveszélyes nyomáshoz közelebbi nyomáson megy végbe. Következésképpen a megfelelő szellőztetési tervezésnek figyelembe kell vennie a burkolatok anyagának különbségeit.

Ha hőkiesés lép fel, az akkumulátort szervizelni és/vagy cserélni kell. A második szakasz légtelenítése nem az akkumulátor élettartamára, hanem a biztonságra összpontosít. A gázokat ki kell szellőztetni a hő csökkentésére, a mérgező vegyi anyagok fokozatos szétszóródását, hogy elkerüljük a magas koncentrációjú felhőket, és elkerüljük a repülő törmeléket, amely robbanást okozhat.

Összegzés/Következtetés

Mivel a lítium-ion akkumulátorok jelentik az elektromos járművek meghajtásának fő eszközét, a megfelelő szellőzés kiemelt fontosságúvá válik. A megfelelően megtervezett szellőzőrendszerek védelmet nyújtanak a szennyeződésekkel szemben, valamint a nyomáskiegyenlítést normál üzemi körülmények között, ami hosszabb élettartamot biztosít a burkolatokhoz és az akkumulátor élettartamához. Azon ritka esetekben, amikor az akkumulátor éppen kiég, és a nedvességtől és törmeléktől való védelem kevésbé fontos, a szellőzőrendszernek képesnek kell lennie arra is, hogy azonnali nyomáscsökkentést biztosítson, elkerülve az esetleges robbanásokat és egyéb katasztrofális következményeket. A kétfokozatú szellőzőrendszerek használata kulcsfontosságú az autóipari légtelenítési igények széles körének kezelésében.