نقش سپر حرارتی در مدیریت حرارتی ماشین الکتریکی

وسایل نقلیه الکتریکی (EVs) وابسته به سیستم های مدیریت حرارتی پیچیده برای حفظ سلامت باتری، بهره وری موتور و راحتی مسافر است. سپرهای حرارتی یک لایه بحرانی در این سیستم هستند، طراحی شده برای منعکس یا جذب اشعه حرارتی و محافظت از اجزای حساس از دماهای شدید احتراق داخلی، به ویژه وسایل نقلیه موتور احتراق داخلی معمولی، محافظ گرما در برابر گرمای اگزوز، در EVs، چالش برای مدیریت گرما با تولید باتری های الکتریکی بالا، و یا عملکرد سریع الکتریکی -

با سرعت پذیرش EV، مهندسان در حال تجدید نظر در هر جزء که به وزن خودرو کمک می کند، یک وسیله نقلیه سبک تر انرژی کمتری برای حرکت مصرف می کند، به طور مستقیم گسترش محدوده رانندگی. سپر حرارتی، به طور سنتی از فولاد ضخیم یا تشک های سنگین، تبدیل به یک هدف اصلی برای سبک سازی شده است.با کاهش توده سپر گرما بدون به خطر انداختن عملکرد حرارتی، تولید کنندگان می توانند دامنه، شارژ، و هزینه های تولید پایین تر را بهبود بخشند.

وزن و محدوده: تجارت بحرانی

هر کیلوگرم اضافه شده به EV افزایش مصرف انرژی.مطالعات از وزارت انرژی ایالات متحده نشان می دهد که کاهش 10٪ وزن خودرو می تواند محدوده را با تقریبا 6 /8% در وسایل نقلیه باتری الکتریکی افزایش دهد، در حالی که سپرهای حرارتی ممکن است تنها 5 تا 15 کیلوگرم در یک EV معمولی، قرار دادن آنها در نزدیکی بسته باتری و موتور به این معنی است که حتی پس انداز می تواند اثرات متوسط بر عملکرد حرارتی و عملکرد کلی داشته باشد.

سپرهای حرارتی سنتی اغلب به فولادهای با چگالی بالا یا پتوهای سرامیکی چند لایه متکی هستند.این مواد محافظت حرارتی عالی را ارائه می دهند اما توده قابل توجهی را اضافه می کنند.در مقابل، جایگزین های سبک مدرن - مانند کامپوزیت های پلیمری-ماtrix، آئروگل ها و فوم های فلزی پیشرفته - قابل مقایسه یا عملکرد حرارتی برتر در یک بخش از وزن.

مواد و فن آوری برای قدرت حرارتی Shields

کامپوزیت های پیشرفته

سپرهای حرارتی کامپوزیت یک ماتریس رزین با دمای بالا را با الیاف تقویت کننده مانند کربن یا شیشه ترکیب می کنند، این مواد می توانند به شکل های پیچیده قالب بندی شوند، به عنوان مثال، مهندسان اجازه می دهند ضخامت و سفت و سخت را دقیقا در جایی که نیاز است، کامپوزیت ها کاهش وزن 40 تا 60٪ در مقایسه با فولاد، همراه با مقاومت خستگی عالی و ایمنی خوردگی، فراهم می کنند.

Aerogels

سیلیکا Aerogels در میان روشن ترین مواد جامد شناخته شده است، با پروتز به عنوان کم به عنوان کم به اندازه 0.1 g /cm3، ساختار نانو متخلخل آنها حمل و نقل هوا و بلوک انتقال گرما از طریق رسانا و دفع است.هنگامی که در یک پارچه انعطاف پذیر یا فویل فلزی نازک، پتوهای آئروگل عایق حرارتی استثنایی در ضخامت فقط 2 -5 تولید کنندگان عمده وزن در حال حاضر محدود است.

پوشش های فیلم نازک

به جای اضافه کردن عمده، برخی از طرح ها پوشش های انعکاسی را به طور مستقیم به ساختارهای خودرو موجود اعمال می کنند. روکش های سرامیکی با ولتاژ بالا یا چند لایه فلزی - پشته های الکتریکی می توانند تابش مادون قرمز را از طریق الکترونیک حساس هدایت کنند.این پوشش ها اضافه وزن ناچیز - اغلب کمتر از 50 گرم در متر مربع - در حالی که کاهش شار حرارت تا 70٪ راه حل های نازک فیلم به ویژه در مناطق محدود مانند شارژر و شارژرهای محدود موثر است.

کف فلزی

فوم های آلومینیومی یا فولاد شامل یک ساختار سلولی است که سفت و سخت بودن بالا را با چگالی کم فراهم می کند، هنگامی که به عنوان یک بستر محافظ حرارتی استفاده می شود، فوم های فلزی هر دو به عنوان یک مانع حرارتی عمل می کنند و یک جذب کننده سلول باز آنها اجازه می دهد تا کانال های خنک کننده یکپارچه، قادر به مدیریت حرارتی فعال است.

بهینه سازی طراحی از طریق شبیه سازی

تجزیه و تحلیل عنصر Finite (FEA) و دینامیک مایع محاسباتی (CFD) ابزار ضروری برای طراحی سپر حرارتی سبک تبدیل شده است. مهندسان می توانند توزیع دما را در چرخه های مختلف رانندگی شبیه سازی کنند - توقف و-go، کروز بزرگراه و پیگیری رانندگی - برای شناسایی نقاط و بهینه سازی مواد، الگوریتم های بهینه سازی می توانند به طور خودکار مواد را در مناطق کم استرس کاهش دهند، و در نتیجه تنها در استفاده از توده ای که عملکرد توده ای را شکل می دهد.

ترکیب شبیه سازی با اعتبار سنجی در دنیای واقعی چرخه های توسعه را کوتاه می کند و نیاز به نمونه سازی فیزیکی را کاهش می دهد، به عنوان مثال، طراحی آن می تواند 15 تا 20 درصد بیشتر از یک سپر حرارتی بهینه شده قبل بدون قربانی کردن حاشیه های ایمنی حرارتی را تنظیم کند، زیرا شبیه سازی وفاداری با محاسبات GPU-Stater بهبود می یابد، حتی سبک وزن تهاجمی تر امکان پذیر می شود.

ادغام با Battery Pack و سیستم های موتور

اثربخشی سپر حرارتی نه تنها به مواد آن بستگی دارد، بلکه در چگونگی ادغام آن با سیستم های اطراف، در بسته باتری، سپرهای حرارتی اغلب بین سلول ها یا ماژول ها و محفظه بسته بندی می نشینند. سپرها باید هنوز هم با استانداردهای مقاومت شدید آتش (به عنوان مثال، UL 2596 یا FMV 302) و جلوگیری از انتشار حرارتی پیشرفته (تغییرات) در هنگام خرید سیستم های خنک کننده دیرهنگام واکنش نشان دهند.

برای موتورهای الکتریکی، سپرهای حرارتی از آهنرباهای روتور از تخریب و پیچهای استاتور از تخریب عایق محافظت می کنند، زیرا تراکم قدرت موتور افزایش می یابد، بنابراین دمای محلی را فعال می کنند.عون های سبک تر ساخته شده از فیلم های پلیاید با دمای بالا یا فلزات نانو کریستالی می توانند میکرومترها را از قطعات چرخان دور کنند بدون اضافه کردن inrtia.

نوآوری های تولیدی: 3D چاپ و فراتر از آن

تولید افزودنی (3D چاپ) امکانات جدیدی را برای طراحی سپر حرارتی باز می کند.تخمه لیزر انتخابی (SLS) از پلیمرهای با دمای بالا و تنظیم فلز (DMLS) از آلیاژهای آلومینیوم اجازه می دهد تا برای ساختارهای شبکه ای که به حداکثر رساندن نسبت های قدرت به وزن. A3D-printed گرما می تواند کانال های خنک کننده داخلی، نصب و کارفرمایان و کاهش پیچیدگی مونتاژ منفرد، و کاهش اتصال را ترکیب کند.

سایر تکنیک های نوظهور شامل فرمت فشرده سازی ترکیب قالب ورق (SMC) با پرکننده های مواد معدنی سبک و اسپری روباتیک کامپوزیت های فیبر خرد شده است، این روش ها از تولید با حجم بالا پشتیبانی می کنند در حالی که هزینه های هر بخش را با اتوماسیون فولادی سنتی مطابقت می دهد، کیفیت سازگار را تضمین می کند - یک عامل حیاتی برای اجزای حرارتی ایمنی حیاتی است.

مزایای فراتر از کاهش وزن

سپر حرارتی سبک مزایایی را ارائه می دهد که فراتر از پس انداز توده ای ساده گسترش می یابد. هدایت حرارتی بهبود یافته در برخی از مواد سبک وزن می تواند به تخلیه گرما کمک کند، کاهش نقاط داغ که زندگی باتری را کاهش می دهند، Aerogels و فوم های خاص نیز مرطوب کننده صدا را فراهم می کنند، و EV ها را با جذب صدای موتور و جاده آرام می کنند، علاوه بر این، بسیاری از مواد سبک به طور طبیعی مقاوم هستند، و فواصل تعمیر و نگهداری خدمات را گسترش می دهند.

از منظر تولید، سپرهای حرارتی سبک تر هزینه حمل و نقل و مصرف انرژی را در طول تولید کاهش می دهند، هنگامی که با مواد بازیافت شده یا مبتنی بر زیست (به عنوان مثال، کامپوزیت های فیبر فلاکس)، آنها می توانند مشخصات کلی پایداری خودرو را بهبود بخشند – یک عامل به طور فزاینده مهم برای خریداران و بدن های نظارتی.

هزینه همچنان یک مانع برای برخی از مواد پیشرفته است، اما اقتصادهای مقیاس قیمت رانندگی پایین می رود. بازار جهانی سپر حرارتی پیش بینی می شود تا سال 2030 بیش از 10 میلیارد دلار تجاوز کند، با راه حل های سبک گرفتن سریع ترین بخش رشد.

چالش ها و چشم انداز آینده

علی رغم مزایای روشن، چندین چالش باقی مانده است.مواد سبک وزن باید از محیط های سخت خودرو - بادها، رطوبت، دوچرخه سواری حرارتی و نوردهی UV - بیش از 10 تا 15 سال خدمات باقی بمانند. پیوستن به مواد جدا شده (به عنوان مثال پیوند یک aerogel به یک قاب آلومینیومی) نیاز به چسب یا اتصال مکانیکی دارد که پل های حرارتی را معرفی نمی کند.

تحقیقات در مورد پوشش های خود شفا و آلیاژهای شکل گیری ([ویرایش] می تواند مسائل مربوط به دوام را در هم زمان، پیشرفت در یادگیری ماشین، کشف خودکار فرمول های کامپوزیت جدید را که هدایت حرارتی، وزن و هزینه را به طور همزمان، مشارکت بین خودروسازان، تامین کنندگان مواد و آزمایشگاه های ملی (مانند U.S. [تکنولوژی] ادامه می دهد.

با نگاهی به جلو، ادغام سپرهای حرارتی با سیستم های خنک کننده فعال - مانند صفحات سرد مایع و یا ماژول های حرارتی جامد - خط بین مدیریت حرارتی منفعل و فعال را تار می کند. - معماری چند منظوره که عایق، پشتیبانی ساختاری و تنظیم حرارتی را ترکیب می کند می تواند استاندارد برای نسل بعدی سیستم عامل های الکتریکی شود.

نتیجه گیری

طراحی سپرهای حرارتی سبک برای وسایل نقلیه الکتریکی صرفا یک ورزش در کاهش وزن نیست - این یک اهرم استراتژیک برای بهبود دامنه، عملکرد و پایداری است. با استفاده از مواد پیشرفته، بهینه سازی شبیه سازی مبتنی بر شبیه سازی و فرآیندهای تولید جدید، مهندسان می توانند توده سپر حرارتی را تا 30 تا 60٪ بدون ایمنی یا دوام کاهش دهند.

برای مطالعه بیشتر در استراتژی های مدیریت حرارتی در خودروهای معاصر، انجمن مهندسان خودرو (SAE) منابع گسترده ای را در مورد طرح حرارتی بسته فراهم می کند، در حالی که تحقیقات از آزمایشگاه انرژی تجدید پذیر ملی ( NREL مدیریت حرارتی بینش های مربوط به خنک کننده و نوآوری های حرارتی را ارائه می دهد.