Diseño de la estructura de disipación de calor de una batería de dos ruedas

Diseño de la estructura de disipación de calor de la batería eléctrica de un vehículo de dos ruedas

Con el desarrollo de la sociedad, las actividades sociales son cada vez más abundantes y la comunicación a corta y media distancia es cada vez más habitual.

La forma cómoda y conveniente de viajar ha sido respetada por la gente. Entre ellos, las bicicletas eléctricas, ciclomotores eléctricos, scooters eléctricos y otros vehículos de dos ruedas son los favoritos de la gente.

Cada vez más vehículos de dos ruedas producen también más problemas de seguridad, y la mayoría de los problemas están relacionados con la disipación del calor de la batería.

Índice
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Requisitos de diseño de la disipación térmica de la batería de un vehículo de dos ruedas

El diseño de disipación de calor del bicicleta eléctrica de dos ruedas La batería deberá cumplir los siguientes requisitos:

  • El conjunto de baterías para vehículos de dos ruedas deberá cumplir los requisitos de fiabilidad y seguridad en condiciones de ensayo complejas;
  • Cumplir los requisitos del entorno térmico en condiciones de trabajo complejas;
  • Cumplir los requisitos restrictivos para refrigeración de la batería sistemas en un espacio estructural limitado.

Diseño de la disipación térmica de la batería de un vehículo de dos ruedas

Utiliza aletas de refrigeración para disipar el calor

En las dos ruedas industria de las pilas de litioLa aleta de refrigeración se utiliza generalmente para calentar los componentes electrónicos que son fáciles de calentar en la placa de protección del circuito de la batería, y generalmente se combina con silicona térmica para completar la disipación de calor. La figura 1 muestra el esquema de diseño de la aleta de refrigeración.

La placa de circuito impreso está provista de orificios de montaje para tornillos, y el proveedor remacha y presiona previamente los espárragos en la aleta de refrigeración para formar un conjunto de aleta de refrigeración. El conjunto de aleta de refrigeración se alinea con los orificios de montaje y se fija con tornillos a la placa de protección del componente calefactor.

Por lo general, se recomienda reservar suficiente espacio entre los componentes electrónicos y la aleta de refrigeración, 0,3 ~ 0,6 mm, el espacio reservado no debe ser demasiado grande, a fin de evitar el desperdicio excesivo de costes de encolado, el espacio reservado no debe ser demasiado pequeño, para evitar interferencias entre el radiador y los componentes electrónicos, fácil de dañar los componentes electrónicos. En este momento, el sistema de transferencia de calor se forma entre los componentes electrónicos y la aleta de refrigeración por gel de sílice térmica.

La aleta de refrigeración tiene la función de disipar el calor generado por el componente calefactor al aire circundante, de modo que el aumento de temperatura del componente calefactor no alcance o no llegue a la situación descontrolada por sobrecalentamiento, y mantenga el estado normal de funcionamiento de salida.

La aleta de refrigeración suele fabricarse con aleación de aluminio, bronce o latón en láminas, placas y chapas, y la capacidad de disipación de calor de la aleta de refrigeración está estrechamente relacionada con el material, el grosor y el área de la aleta de refrigeración, y el diseñador puede realizar los ajustes correspondientes según la situación real. Esta estructura es fácil de procesar e instalar, el coste es relativamente bajo, es la forma más común de disipación de calor.

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Disipación del calor del sustrato de aluminio

El sustrato de aluminio es una placa de circuito impreso fabricada con aluminio como sustrato de capa metálica. Los componentes electrónicos toman la placa de circuito impreso como soporte, y la conexión y conducción entre los componentes se realiza a través del circuito recubierto de cobre de la placa de circuito impreso. El sustrato tradicional de la placa de circuito impreso es FR-4, que es un aislante de resina epoxi, y el efecto de conducción del calor no es muy bueno.

El rendimiento de transferencia de calor de la placa de circuito impreso con FR-4 como sustrato no ha podido satisfacer las necesidades de algunos productos de alta conductividad térmica, lo que ha afectado al uso de las placas de circuito impreso en algunas ocasiones concretas.

El calentamiento local en la placa de circuito impreso no puede evacuarse eficazmente, y la acumulación de calor a lo largo del tiempo es fácil que provoque golpes e incluso fallos de los componentes electrónicos, etc., y la aparición del proceso de sustrato de aluminio puede resolver en mayor medida el gran problema de la disipación del calor.

La figura 2 muestra la estructura de disipación de calor del sustrato de aluminio. Generalmente, un solo panel de sustrato de aluminio se compone de una estructura de tres capas. La primera capa es la capa de línea de la capa superficial, y los componentes electrónicos se pueden fijar a diferentes puntos de la capa de línea a través de SMT para realizar la conexión y el control del principio del circuito.

La segunda capa está conectada a la capa de aislamiento superior e inferior, su material es un aislante, la capa de aislamiento necesita tener una buena conductividad térmica, cuanto mejor sea la conductividad térmica, más propicio será para la disipación de calor, fácil de propagar el calor.

La tercera capa es una base metálica, que disipa continuamente el calor de las dos capas anteriores. El sustrato de aluminio tiene un mejor rendimiento de disipación del calor y una menor resistencia térmica, por lo que el PCB de aluminio tiene una larga vida útil. En el campo de las baterías de alimentación para vehículos de dos ruedas, se utiliza generalmente en batería de motocicleta eléctrica con productos de gran potencia y almacenamiento de energía.

Solución de refrigeración del sustrato de aluminio

Disipación del calor de la lámina de silicona térmica

El esquema de disipación de calor mediante láminas de silicona termoconductora es también uno de los métodos de disipación de calor más utilizados. Porque no existe ningún objeto absolutamente liso. Los planos aparentemente lisos presentan diferentes grados de protuberancias o depresiones al microscopio electrónico, lo que se denomina rugosidad superficial del objeto. Cuando se ensamblan dos piezas estructurales diferentes, se formarán innumerables microvacíos debido a la existencia de rugosidades superficiales.

La existencia de microvacíos no favorece la conducción del calor y aumenta la resistencia térmica de la propagación del calor. En este momento, se puede introducir entre los dos objetos una lámina de silicona termoconductora capaz de conducir el calor.

La lámina de silicona termoconductora se somete a una cierta presión previa, ya que el material de silicona es blando, puede penetrar en el microespacio en diversos grados, lo que reduce en gran medida la resistencia térmica, mejora la conducción del calor entre las piezas estructurales y resuelve eficazmente la conducción del calor entre las dos piezas estructurales.

A continuación se presenta un caso de diseño de lámina de silicona termoconductora. La figura 3 muestra el esquema de diseño de disipación térmica de la lámina de silicona conductora del calor. La célula de la batería se instala en los orificios de montaje del soporte de plástico A y el soporte B, y el soporte está provisto de una estructura de fijación por tornillos para sujetar y fijar firmemente la célula de la batería. La conexión en serie y en paralelo entre la célula y la celda se completa mediante tecnología de soldadura por puntos convexos.

Tras la conexión, el batería de litio está cargada, y la batería no puede entrar en contacto directo con el cilindro de aluminio. En este caso, hay un cierto espacio entre la lámina conductora y la pared interior del cilindro de aluminio. Dado que la conductividad térmica del aire es de sólo 0,0242W (/m-K), la conducción del calor se ve seriamente obstaculizada.

Finalmente, la acumulación de temperatura de la célula y la lámina conductora hará que la batería inicie la protección térmica y detenga el trabajo de suministro de energía. En este esquema, se introduce una lámina de silicona conductora térmica en el hueco existente entre la lámina conductora y el cilindro de aluminio en un lado de la batería. Para facilitar la fabricación de la batería, el otro lado se aísla con una lámina de PC.

El paquete de baterías se instala en la posición establecida en el cilindro de aluminio, y el paquete de baterías se fija mediante tornillos desde la parte superior del cilindro de aluminio, de modo que el paquete de baterías quede firmemente sujeto a la parte superior del cilindro de aluminio. Debe tenerse en cuenta que la lámina de silicona termoconductora requiere una cierta precarga, por lo que la cantidad de compresión de la lámina de silicona termoconductora debe tenerse en cuenta en el diseño.

En el rango de compresión de la silicona, cuanto mayor sea la tasa de compresión, menor será la resistencia térmica y mejor será el efecto de conductividad térmica. La lámina de silicona termoconductora puede eliminar el aire en el hueco y reducir en gran medida la resistencia térmica de contacto.

De este modo, en cuanto a la carga y descarga de la batería de iones de litioDurante el proceso de descarga, el calor generado por el núcleo de la batería y la lámina conductora puede transferirse a la carcasa de aluminio a través de la lámina de silicona térmica, y el calor se disipa a través del cuerpo de la carcasa de aluminio para lograr el propósito del funcionamiento normal de la batería.

Solución de refrigeración de placas de silicio termo-conductoras

Disipación del calor del adhesivo de encapsulado por conducción del calor

Los adhesivos de encapsulado térmico suelen dividirse en sistema epoxi y sistema de caucho de silicona orgánico. La dureza del sistema epoxi tras el curado es rígida, y la blandura del sistema de caucho de silicona orgánico tras el curado es elástica. El sistema de caucho de silicona orgánico se divide a su vez en adhesivo de encapsulado mecánico monocomponente y adhesivo de encapsulado mecánico bicomponente.

El adhesivo de encapsulado monocomponente tiene un buen rendimiento de unión y una fuerte adhesión, y la fluidez correspondiente será pobre. El adhesivo de encapsulado de dos componentes tiene una adhesión deficiente, pero una buena fluidez y un curado rápido. Teniendo en cuenta las características de eficiencia de producción y velocidad de curado, el esquema general de llenado del paquete de baterías generalmente elige sellador de llenado mecánico de dos componentes.

La cola de encapsulado de dos componentes se almacena por separado antes del llenado. Cuando se utiliza, los dos componentes se mezclan completa y uniformemente en una proporción determinada en el equipo de llenado especial, y entran en la batería a través del puerto de llenado. Después del encapsulado, la mezcla de cola de encapsulado puede curarse a temperatura ambiente.

La figura 4 muestra el esquema de disipación de calor del adhesivo de encapsulado por conducción de calor. Ambos lados del cilindro de aluminio están provistos de una carcasa frontal y una carcasa inferior, la carcasa inferior y el cilindro de aluminio se fijan mediante tornillos para formar un cilindro de aluminio preprocesado, el componente de la batería se monta en el cilindro de aluminio preprocesado y, a continuación, el componente de la carcasa frontal se bloquea con el cilindro de aluminio para formar un producto semiacabado. La carcasa inferior está provista de dos orificios, uno para el encolado y otro para la ventilación.

La figura 5 muestra la sección de la batería. El pegamento de encapsulado térmico entra en el canal de encapsulado a través del orificio de encapsulado y, a continuación, se desvía desde el canal de encapsulado hacia el interior de la batería para rellenar el interior de la batería. La célula de la batería y la placa de protección están envueltas por el pegamento de encapsulado.

Cuando la batería está en funcionamiento, el calor generado por la fuente de calor se transfiere a la carcasa de aluminio a través del adhesivo de encapsulado térmico a tiempo, con el fin de reducir la temperatura de la fuente de calor. Al mismo tiempo, el esquema de adhesivo de encapsulado térmico también puede desempeñar un papel impermeable en la batería, y mejorar el rendimiento impermeable y a prueba de humedad de los componentes electrónicos, baterías y piezas conductoras.

El adhesivo de encapsulado térmico tiene cierta elasticidad, lo que puede reducir eficazmente los daños causados por impactos externos en la batería en la prueba de fiabilidad de vibración, caída, impacto, etc. de la batería. Sin embargo, el esquema de disipación de calor del adhesivo de encapsulado térmico también tiene las desventajas de un peso relativamente grande, un coste elevado y que no favorece la reparación de la batería, por lo que se recomienda que los diseñadores optimicen el diseño en función de la situación real.

Sección de batería

Comparación y resumen de los sistemas de disipación de calor

  1. El esquema de disipación de calor del disipador de calor se combina generalmente con silicona térmica, que se utiliza para calentar los componentes electrónicos que son fáciles de calentar en la placa de protección del circuito del pack de baterías. El coste es más económico, y es la forma más básica y común de refrigerar el pack de baterías de dos ruedas.
  2. El esquema de disipación de calor del sustrato de aluminio se utiliza generalmente en motocicletas eléctricas con productos de gran potencia y almacenamiento de energía. En el campo de los paquetes de baterías de dos ruedas, el escenario de uso es relativamente sencillo. En las mismas condiciones de tamaño de forma, el coste es aproximadamente 30% superior al de las placas impresas generales.
  3. Esquema de disipación de calor de la lámina de silicona termoconductora, debido a la textura suave de la lámina de silicona es fácil de recortar, mejorar en gran medida la conveniencia de la utilización de la lámina de silicona termoconductora. Al mismo tiempo cumplir con la función de aislamiento, puede tener en cuenta la conductividad térmica de la estructura y la amortiguación de la estructura. Sin embargo, la conductividad térmica es ligeramente inferior a la del disipador de calor.
  4. El esquema de disipación de calor del adhesivo de encapsulado térmico tiene un buen rendimiento de calafateado y una función impermeable. La conductividad térmica del adhesivo de encapsulado térmico es general, la ventaja es que puede envolver completamente la fuente de calor, y el área de contacto con la fuente de calor es la más grande.

Por lo tanto, cuando el paquete de baterías es impermeable y la célula de la batería tiene el requisito de la tasa de descarga, es una buena solución. Sin embargo, después del embalaje, no es fácil de desmontar, y la reparación es más laboriosa. El peso de la batería después del encapsulado es grande, el coste es relativamente alto, si hay una demanda especial para el coste del producto y la reparación, es necesario considerar cuidadosamente esta estructura.

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