Materiały termoprzewodzące w magazynach energii

W inżynierii elektrycznej postęp technologiczny spowodował potrzebę szukania nowych rozwiązań z dziedziny odprowadzania ciepła.

Pojawienie się na rynku materiałów termoprzewodzących pozwoliło na modernizację (głównie miniaturyzację) aplikacji. Umożliwione to zostało dzięki zdolnościom tych elementów do przewodzenia ciepła i izolacji elektryczne. Z upływem czasu zaczęto rozważać wykorzystywanie materiałów termoprzewodzących w bankach energii, które pod wpływem wysokich temperatur funkcjonują znacznie gorzej i są bardziej awaryjne.

Przy projektowaniu systemów chłodzenia trzeba wziąć pod uwagę wiele czynników:

• odporność elektryczna (izolacja i rezystancja)
• wytrzymałość na czynniki zewnętrzne (temperatura, wstrząsy, pyły)
• średnia i maksymalna moc urządzenia
• maksymalna temperatura pracy
• wydajność układu chłodzenia
• gładkość/porowatość powierzchni chłodzącej.

Najważniejszymi parametrami charakteryzującymi materiały termoprzewodzące są:

Przewodność cieplna – jest to ilość ciepła, która przepłynie przez dany materiał w konkretnych warunkach i czasie. Każdy materiał ma inną wartość przewodności cieplnej, przez co nie każdy nadaje się do aplikacji odprowadzających ciepło. W materiałach termoprzewodzących, najczęściej wykorzystuje się mieszanki drobinek tlenków metali (wypełniacz) o różnej wielkości i kształcie w celu uzyskania odpowiedniej wartości przewodności.

Rezystancja termiczna – jest to wartość oporu, jaki dany materiał stawia przepływowi ciepła. W systemach chłodzenia, rezystancja termiczna ma bardzo duże znaczenie – chcemy dobrać materiał o najniższej rezystancji termicznej, aby uzyskać jak najlepsze osiągi w odprowadzaniu ciepła. Jednym z głównych celów takich aplikacji jest usunięcie obecności luk powietrza pomiędzy powierzchniami złącz, ponieważ powietrze ma duża rezystancję termiczną.

Rodzaje wykorzystywanych materiałów w magazynach bateryjnych.

Kleje termoprzewodzące – są to specjalne kleje przystosowane do pracy w trudnych warunkach. Wytrzymują wysokie temperatury oraz nie wysychają, co powoduje, że są w stanie utrzymać swoje właściwości na długi czas użytkowania. Zastosowanie kleju poprawia odprowadzanie ciepła, jednocześnie mocując ze sobą złącza, co pozwala na wyeliminowanie z aplikacji potrzeby użycia wkrętów lub klipsów. Najczęściej wykorzystywane do stabilizacji i mocowania ogniw akumulatora, zmniejszając tym samym awaryjność urządzenia przy jednoczesnym zapewnieniu optymalnego odprowadzania ciepła.

Wypełniacze szczelin (GFL) – są mieszankami termicznymi, których można używać do hermetyzacji urządzeń oraz nakładania na radiatory czy pokrywy obudów. Ich ważną zaletą jest łatwość aplikacji, która pozwala na zabezpieczanie skomplikowanych geometrii. Za pomocą tych materiałów wykonuje się zazwyczaj tzw. „tor przewodnictwa”. Zastosowanie tego rozwiązania przekłada się na poprawę właściwości termicznych, zapewnienie amortyzacji i stabilności aplikacji. Dodatkowo zastosowanie wypełniaczy poprawia izolację elektryczną, co przekłada się na bezpieczeństwo użytkowania urządzenia elektrycznego.

Materiały wypełniające – są to materiały bardzo zbliżone strukturą do wypełniaczy szczelin, jednak różnią się właściwościami mechanicznymi i elektrycznymi. Materiały wypełniające to folie o konkretnej geometrii, dostarczane w postaci arkuszy, rolek lub wyciętych pod konkretny kształt elementów. Są przystosowane do kompensowania nierówności komponentów przez co najlepiej usuwają obecne pęcherze i luki powietrza, oraz znajdują zastosowania w aplikacjach wrażliwych na nacisk.

Co daje zastosowanie materiałów termoprzewodzących?

Analizując wpływ temperatury na akumulatory należy zauważyć, że zmienna temperatura jest czynnikiem, który znacząco wpływa na wydajność baterii. Wzrost temperatury ponad temperaturę zalecaną przez producentów przekłada się na znaczne spadki pojemności, które dochodzić mogą nawet do 50% pojemności akumulatora. Praca w niekorzystnej temperaturze powoduje, że po jakimś czasie bateria starzeje się, co przekłada się na jej awaryjność. Dlatego wykorzystanie materiałów do skutecznego odprowadzania ciepła w celu zachowania optymalnej temperatury pozwala na dłuższy czasu pracy magazynu energii oraz poprawieniu jego wydajności.

Materiały termoprzewodzące dodatkowo pozwalają na ustabilizowanie ogniw akumulatora oraz całego akumulatora względem pojazdu, chroniąc go przed uszkodzeniami mechanicznymi. Jest to ważne z uwagi na to, że potencjalne wstrząsy którym może podlegać magazyn energii, powodują wypadanie masy czynnej płyt z ogniw. To z kolei prowadzi do spadku pojemności akumulatora, a w skrajnych przypadkach do zwarcia wewnętrznego. Awaria tego rodzaju niszczy akumulator i skutkuje koniecznością jego wymiany.

W magazynach energii występują usterki związane z prądami pływowymi. Stwarzają one zagrożenie dla osób pracujących w okolicy. Prądy upływowe mogą występować w wyniku: zabrudzenia bloku bateryjnego, wycieku elektrolitu przez obudowę baterii bądź poprzez powstawanie szczelin i pęknięć w obudowie baterii. Zastosowanie wypełniacza powoduje poprawienie izolacji elektrycznej, co przekłada się na bezpieczeństwo użytkowania instalacji oraz jej dłuższą żywotność.

Wnioski

Materiały termoprzewodzące znajdują zastosowanie w aplikacjach generujących duże ilości ciepła, jak w omawianych magazynach energii. Stosując materiały termoprzewodzące zwiększa się bezpieczeństwo eksploatacji akumulatorów, baterii i zasobników. Zapewniają one stabilizację temperatury pracy takiego magazynu, sprawiając, że można go wykorzystywać o wiele dłużej, osiągając najwyższą wydajność. W aplikacjach narażonych na drgania, warto rozważyć korzystanie z wypełniaczy w celu minimalizacji możliwości uszkodzenia mechanicznego akumulatorów na skutek drgań.

Analizując korzyści, jakie dają nam materiały termoprzewodzące w aplikacjach magazynów energii, można z czystym sumieniem stwierdzić, że są one opłacalną inwestycją, która pozwoli ograniczyć koszty związane z eksploatacją oraz serwisowaniem takich urządzeń, zapewniając im ochronę i pomagając utrzymać odpowiednie warunki pracy.