Intelligent värmehantering i batterisammanfogningar för elfordon

Elfordon måste kontinuerligt förbättras för att möta de växande kraven på marknaden när det gäller pålitlighet, prestanda, räckvidd, laddningstider och ekonomi. Batteriet är hjärtat i fordonet och presterar optimalt inom ett specifikt temperaturintervall. Vid laddning och urladdning avger varje batteri värme som måste regleras och avlägsnas av säkerhetsskäl och för att bevara batteriets långsiktiga kapacitet. För att förhindra överhettning till följd av cellernas drift appliceras termisk pasta i batterifacket.

Detta högviskösa material är förstärkt med speciella fyllmedel, ibland kallat spaltfyllning eller termiskt gränssnittsmaterial (TIM). Det gör det möjligt att aktivt hantera värme i stora batteripaket genom att leda bort den värme som skapas under cellernas laddning och urladdning till passande kylstrukturer.

I sammansättningsprocessen appliceras en termisk värmeledande förening, efter att batterifacket har tätats och kylsystemet och facken har monterats. Det är av yttersta vikt att appliceringen sker exakt utan luftfickor. Genom avancerad åtdragningsteknik säkerställs optimal kontakt mellan höljet och batterimodulen genom fokus på hur den ledande pastan beter sig vid fogningen.

Det är en utmaning att applicera det flytande materialet i stora mängder och med ett högt flöde. Ett appliceringssystem med hög prestanda är avgörande, och det bör ha komponenter som kan hantera det slipande materialet. Olika applikationsmönster, såsom parallella linjer, slingmönster eller så kallad benapplikation, kan användas för att främja en bubbel-fri pressning av modulerna mot den ledande pastan. Omfattande materialtester krävs för att utforma ett lämpligt appliceringsmönster. På våra globala innovationscentra samarbetar vi med tillverkare av batterier och utrustning samt materialleverantörer och våra fogningsexperter för att hitta den optimala applikationen för varje specifik situation.

Vid applicering av materialet måste toleranser i passningen mellan batterifacket och cellmodulen som motpart beaktas. Komponenternas respektive toleranskedjor ger mellanrum på 0,5 till 3 mm.
Om det appliceras för litet material kan detta resultera i otillräcklig fyllning och luftfickor, vilket i sin tur negativt påverkar kvaliteten på värmehanteringen.
Vanligtvis applicerar tillverkarna för mycket material för att säkerställa att mellanrummet är tillräckligt fyllt, även inom maximala toleransgränser. Detta resulterar i materialspill, ökad batterivikt och högre kostnader. Dessutom kan materialet pressas ut när modulerna trycks ihop, vilket kan leda till tekniska defekter. Målet är att applicera materialvolymen exakt och minimera överskottet.

Atlas Copco förlitar sig på ett industriellt bildbehandlingssystem i tidigare led i kombination med en intelligent algoritm, vilket möjliggör att doseringssystemet noggrant applicerar det termiska gränssnittsmaterialet. Smart.Adjust beräknar och styr den optimala mängden material.
I det första steget mäter 3D-sensorer undersidan av batterimodulen och ytan på batterifacket. Skanningsdata sammanställs i programvaran. På så sätt kan toleranserna och pelarens volym beräknas exakt. Den intelligenta algoritmen bestämmer den nödvändiga materialvolymen utifrån skanningsdata och skickar informationen direkt till applikationssystemets linjestyrning, som justerar parametrarna för varje enskild applikation och den optimala materialvolymen appliceras. Den exakta justeringen av volymen sker direkt via doseringssystemet.

För att förbättra värmehanteringen bör man förutom applikationen även ta hänsyn till materialförsörjningen. De unika egenskaperna hos material för termisk hantering skapar utmaningar. Den höga densiteten gör att trummorna ofta bara är halvfulla, vilket kräver täta trumbyten. Manuell avluftning och rensning krävs efter varje byte, vilket resulterar i att 1,5 till 6 liter material går förlorat som pumpavfall. Dessutom har konventionella pumpar svårt att tömma en trumma helt, vilket innebär att upp till sex liter material blir kvar i en 200-litersbehållare.
Denna komplexa process tar tid, slösar dyr termisk pasta och kräver kostsamt bortskaffande av materialrester. Säkerställandet av en jämn kvalitet genom hela dispenseringsprocessen är också en utmaning på grund av manuella arbetsmoment.

För att möta dessa utmaningar uppfann Atlas Copco en ny generation av materialpumpar, kallad Plus.Supply. Med halvautomatiskt behållarbyte, en nykonstruerad Flat Follower Plate och vakuumteknik är SCA ENSO Plus.Supply vår ”koldioxidhjälte” med 99,4 % materialanvändning per behållare. En vakuumpump pumpar automatiskt ut den luft som finns instängd mellan den platta följarplattan och materialet, vilket möjliggör ett halvautomatiskt behållarbyte. Manuella processer som avluftning och sköljning elimineras. Detta minskar komplexiteten i behållarbytet och mängden utbildning som krävs, undviker luftfickor i materialet som kan leda till appliceringsfel och ökar operatörssäkerheten. Med tre olika basplattor för Plus.Supply uppfyller vi nästan alla tillverkares logistiska behov.

Ett innovativt appliceringssystem som kan ta hänsyn till komponenttoleranser och applicera materialet optimalt ger mätbara fördelar. Materialförsörjningens roll undervärderas ofta när det gäller värmehantering. Genom innovativa koncept för materialtillförsel kan betydande besparingar av material och förbättringar i processen uppnås vid behållarbyte, samtidigt som de bidrar till en markant minskning av CO2-utsläppen i monteringsprocessen för batterier i elbilar.