絕佳熱能管理:浸沒式冷卻科技

IMMERSIO™模組化電池的關鍵:浸沒式冷卻

浸沒式冷卻顧名思義將電池芯浸泡在不可燃與無毒的絕緣工程冷卻液中。此冷卻液在電池包中流經所有電池芯,直接與電池芯圓柱表面接觸的方式,即時將充放電產生的熱帶走,減少因排列緊密而導致的熱失控現象。若有一顆電池芯失去功能,冷卻系統的設計能快速吸收熱能,防止影響到旁邊第二第三顆電池芯而導致延燒的連鎖現象。冷卻液本身具有防火功能,在電池包內亦扮演滅火器的角色。

主動式熱能管理

熱能管理的挑戰

熱能管理是設計電動車電池系統的最大挑戰,電池芯的最佳使用溫度範圍是非常有限的,太低溫的狀態進行充電容易導致鋰發生電鍍,太高溫又可能產生固體電解質堆積,兩種環境下都會對電池芯產生負面影響,甚至有潛在的安全疑慮。傳統的混合式電池冷卻系統利用風扇與空氣導管,而電動車電池系統較常使用的液冷方式,內部通常包含密集的冷卻液渠道、液冷板、液體導管,加上幫浦、風扇、水箱、散熱器的輔助,在少量製作的條件下,設計出一套可量產又安全的液冷電池系統往往耗費長時間研究與不符比例的開發費用。冷卻液與電池芯必須透過冷卻液套、電絕緣體、液冷板的間接接觸,相較於浸沒式冷卻的直接接觸,熱能轉移效率減少許多。

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電池芯的效能表現與使用壽命均容易受溫度影響,熱能管理的技術在長期之下更顯重要

為特殊專業載具設計的安全性特色

鋰離子電池具有強大的能量密度,能夠滿足各方面載具的動力需求,但是也很敏感容易被外界條件影響。熱壓力(例如:過熱)、電子壓力(例如:過充、過度放電、短路)、機械壓力(例如:異物刺穿、震動)等因素可能造成電池芯的失效。當單一電池芯失效,內部的材料開始進行放熱分解反應(釋放能量),分解反應的速度跟溫度呈現正相關。換句話說,隨著溫度上升活化分解反應,導致溫度進一步升高再次激活分解反應,溫度升高激活分解反應的巡迴不斷持續,直到溫度達到足以破壞電池芯的程度,此時電池芯內剩餘的能量便會轉為熱量與壓力瞬間釋放。

很多原因可能導致嚴重的電池芯失效事件,過熱、電池充電過頭、過度放電、短路、異物穿刺、震動

大部分電池系統由電池芯密集的排列在電池包裡面,當某顆失效電池芯的剩餘能量以熱量與壓力瞬間釋放,周圍其他電池芯便暴露在同樣的熱壓力、電子壓力、機械壓力下。這樣一來便點燃一系列難以控制且極度危險的連鎖反應,通常這些被稱作熱失控或熱傳播的意外。當電池芯失效與損毀的時候,會產生如水氣、二氧化碳、一氧化碳、氟化氫(HF)和一些輕烴(甲烷、乙烷)。某些氣體具有毒性(例如一氧化碳、氟化氫),輕烴則極度易燃。在高溫和富氧環境下,這些氣體很容易達到其閃點,引發進一步的爆炸和火災,牽涉許多化學原料的意外與常規火災不同,難以迅速撲滅,往往也會產生比一般火災更巨大的後續影響。

因此如何避免這類的熱失控事件並妥善處理,就是現在電池系統設計最大的難題之一。浸沒式冷卻將電池芯直接浸泡在不可燃與無毒的絕緣工程冷卻液中,此冷卻液在電池包中流經所有電池芯,直接與電池芯圓柱表面接觸的方式,即時將充放電產生的熱帶走,減少因排列緊密而導致的熱失控現象。若有一顆電芯發生故障,冷卻系統的設計能有效吸收熱能並防止熱擴散而影響到旁邊第二第三顆甚至導致延燒的現象。當液體與電池芯表面接觸,同時更能夠掌握氣體排放時形成的壓力。在浸沒式冷卻的條件下,當單一電芯失效的情況,總體溫度能夠被控制在安全範圍中,避免到達高閃點並釋放有毒氣體,有效降低爆炸或延燒的可能性。冷卻液本身具有防火功能,對電池包也扮演滅火器的角色。

鋰離子電池芯

冷卻液

絕緣殼體

浸沒式冷卻將電芯直接浸泡在抗焰與無毒的絕緣工程液體中

設計浸沒式冷卻電池系統需要考慮在電池模組內讓冷卻液流通的流動空間,為了最大化電池包內的有限空間,模組彼此之間必須緊密的堆疊,維持暢通的冷卻液渠道讓冷卻液流過,整組系統必須設計為防漏的密封等級才能維持電池系統的穩定性。冷卻液的選擇也是一大課題,因為冷卻液會直接與電池芯接觸,液體本身必須具有絕緣的特性,因此水跟乙二醇就不在選項之中。氫氟醚近幾年已成為替代諸如CFC和HFCS等消耗臭氧的製冷劑,也可用作浸沒式冷卻電池系統中的絕緣冷卻液。

浸沒式冷卻電池系統的設計概念與傳統液冷電池系統完全不同,浸沒式冷卻電池系統將主要的冷卻媒介冷卻液融入到電池包內部,免除額外的間接接觸媒介例如液冷板與冷卻水管。此外,釋放壓力的功能已經成為電池系統的必備功能之一,凸顯出電池系統的設計必須是完全密封的狀態,冷卻液自電池芯轉移熱量或流經整個電池系統的能力容易被任何濕氣或空氣產生影響。

浸沒式冷卻能有效分散熱能以達到電池芯之間的均溫狀態 。

創新的電池系統熱能管理技術

電動車的需求在全球各地呈現大幅成長的潛力,意味著電池規格需要更高安全標準與更長的里程數。浸沒式冷卻的優點即為利用冷卻液直接接觸電池芯表面,維持電池系統內部的均溫狀態。穩定的溫度控制與熱能調節讓電池芯的效能提升,延長使用壽命,並抑制產生熱失控的可能性,增加各種極端環境的適應性。相比乘用車的電動車選擇廣泛,非公路載具因為具有較少數量與較廣車型的特色,反而適合採用浸沒式冷卻電池,以達到更安全穩定的操作環境與更耐久的車輛使用壽命。

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行競科技是浸沒式冷卻科技應用在電動車的領導者

WHITE PAPER

如何設計非公路載具的電池系統

Certain challenges emerge with the electrification of off-highway vehicles, which include most non-road mobile machinery. There are also opportunities for battery makers to tap into the off-highway vehicle market and secure a significant market share. This white paper aims to address two critical areas for battery design for off-highway vehicles, cycle life and thermal management.

SAFETY
BROCHURE

IMMERSIO

模組化電池系統安全性介紹

Within IMMERSIO™, three major components make this battery system the safest choice on the market: the Cooling System, the Battery Management System (“BMS”), and the Battery Active Safety System (“BASS”). The philosophy that threads these three parts together is XING Mobility’s Advanced Safety engineering design.