Inteligentne kontrolowanie ciepła w procesie montażu akumulatorów do pojazdów elektrycznych

Elektromobilność musi nieustannie ewoluować, aby sprostać rosnącym wymaganiom rynku w zakresie bezpieczeństwa użytkowania, efektywności, zasięgu, czasu ładowania i kosztów. Sercem pojazdu elektrycznego jest akumulator, który może zapewnić maksymalną efektywność tylko w określonym zakresie temperatur. Podczas ładowania i rozładowywania każdego akumulatora powstaje ciepło, które trzeba kontrolować i rozpraszać — ze względów bezpieczeństwa i w celu zachowania wysokiej pojemności akumulatora przez długi czas. Dlatego na podstawę akumulatora nakłada się pastę termoprzewodzącą, która zapobiega przegrzaniu na skutek wydzielania ciepła przez pracujące ogniwa.

Są to materiały o dużej lepkości, wzbogacone o specjalne wypełniacze, nazywane również wypełniaczami do szczelin lub materiałami termoprzewodzącymi (TIM). Umożliwiają one aktywne kontrolowanie temperatury w dużych akumulatorach poprzez przekazywanie ciepła wytwarzanego podczas ładowania i rozładowywania ogniw do odpowiednich elementów chłodzących.

W procesie montażu akumulatora po uszczelnieniu podstawy i zmontowaniu układu chłodzenia oraz poszczególnych sekcji nakłada się masę termoprzewodzącą, taką jak TIM. Wyjątkowo istotna jest precyzja nakładania tej masy, tak aby nie powstawały kieszenie powietrzne. Zaawansowana technologia dokręcania zapewnia optymalny kontakt między obudową a modułem akumulatora, przy czym pod uwagę bierze się zachowanie pasty przewodzącej ciepło w miejscach łączenia.

Dozowanie płynnego materiału w dużych ilościach i przy dużym przepływie jest trudne. Bardzo ważne jest zastosowanie wysoce wydajnego systemu dozowania, którego elementy są odporne na ścieranie. Istnieją różne wzorce nakładania materiału, zapewniające dociśnięcie modułów do pasty przewodzącej bez wtrąceń powietrza. Są to np. linie równoległe, faliste lub tworzące zarys kości. W celu dobrania odpowiedniego wzorca konieczne są szeroko zakrojone testy danego materiału. Nasze globalne centra innowacji pozwalają producentom akumulatorów i podzespołów, a także dostawcom materiałów, znaleźć wspólnie z naszymi ekspertami optymalne rozwiązanie w każdym przypadku.

Podczas nakładania materiału trzeba bezwzględnie wziąć pod uwagę tolerancje dopasowania komory akumulatora do modułu ogniw. Poszczególne łańcuchy tolerancji elementów skutkują powstawaniem szczelin o szerokości od 0,5 do 3 mm.
Zastosowanie zbyt małej ilości materiału może prowadzić do niewystarczającego wypełnienia szczelin i tworzenia się kieszeni powietrznych, co negatywnie wpływa na jakość kontrolowania ciepła.
Producenci nakładają zazwyczaj za dużo materiału, aby zapewnić odpowiednie wypełnienie szczeliny nawet przy maksymalnych tolerancjach. Skutkuje to marnotrawstwem materiału, zwiększeniem masy akumulatora i wzrostem kosztów. Ponadto wydostanie się materiału na zewnątrz w wyniku dociśnięcia do siebie modułów może prowadzić do wad technicznych. Celem jest więc precyzyjne dozowanie minimalnej wymaganej ilości materiału.

Rozwiązania Atlas Copco opierają się na przemysłowym systemie wizyjnym, który w połączeniu z inteligentnym algorytmem umożliwia instalacji dozowania dokładne odmierzanie materiału termoprzewodzącego. System Smart.Adjust oblicza optymalną ilość materiału i kontroluje dozowanie.
Najpierw czujniki 3D mierzą dolną część modułu akumulatora i powierzchnię komory akumulatora. Zeskanowane w ten sposób informacje trafiają do oprogramowania, co pozwala na precyzyjne obliczenie tolerancji i objętości kolumny. Inteligentny algorytm określa wymaganą objętość materiału na podstawie danych ze skanowania i wysyła odpowiednie informacje bezpośrednio do systemu sterującego linią dozowania materiału, który dostosowuje parametry poszczególnych operacji dozowania, zapewniając zastosowanie optymalnej objętości materiału. Za precyzyjne korygowanie objętości odpowiada bezpośrednio system dozowania.

Na efektywność kontrolowania ciepła wpływa nie tylko dozowanie i nakładanie materiału, ale także jego dostarczanie. Specyficzne właściwości materiału rozpraszającego ciepło wiążą się z pewnymi trudnościami. W związku z wysoką gęstością tego materiału beczki często napełnione są tylko w połowie, tak więc trzeba je często zmieniać. Po każdej zmianie beczki należy ręcznie odpowietrzyć i oczyścić układ, co powoduje stratę od 1,5 do 6 litrów materiału w związku z pompowaniem. Ponadto konwencjonalne pompy nie radzą sobie z całkowitym opróżnieniem beczki — w beczce o pojemności 200 litrów może pozostać nawet 6 litrów materiału.
Ten skomplikowany proces zajmuje sporo czasu, a dodatkowo wiąże się z marnotrawstwem drogiej pasty termoprzewodzącej i koniecznością kosztownego usuwania pozostałości materiału. Co więcej, ze względu na wymóg wykonywania określonych prac ręcznie trudno jest zapewnić niezmiennie wysoką jakość w całym procesie dozowania.

Aby sprostać tym wyzwaniom, firma Atlas Copco opracowała nową generację pomp do dozowania materiału — Plus.Supply. System SCA ENSO Plus.Supply zapewnia na wpół zautomatyzowaną zmianę beczki, ma nową, zoptymalizowaną płaską płytę popychacza i bazuje na technologii próżniowej. Pozwala on wykorzystać aż 99,4% materiału zawartego w beczce, co oznacza znacznie mniejszą emisję dwutlenku węgla. Pompa próżniowa automatycznie wypompowuje powietrze znajdujące się pomiędzy płaską płytą popychacza i materiałem, umożliwiając półautomatyczną zmianę beczki. W ten sposób wyeliminowano zadania wykonywane ręcznie, takie jak odpowietrzanie i czyszczenie. Zmniejsza to złożoność procesu zmiany beczki, umożliwia skrócenie szkoleń, zwiększa bezpieczeństwo operatora i minimalizuje ryzyko tworzenia się kieszeni powietrznych w materiale, które może prowadzić do błędów dozowania. A trzy różne płyty podstawy systemu Plus.Supply pozwalają spełnić prawie wszystkie potrzeby logistyczne producentów.

Innowacyjny system dozowania, który potrafi uwzględniać tolerancje elementów i optymalnie odmierzać materiał, zapewnia wymierne korzyści. W analizach skuteczności kontrolowania ciepła często nie przywiązuje się należytej wagi do procesu dostarczania materiału. Innowacyjne koncepcje dotyczącego tego procesu pozwalają uzyskać znaczne oszczędności materiału na etapie zmiany beczki i usprawnić tę część procesu. Przyczyniają się one także do istotnego zmniejszenia emisji CO2 związanej z montażem akumulatorów do pojazdów elektrycznych.