Nanášanie tepelnej pasty je rozhodujúcim krokom v procese spájania akumulátorov pre elektrické vozidlá a zohráva kľúčovú úlohu v tepelnom manažmente. Zabezpečuje výkon a bezpečnosť akumulátora. Inteligentné riešenie nanášania môže ušetriť materiál, hmotnosť a náklady.
Elektromobilita sa musí neustále vyvíjať, aby spĺňala rastúce požiadavky trhu týkajúce sa bezpečnosti prevádzky, výkonu, dojazdu, času nabíjania a nákladov. Akumulátor ako srdce vozidla môže dosahovať maximálny výkon len v určitom teplotnom rozsahu. Každý akumulátor počas nabíjania a vybíjania generuje teplo, ktoré sa musí v záujme bezpečnosti a zachovania dlhodobej kapacity akumulátora riadiť a odvádzať. Do zásobníku akumulátora sa nanáša tepelná pasta, ktorá zabraňuje prehrievaniu v dôsledku tepla vznikajúceho pri prevádzke článkov.
Tepelne vodivé pasty: vysoké náklady, vysoká hmotnosť
Tieto vysoko viskózne materiály obohatené o špeciálne plnivá, známe aj ako výplne medzier alebo materiály tepelného rozhrania (TIM), umožňujú aktívny tepelný manažment veľkých akumulátorov odvádzaním tepla vznikajúceho počas nabíjania a vybíjania článkov do príslušných chladiacich štruktúr.
“V závislosti od typu akumulátora a výrobcu sa na jeden akumulátor aplikuje až 5 litrov materiálu tepelného rozhrania, čo vo vozidle predstavuje až 15 kg hmotnosti materiálu. Náklady sú vysoké a pohybujú sa okolo 10 € za kg. Optimalizácia použitia materiálu v priestore akumulátora je rozhodujúca pre zníženie hmotnosti, nákladov a uhlíkovej stopy.”
Daniel Boes Product Portfolio Manager, SCA Dispensing, Industrial Assembly Solutions Division
Procesy spájania v tepelnom manažmente
V procese spájania sa po utesnení zásobníka akumulátora a montáži chladiaceho systému a oddielov aplikuje tepelná zmes, ako je TIM. Dôležitá je presná aplikácia bez vzduchových vreciek. Pokročilá technológia uťahovania zabezpečuje optimálny kontakt medzi krytom a modulom akumulátora pri zohľadnení správania sa vodivej pasty v spoji.
Aplikácia kvapalného materiálu vo veľkých množstvách a s vysokým prietokom je náročná. Rozhodujúci je vysokovýkonný aplikačný systém s komponentmi, ktoré sú schopné odolať abrazívnemu materiálu. Na podporu toho, aby moduly priliehali na vodivú pastu bez bublín, možno použiť rôzne aplikačné vzory, ako sú rovnobežné čiary, priehlbiny alebo tzv. nanášanie v tvare kosti. Na vytvorenie vhodného aplikačného vzoru sú potrebné rozsiahle testy materiálu. V našich globálnych centrách inovácií spájame výrobcov akumulátorov a zariadení a dodávateľov materiálov s našimi odborníkmi na spájanie, aby sme našli optimálnu aplikáciu pre každý konkrétny prípad.
Zohľadnenie odchýlok
Pri aplikácii materiálu sa musia zohľadniť odchýlky v uložení medzi priestorom akumulátora a modulom článku ako protikusu. Príslušné reťazce tolerancíí komponentov vedú k medzerám 0,5 až 3 mm.
Ak sa nanesie príliš málo materiálu, môže to viesť k nedostatočnému vyplneniu a vzniku vzduchových vreciek, čo negatívne ovplyvňuje kvalitu tepelného manažmentu.
Výrobcovia zvyčajne nanášajú príliš veľa materiálu, aby zabezpečili dostatočné vyplnenie medzery aj pri maximálnych odchýlkach, čo vedie k plytvaniu materiálom, zvýšenej hmotnosti akumulátora a vyšším nákladom. Vytláčanie materiálu pri vzájomnom uťahovaní modulov môže tiež viesť k technickým chybám. Cieľ: Aplikovať objem materiálu presne minimalizovaným spôsobom.
Zmerať, vypočítať, naniesť prispôsobené množstvo
Atlas Copco has developed a special solution for optimized application of the thermal paste. Here, 3D sensors measure the underside of the battery module (left) as well as the surface of the battery compartment (right). By matching the scan data, the gap tolerances can be calculated precisely.
Spoločnosť Atlas Copco sa spolieha na systém priemyselného spracovania obrazu v kombinácii s inteligentným algoritmom, ktorý umožňuje dávkovaciemu systému presne aplikovať materiál tepelného rozhrania. Systém Smart.Adjust vypočíta a kontroluje optimálne množstvo materiálu.
V prvom kroku 3D senzory zmerajú spodnú stranu modulu akumulátora a povrch priestoru pre akumulátor. Údaje zo skenovania sú zlúčené do softvéru. To umožňuje presný výpočet odchýlok a objemu stĺpca. Inteligentný algoritmus na základe údajov zo skenovania určí požadovaný objem materiálu a odošle informácie priamo do riadiacej linky aplikačného systému, ktorý zodpovedajúcim spôsobom upraví parametre pre každé individuálne nanášanie a použije optimálny objem materiálu. Presné nastavenie objemu sa vykonáva priamo prostredníctvom dávkovacieho systému.
The intelligent algorithm determines the required material volume from the scan data and sends the information directly to the line control of the application system, which applies the material in an optimized manner. In this test setup, the gap tolerances were simulated by recesses in the battery base for clarity.
Merateľné úspory nákladov a hmotnosti
Smart.Adjust výrazne zlepšuje kvalitu a spoľahlivosť tepelného manažmentu.
Ak je medzera vyplnená optimálnym množstvom teplovodivého materiálu, zabezpečí sa dostatočný tepelný manažment, zabráni sa technickým chybám, zníži sa plytvanie materiálom a akumulátor môže pracovať na plný výkon. Vďaka zásade "správne na prvýkrát" sa dá predísť aj prepracovávaniu.
Rozsiahle testy ukázali, že systém Smart.Adjust dokáže – v závislosti od materiálu – ušetriť až dva kilogramy čistej hmotnosti materiálu na jeden akumulátor. Pokiaľ ide o celkové množstvo materiálu použitého v akumulátore, možno ušetriť až 20 % nákladov na materiál. To nielenže znižuje emisie CO2 spojené s procesom aplikácie, ale menšia hmotnosť znamená aj dlhší dojazd.
Výzvy pre prívod materiálu
Na zlepšenie tepelného manažmentu by sa okrem aplikácie mala venovať pozornosť aj prívodu materiálu. Výzvy vyplývajú z jedinečných vlastností materiálov tepelného manažmentu. Vďaka vysokej hustote sú sudy často naplnené len do polovice, čo si vyžaduje častú výmenu sudov. Po každej výmene je potrebné manuálne odvzdušnenie a prepláchnutie, čo vedie k strate 1,5 až 6 litrov materiálu ako odpadu z čerpania. Okrem toho bežné čerpadlá majú problém s úplným vyprázdnením suda, pričom v 200-litrovom sude zostáva až 6 litrov materiálu.
Tento zložitý proces je časovo náročný, plytvá drahou tepelnou pastou a vyžaduje si nákladnú likvidáciu zvyškov materiálu. Zabezpečenie konzistentnej kvality počas celého procesu dávkovania je náročné aj kvôli manuálnej prevádzke.
The SCA ENSO Plus.Supply offers three different base plate versions for optimal logistic and easy handling of barrel change.
Vákuová technológia zabezpečuje úsporu materiálu
Aby spoločnosť Atlas Copco reagovala na tieto výzvy, vyvinula novú generáciu materiálových čerpadiel s názvom Plus.Supply. Vďaka poloautomatickej výmene suda, novo navrhnutej plochej doske Flat Follower Plate a vákuovej technológii, je čerpadlo SCA ENSO Plus.Supply naším „hrdinom uhlíkovej stopy“ s 99,4 % spotrebou materiálu na jeden sud. Vákuové čerpadlo automaticky odčerpáva vzduch zachytený medzi plochou doskou Flat Follower a materiálom, čo umožňuje poloautomatickú výmenu suda. Odpadajú tak manuálne procesy, ako je odvzdušňovanie a oplachovanie. Tým sa znižuje zložitosť výmeny suda a množstvo potrebných školení, čím sa predchádza vzniku vzduchových vreciek v materiáli, ktoré môžu viesť k chybám pri nanášaní, a zvyšuje sa bezpečnosť obsluhy. Vďaka ponuke troch rôznych základných dosiek pre čerpadlo Plus.Supply spĺňame logistické potreby takmer každého výrobcu.
*per system per year. Our Plus.Supply with vacuum pump and Flat Follower Plate can increase the material efficiency up to 99,4 %
Viac informácií o našom riešení nájdete vo videu
Záver: efektívne využívanie materiálov zvyšuje udržateľnosť výroby akumulátorov.
Merateľné výhody sa dosahujú vďaka inovatívnemu aplikačnému systému, ktorý dokáže zohľadniť odchýlky komponentov a optimálne nanášať materiál. V tepelnom manažmente sa často podceňuje úloha prívodu materiálu. Inovatívne koncepcie pre prívod materiálu ponúkajú veľkú výhodu pri úspore materiálu a zlepšení procesov pri výmene sudov, čo tiež pomáha výrazne znížiť emisie CO2 v procese montáže akumulátorov pre elektromobily.
Kľúčové poznatky
- Tepelný manažment zabezpečuje výkon a bezpečnosť moderných akumulátorov elektrických vozidiel a zároveň zvyšuje dojazd
- Potenciál úspor pre výrobcov akumulátorov pre elektrické vozidlá je z hľadiska materiálu, hmotnosti a nákladov obrovský.
- Optimálnou aplikáciou materiálu sa dosahujú merateľné výhody
