Защита аккумуляторных отсеков с помощью двухступенчатой вентиляции

Джейк Сандерс (Jake Sanders), менеджер по разработке продуктов, Donaldson — Интегрированные решения по вентиляции

По мере растущей популярности электрических и гибридных транспортных средств литий-ионные аккумуляторы играют все более важную роль в автомобильном мире. Аккумуляторные батареи отличаются высоким показателем удельной энергии и могут быть эффективно использованы в качестве источников автомобильного привода. В отличие от небольших литий-ионных батарей, используемых в бытовой электронике, автомобильные литий-ионные аккумуляторы нуждаются в надежной защите от воздействия неблагоприятных условий внешней среды и в достаточной вентиляции, устраняющей последствия колебаний температуры и давления.

Двухступенчатая вентиляция для защиты отсеков и контейнеров доказала свою эффективность применительно к автомобильным аккумуляторам. Первая ступень выравнивает давление и предотвращает попадание воды и загрязнителей. Вторая ступень вентиляции полностью открывается в случае резкого повышения давления и нагрева, пропуская расширяющиеся газы наружу и предотвращая дальнейшее повреждение оставшихся элементов. В большинстве случаев единый вентиляционный узел может обеспечить выполнение обеих функций.

Зачем нужна защитная вентиляция корпусов

Чтобы предотвратить смятие или серьезную деформацию защитного корпуса, в нем должны иметься вентиляционные отверстия для выравнивания внутреннего и внешнего давления, через которые выпускаются газы, образующиеся при быстром повышении давления, часто называемом «тепловым разгоном». Постепенное или резкое повышение давления может стать причиной повреждения уплотнений, приводящего к утечкам и потенциальному взрыву.

Конкретные эффекты вентиляции можно лучше понять, увидев, как выглядит литий-ионный автомобильный аккумулятор изнутри. Аккумуляторная батарея обычно состоит из двух секций, скрепленных вместе, но разъединенных герметизирующей прокладкой. В отсутствие надлежащей вентиляции в корпусе, подвергшемся многочисленным небольшим перепадам давления, могут возникнуть утечки. Поскольку иногда срок гарантии, предлагаемой производителями электромобилей, достигает восьми лет, можно ожидать, что корпусы аккумуляторных батарей прослужат никак не меньше этого срока. Надлежащая вентиляция уменьшает количество и серьезность перепадов давления, негативно влияющих на уплотнения, и тем самым продлевает срок службы уплотнений и корпусов.

Первая ступень вентиляции

График уменьшения перепада давления на протяжении первой ступени вентиляции показан на рисунке 3. Корпус аккумулятора, температура которого повысилась на 50 °C за 60 минут, что примерно соответствует ситуации с автомобилем, запущенным в холодный день, а затем едущим на высокой скорости, в отсутствие вентиляции будет подвергаться воздействию перепада давления величиной до 180 миллибар. Перепад же давления для корпуса с вентиляционным узлом диаметром 50 мм не будет превышать 10 миллибар.

Вторая ступень вентиляции

Хотя первая ступень вентиляции нивелирует постепенные изменения давления, она может не справиться с резким повышением давления в случае теплового разгона. Вторая ступень вентиляции, называемая также активной вентиляцией, призвана решить эту задачу путем полного открытия вентиляционного отверстия, при котором обеспечивается контролируемый выпуск быстро расширяющихся газов, что предотвращает дальнейшее повреждение оставшихся элементов и неконтролируемый взрыв с повреждением самого корпуса.

Вторую ступень вентиляции часто обеспечивают механические элементы, встроенные в мембрану из вспененного ПТФЭ и позволяющие быстро отвести газы в случае теплового разгона, когда газы расширяются с такой скоростью, которую вспененный ПТФЭ пассивно выровнять не может. По существу, вентиляционная мембрана предотвращает рост давления в корпусе до значений, которые могли бы привести к невосстановимому разрушению корпуса при тепловом разгоне, характеризуемом быстрым образованием газов и ростом температуры.

Рисунок 4 иллюстрирует, каким образом комбинированная система пассивной и активной вентиляции может предотвратить разрыв корпуса. Корпус, разрыв которого возможен при давлении 1500 миллибар, можно оснастить активной системой вентиляции, которая открывается при 500 миллибар. Комбинированная система не допустит того, чтобы перепад давления превысил примерно 750 миллибар, что значительно ниже давления разрыва. В отсутствие вентиляции корпус будет быстро разорван.

Чтобы обеспечить вторую ступень вентиляции, разработчики должны учитывать, насколько быстро будут выпускаться газы и при каком давлении вентиляционный элемент полностью откроется. В зависимости от этого вентиляционный элемент должен иметь такую конструкцию, которая поддерживала бы давление на уровне ниже давления взрыва, являющегося, по сути, максимальным давлением, которое корпус может выдержать до разрушения.

Другим важным фактором конструкции является давление, при котором может произойти пластическая деформация корпуса, то есть необратимое изменение его формы. Это приводит к нежелательному повреждению корпуса, но не обязательно угрожает безопасности. Пластическая деформация металлических корпусов происходит при гораздо меньшем давлении, чем давление взрыва. Пластическая деформация пластиковых корпусов происходит при давлении, близком к давлению взрыва. Следовательно, надлежащая конструкция вентиляции должна учитывать разницу, определяемую материалом корпуса.

В случае теплового разгона аккумулятор подлежит обслуживанию и (или) замене. Вторая ступень вентиляции призвана обеспечить не долговечность батареи, а безопасность ее эксплуатации. Газы требуется отводить, чтобы уменьшить нагрев, постепенно рассеивая токсичные химические вещества во избежание образования облаков их высокой концентрации, и не допустить разлета осколков в случае взрыва.

Краткий вывод / заключение

В условиях, когда литий-ионные аккумуляторы являются основным источником энергии привода электромобилей, значимость надлежащей вентиляции становится первостепенной. Правильно функционирующая вентиляционная система обеспечивает защиту от загрязнителей и выравнивание давления при нормальных условиях эксплуатации и продлевает срок службы корпусов и аккумуляторных батарей. В редком случае, когда аккумулятор начинает выгорать, а защита от влаги и мусора становится менее важной, система вентиляции должна также быть способна обеспечить немедленный сброс давления во избежание потенциального взрыва и других катастрофических последствий. Использование двухступенчатых систем вентиляции является ключом к решению широкого круга задач по вентиляции узлов и агрегатов автомобилей.