Trong năm năm qua, công nghệ pin đã phát triển nhanh hơn so với dự đoán của nhiều kỹ sư nhiệt. Tính năng sạc nhanh hiện đã trở nên phổ biến. Mật độ năng lượng không ngừng tăng lên. Các nền tảng xe điện đang chuyển hướng sang kiến trúc 800V. Trong khi đó, các cụm pin đang trở nên mỏng hơn, nhẹ hơn và gọn gàng hơn.
Tất cả những điều đó dẫn đến một vấn đề không thể tránh khỏi: nhiệt.
Một Hệ thống Quản lý Pin (BMS) hiện đại không còn chỉ là một bảng điều khiển nằm im lìm bên trong cụm pin. Đó là một môi trường điện tử có mật độ cao, chứa đầy các linh kiện MOSFET, cảm biến, mô-đun nguồn, chip truyền thông và mạch cân bằng, những thành phần này liên tục sinh ra nhiệt cục bộ. Nếu năng lượng nhiệt không được tản đi một cách hiệu quả, nguy cơ lệch thông số linh kiện, điện áp không ổn định, lão hóa nhanh chóng và thậm chí là hiện tượng quá nhiệt mất kiểm soát sẽ trở nên cao hơn.
Đó chính là lúc chất bôi trơn tản nhiệt trở nên vô cùng quan trọng.
Việc lựa chọn chất bôi trơn tản nhiệt phù hợp cho các hệ thống quản lý pin không đơn giản chỉ là chọn giá trị độ dẫn nhiệt cao nhất trên bảng thông số kỹ thuật. Trong các cụm pin thực tế, các kỹ sư phải cân bằng đồng thời giữa độ dẫn nhiệt, độ bền điện môi, độ nhớt, khả năng chống rò rỉ, độ tin cậy lâu dài, khả năng sản xuất và chi phí.
Và đây chính là điểm mà nhiều dự án thường gặp trục trặc.
Tại sao mỡ tản nhiệt lại quan trọng trong các ứng dụng BMS
Một bộ pin chứa nhiều khe hở không khí siêu nhỏ giữa các linh kiện và bề mặt tản nhiệt. Không khí là chất dẫn nhiệt cực kỳ kém. Ngay cả những khoảng trống nhỏ nhất cũng có thể làm giảm đáng kể hiệu suất truyền nhiệt. Vật liệu giao diện nhiệt (TIM), bao gồm keo tản nhiệt, lấp đầy những khoảng trống này và tạo ra một đường dẫn nhiệt có điện trở thấp.
Trong các cụm BMS, keo tản nhiệt thường được sử dụng giữa:
- MOSFET và bộ tản nhiệt
- Mô-đun nguồn và tấm tản nhiệt bằng nhôm
- Các mô-đun pin và các kênh làm mát
- Cảm biến và vỏ kim loại
- Bộ chuyển đổi DC-DC và bộ tản nhiệt
- Thanh dẫn dòng điện cao và cấu trúc làm mát
Nếu không có lớp dẫn nhiệt phù hợp, các điểm nóng sẽ nhanh chóng hình thành. Ngay cả sự chênh lệch nhiệt độ chỉ vài độ cũng có thể làm giảm tuổi thọ của pin lithium-ion theo thời gian. Các nghiên cứu và dữ liệu từ ngành công nghiệp đều cho thấy rằng việc duy trì sự đồng đều về nhiệt độ cũng quan trọng không kém việc giảm nhiệt độ đỉnh.
Điều thú vị là, nhiều kỹ sư mới bước chân vào lĩnh vực thiết kế xe điện (EV) hoặc hệ thống lưu trữ năng lượng từ ngành điện tử tiêu dùng thường đánh giá thấp mức độ khắc nghiệt của rung động, chu kỳ nhiệt và tác động của môi trường bên trong các cụm pin. Một loại mỡ tản nhiệt hoạt động hoàn hảo trên CPU máy tính để bàn có thể hỏng hóc một cách bất ngờ nhanh chóng khi được sử dụng bên trong xe điện.
Sự khác biệt đó rất quan trọng.
Điều gì khiến mỡ tản nhiệt khác biệt so với các chất dẫn nhiệt (TIM) khác?
Các hệ thống pin sử dụng nhiều loại vật liệu giao diện nhiệt khác nhau:
- Miếng đệm nhiệt
- Các công cụ điền khoảng trống
- Vật liệu thay đổi pha
- Keo nhiệt
- Tấm than chì
- Keo tản nhiệt
Mỗi loại đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Mỡ tản nhiệt thường được ưa chuộng trong các ứng dụng yêu cầu nhiệt độ cực thấp Điện trở nhiệt và cần phải có các đường nối mỏng.
So với miếng đệm tản nhiệt, mỡ bôi trơn có khả năng thích ứng hiệu quả hơn với những chỗ gồ ghề vi mô trên bề mặt. Điều này giúp tạo ra độ tiếp xúc bề mặt tốt hơn và giảm điện trở giao diện.
Tuy nhiên, mỡ bôi trơn cũng mang lại những thách thức:
- Khả năng bị rò rỉ trong quá trình rung động
- Quá trình tách dầu theo thời gian
- Các vấn đề về tính nhất quán của ứng dụng
- Công việc sửa lại và dọn dẹp phức tạp
- Rủi ro liên quan đến sự di chuyển của vật liệu
Đó là lý do tại sao việc lựa chọn keo tản nhiệt cho hệ thống quản lý pin (BMS) phải luôn xem xét toàn bộ môi trường hoạt động, chứ không chỉ dựa vào các chỉ số về độ dẫn nhiệt.
Các thông số quan trọng nhất khi lựa chọn mỡ tản nhiệt
Độ dẫn nhiệt
Đây thường là thông số kỹ thuật đầu tiên mà các kỹ sư kiểm tra.
Độ dẫn nhiệt đo lường mức độ hiệu quả của sự truyền nhiệt qua vật liệu, thường được biểu thị bằng đơn vị W/m·K.
Đối với hầu hết các hệ thống quản lý pin:
- 1–3 W/m·K phù hợp với các thiết bị điện tử công suất thấp
- Giá trị 3–6 W/m·K là mức phổ biến trong các ứng dụng hệ thống quản lý pin (BMS) dành cho ngành ô tô
- Giá trị 6–12 W/m·K ngày càng được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống sạc nhanh hoặc hệ thống công suất cao
Tuy nhiên, ở đây có một điểm tinh tế quan trọng.
Độ dẫn nhiệt cao hơn không phải lúc nào cũng mang lại hiệu quả làm mát hệ thống tốt hơn đáng kể. Khi điện trở giao diện đã đủ thấp, yếu tố hạn chế thường chuyển sang thiết kế tấm tản nhiệt, luồng không khí, nhiệt độ chất làm mát hoặc hình dạng vỏ máy.
Một số kỹ sư cứ mải theo đuổi các vật liệu có hệ số dẫn nhiệt 15 W/m·K, trong khi thực tế, một loại mỡ bôi trơn ổn định với hệ số dẫn nhiệt 5 W/m·K lại mang lại hiệu quả tốt hơn về lâu dài.
Trên thực tế, tính ổn định thường quan trọng hơn kết quả tối đa thu được trong phòng thí nghiệm.
Cách điện
Các bộ pin đang hoạt động ở mức điện áp ngày càng cao. Các hệ thống xe điện (EV) hiện đại thường có điện áp vượt quá 400V, trong khi các kiến trúc cao cấp đang chuyển hướng sang các hệ thống 800V.
Điều đó có nghĩa là keo tản nhiệt không chỉ phải truyền nhiệt tốt mà còn phải đảm bảo tính cách điện đáng tin cậy.
Một loại mỡ dẫn nhiệt có tính cách điện không đủ có thể gây ra những rủi ro điện cực kỳ nghiêm trọng.
Các thông số kỹ thuật chính bao gồm:
- Điện trở thể tích
- Độ bền điện môi
- Điện áp phá vỡ
- Điện trở cách điện bề mặt
Các loại mỡ cách điện gốc silicone vẫn chiếm ưu thế trong nhiều ứng dụng hệ thống quản lý pin (BMS) vì chúng kết hợp được hiệu suất tản nhiệt với khả năng cách điện đáng tin cậy.
Độ nhớt và tính chất phân phối
Trong điều kiện phòng thí nghiệm, hầu như bất kỳ loại mỡ bôi trơn nào cũng có thể cho kết quả tốt.
Trên một dây chuyền sản xuất quy mô lớn, mọi việc trở nên phức tạp hơn.
Chất bôi trơn tản nhiệt quá đặc có thể dẫn đến việc bôi không đều. Loại quá loãng có thể bị trôi trong quá trình thay đổi nhiệt độ lặp đi lặp lại hoặc rung động.
Các nhà sản xuất bộ pin ngày càng coi trọng khả năng tương thích với hệ thống phân phối tự động, bởi vì năng suất sản xuất đóng vai trò vô cùng quan trọng trong các dây chuyền lắp ráp xe điện.
Một loại mỡ bôi trơn BMS tốt cần phải đáp ứng các yêu cầu sau:
- Tính lưu biến ổn định
- Việc phân phối có thể dự đoán được
- Hình thành lỗ rỗng ở mức tối thiểu
- Hành vi lan truyền có kiểm soát
- Độ dày đường liên kết có thể lặp lại
Đây là một trong những lý do khiến nhiều nhà sản xuất thiết bị gốc (OEM) trong ngành ô tô thử nghiệm nhiều phương pháp phun trước khi chính thức phê duyệt vật liệu.
Khả năng chống bơm ra
Hiện tượng “bơm ra” là một trong những sự cố liên quan đến keo tản nhiệt ít được đề cập nhất — nhưng lại gây hại nghiêm trọng nhất.
Trong các chu kỳ gia nhiệt và làm mát lặp đi lặp lại, mỡ bôi trơn có thể từ từ di chuyển ra khỏi khu vực tiếp xúc. Rung động càng làm quá trình này diễn ra nhanh hơn.
Kết quả là gì?
Điện trở nhiệt tăng dần theo thời gian.
Vấn đề này đặc biệt nghiêm trọng trong các hệ thống pin xe điện vì các cụm pin phải đối mặt với:
- Rung động liên tục
- Sự dao động nhiệt độ lớn
- Sự giãn nở và co lại cơ học
- Tuổi thọ sử dụng dài
Một loại mỡ bôi trơn có thể chịu được 500 giờ thử nghiệm điện tử có thể không chịu được 10 năm trong một chiếc xe điện.
Một số vật liệu thay đổi pha và các loại mỡ bôi trơn chuyên dụng cho ô tô được thiết kế đặc biệt để chống lại hiện tượng bị bơm cạn.
Phạm vi nhiệt độ hoạt động
Các hệ thống pin phải hoạt động trong điều kiện môi trường khắc nghiệt.
Các phương tiện tại Arizona có thể phải đối mặt với nhiệt độ pin vượt quá 60°C trong quá trình sạc. Trong điều kiện khí hậu Bắc Âu, các vật liệu có thể phải chịu nhiệt độ khởi động xuống tới -40°C.
Mỡ tản nhiệt phải duy trì tính ổn định trong toàn bộ dải nhiệt độ hoạt động mà không:
- Làm khô
- Nứt
- Tăng cường bảo mật
- Tách ra
- Mất độ nhớt
Các vật liệu dùng trong ngành ô tô thường được thiết kế để hoạt động trong dải nhiệt độ từ -40°C đến 150°C.
Các loại mỡ bôi trơn thương mại cấp thấp thường gặp khó khăn khi phải chịu các chu kỳ nhiệt kéo dài.
Tính tương thích của vật liệu
Đây là một vấn đề đáng ngạc nhiên là lại bị bỏ qua.
Một số loại mỡ tản nhiệt có thể gây ra tác động tiêu cực khi tương tác với:
- Nhôm
- Đồng
- Vỏ nhựa
- Vòng đệm silicon
- Chất kết dính cho pin
- Lớp phủ bảo vệ
Sự di chuyển của dầu silicone là một vấn đề đặc biệt đáng lo ngại trong các cụm linh kiện điện tử nhạy cảm. Hiện nay, một số nhà sản xuất thiết bị gốc (OEM) đã quy định sử dụng các công thức không chứa silicone nhằm giảm thiểu rủi ro ô nhiễm.
Việc kiểm tra khả năng tương thích luôn phải là một phần của quá trình đánh giá chất lượng.
Mỡ tản nhiệt chứa silicone so với mỡ tản nhiệt không chứa silicone
Cuộc tranh luận này ngày càng trở nên phổ biến trong lĩnh vực sản xuất pin.
Mỡ tản nhiệt gốc silicone
Ưu điểm:
- Độ ổn định nhiệt tuyệt vời
- Dải nhiệt độ hoạt động rộng
- Độ co giãn mạnh trong dài hạn
- Hệ sinh thái sản xuất đã phát triển đầy đủ
- Lịch sử phát triển trong ngành ô tô đã được khẳng định
Nhược điểm:
- Nguy cơ di chuyển của dầu silicone
- Những lo ngại về hiện tượng thoát khí
- Các rủi ro ô nhiễm có thể xảy ra
Mỡ tản nhiệt không chứa silicone
Ưu điểm:
- Giảm nguy cơ ô nhiễm
- Khả năng tương thích tốt hơn với một số thiết bị điện tử nhạy cảm
- Được một số nhà sản xuất ô tô OEM ưa chuộng
Nhược điểm:
- Phạm vi nhiệt độ hoạt động hẹp hơn
- Đôi khi làm giảm tính linh hoạt trong dài hạn
- Thường có chi phí cao hơn
Không có người chiến thắng nào là tuyệt đối.
Lựa chọn tối ưu phụ thuộc vào kiến trúc pin, môi trường lắp ráp và các mục tiêu về độ tin cậy.
Tại sao độ tin cậy trong quá trình thay đổi nhiệt độ lại quan trọng hơn hiệu suất tối đa
Nhiều bảng thông số kỹ thuật nêu rõ các giá trị độ dẫn nhiệt tối đa.
Tuy nhiên, các kỹ sư có kinh nghiệm thường quan tâm nhiều hơn đến các đường cong lão hóa nhiệt.
Tại sao?
Bởi vì các hệ thống BMS được kỳ vọng sẽ hoạt động ổn định trong nhiều năm qua các chu kỳ sạc-xả.
Quá trình giãn nở và co lại lặp đi lặp lại gây ra áp lực cơ học rất lớn lên các lớp tiếp xúc nhiệt. Theo thời gian, chất bôi trơn có chất lượng thấp hơn có thể:
- Tách riêng
- Xả dầu
- Khoảng trống trên biểu mẫu
- Mất độ bám dính
- Tăng khả năng chịu nhiệt
Sự suy thoái này diễn ra từ từ và rất khó phát hiện ở giai đoạn đầu.
Trong các hệ thống pin thực tế, tính ổn định lâu dài thường quan trọng hơn việc theo đuổi các con số độ dẫn điện kỷ lục.
Một cuộc thảo luận về kỹ thuật trên Reddit đã tóm tắt thách thức này một cách chính xác: việc lựa chọn vật liệu dẫn nhiệt (TIM) không chỉ dựa trên các nguyên lý lý thuyết về vật lý nhiệt, mà còn phụ thuộc nhiều hơn vào việc cân bằng giữa độ dẫn nhiệt, tính chất nén, hiện tượng thoát khí và khả năng tương thích với quy trình sản xuất.
Nhận định đó chính xác đến mức đau lòng.
Nên sử dụng mỡ tản nhiệt hay miếng đệm tản nhiệt trong bộ pin?
Điều này phụ thuộc rất nhiều vào hình dạng của bề mặt tiếp xúc.
Mỡ tản nhiệt sẽ phát huy hiệu quả tốt hơn trong các trường hợp sau:
- Độ phẳng bề mặt cao
- Các đường liên kết rất mỏng
- Yêu cầu hiệu suất nhiệt tối đa
- Điện trở giao diện thấp là yếu tố then chốt
Miếng tản nhiệt sẽ phát huy hiệu quả tốt hơn trong các trường hợp sau:
- Các khe hở không đều nhau
- Khả năng hấp thụ chấn động rất quan trọng
- Cần phải lắp ráp nhanh hơn
- Sự đơn giản trong việc sửa lại là điều quan trọng
Trên thực tế, nhiều hệ thống pin hiện đại kết hợp nhiều công nghệ TIM khác nhau trong cùng một cụm pin.
Ví dụ:
- Mỡ tản nhiệt cho thiết bị điện tử công suất
- Chất lấp đầy khe hở cho các giao diện tế bào
- Vật liệu thay đổi pha dùng để kiểm soát các điểm nóng
- Tấm than chì dùng để tản nhiệt
Hệ thống quản lý nhiệt lai đang ngày càng trở nên phổ biến.
Những sai lầm thường gặp khi lựa chọn mỡ tản nhiệt cho hệ thống quản lý pin (BMS)
Chỉ lựa chọn dựa trên độ dẫn nhiệt
Đây có lẽ là sai lầm lớn nhất.
Một loại mỡ có hệ số dẫn nhiệt 12 W/m·K mà bị chảy ra sau sáu tháng còn tệ hơn một công thức ổn định có hệ số dẫn nhiệt 5 W/m·K.
Bỏ qua các yêu cầu về việc cấp phát
Thử nghiệm trong phòng thí nghiệm rất đơn giản.
Sản xuất hàng loạt là một việc khó.
Luôn đánh giá độ lặp lại của quá trình phân phối và khả năng tương thích với hệ thống tự động hóa.
Quên thực hiện cách ly điện
Độ dẫn nhiệt cao sẽ chẳng có ý nghĩa gì nếu lớp bảo vệ điện môi bị hỏng.
Bỏ qua quá trình thay đổi nhiệt độ theo chu kỳ
Các bộ pin không hoạt động ở nhiệt độ ổn định.
Độ bền khi đi xe đạp là yếu tố thiết yếu.
Bỏ qua việc kiểm tra tính tương thích
Một số chất liệu có thể làm hỏng nhựa, gioăng hoặc lớp phủ theo thời gian.
Luôn kiểm tra tính tương thích.
Các xu hướng mới nổi trong lĩnh vực vật liệu giao diện nhiệt cho hệ thống quản lý pin (BMS)
Công nghệ quản lý nhiệt cho pin đang phát triển nhanh chóng.
Một số xu hướng chính đang định hình sự phát triển của chất bôi trơn nhiệt thế hệ mới.
Vật liệu có độ dẫn điện cao hơn
Khi tốc độ sạc tăng lên, thông lượng nhiệt cũng tăng mạnh. Các vật liệu có hệ số dẫn nhiệt trên 8 W/m·K đang ngày càng trở nên phổ biến trong các hệ thống xe điện cao cấp.
Công thức không chứa silicone
Ngày càng có nhiều nhà sản xuất thiết bị gốc (OEM) chuyển sang sử dụng các chất dẫn nhiệt (TIM) không chứa silicone nhằm giảm thiểu rủi ro ô nhiễm.
Graphene và các chất độn tiên tiến
Các nhà nghiên cứu đang tìm hiểu về các vật liệu TIM được tăng cường bằng graphene nhằm nâng cao đáng kể độ dẫn điện. Một số nghiên cứu cho thấy độ dẫn điện được cải thiện đáng kể ngay cả khi hàm lượng chất độn tương đối thấp.
Vật liệu đa chức năng
Các TIM trong tương lai có thể kết hợp:
- Chuyển nhiệt
- Kết dính kết cấu
- Khả năng chống cháy
- Cách điện
- Giảm chấn
Ranh giới giữa chất kết dính và vật liệu nhiệt đang dần trở nên mờ nhạt.
Cách chất bôi trơn tản nhiệt HakTak hỗ trợ quản lý nhiệt cho pin
Đối với các hệ thống quản lý pin, chất bôi trơn tản nhiệt lý tưởng cần phải đảm bảo sự cân bằng giữa:
- Độ dẫn nhiệt đáng tin cậy
- Cách điện
- Độ bền khi đạp xe trong thời gian dài
- Phân phối ổn định
- Độ tin cậy đạt tiêu chuẩn ngành ô tô
HakTak tập trung vào các vật liệu dẫn nhiệt được thiết kế dành cho các ứng dụng điện tử và năng lượng đòi hỏi khắt khe, nơi mà khả năng truyền nhiệt ổn định và tuổi thọ hoạt động dài là những yếu tố thiết yếu.
Trong lĩnh vực pin, tính ổn định quan trọng hơn những lời quảng cáo. Một loại vật liệu vẫn duy trì được hiệu suất nhiệt sau hàng nghìn chu kỳ nhiệt sẽ có giá trị cao hơn nhiều so với loại vật liệu chỉ hoạt động tốt trong điều kiện phòng thí nghiệm ngắn hạn.
Sự khác biệt đó ngày càng trở nên quan trọng khi tốc độ sạc xe điện tiếp tục gia tăng trên toàn thế giới.
Kết luận
Việc lựa chọn keo tản nhiệt cho hệ thống quản lý pin không chỉ là một quyết định liên quan đến khả năng tản nhiệt — mà còn là một quyết định liên quan đến độ tin cậy.
Vật liệu tốt nhất hiếm khi là vật liệu có chỉ số dẫn nhiệt cao nhất trong bảng thông số kỹ thuật. Thay vào đó, thiết kế tản nhiệt BMS thành công phụ thuộc vào việc cân bằng giữa độ dẫn nhiệt, tính chất điện môi, độ ổn định độ nhớt, khả năng chống rò rỉ, tính tương thích, khả năng sản xuất và độ bền lâu dài.
Khi các hệ thống pin ngày càng trở nên nhỏ gọn và có mật độ năng lượng cao hơn, các vật liệu giao diện nhiệt sẽ đóng vai trò ngày càng quan trọng hơn trong việc đảm bảo an toàn, hiệu suất sạc và tuổi thọ của pin.
Và trong nhiều trường hợp, sự khác biệt giữa một nền tảng pin ổn định và một nền tảng hay gặp sự cố chỉ nằm ở vài micron vật liệu giao diện mà các kỹ sư hầu như không để ý đến trong giai đoạn chế tạo mẫu ban đầu.
Cho đến khi các sự cố tại hiện trường bắt đầu xảy ra.
Câu hỏi thường gặp
Độ dẫn nhiệt nào được khuyến nghị cho chất bôi trơn tản nhiệt BMS?
Hầu hết các ứng dụng BMS sử dụng keo tản nhiệt có hệ số dẫn nhiệt trong khoảng 3–6 W/m·K, trong khi các hệ thống xe điện (EV) hiệu suất cao có thể yêu cầu hệ số dẫn nhiệt từ 6–12 W/m·K.
Mỡ tản nhiệt silicon có an toàn cho bộ pin xe điện không?
Đúng vậy. Mỡ bôi trơn gốc silicone được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống ắc-quy ô tô nhờ tính ổn định và khả năng cách điện của chúng, mặc dù hiện nay một số nhà sản xuất thiết bị gốc (OEM) lại ưa chuộng các loại mỡ không chứa silicone.
Tại sao keo tản nhiệt lại bị chảy ra theo thời gian?
Sự thay đổi nhiệt độ lặp đi lặp lại và rung động có thể dần dần đẩy mỡ bôi trơn ra khỏi bề mặt tiếp xúc, làm tăng điện trở nhiệt.
Chất bôi trơn tản nhiệt có thể thay thế miếng đệm tản nhiệt trong bộ pin không?
Không phải lúc nào cũng vậy. Mỡ tản nhiệt phát huy hiệu quả tốt nhất trên các khe hở mỏng và bề mặt nhẵn, trong khi miếng đệm lại phù hợp hơn với các khe hở không đều và giúp việc lắp ráp dễ dàng hơn.
Chất bôi trơn tản nhiệt có thể duy trì hiệu quả trong hệ thống pin trong bao lâu?
Mỡ tản nhiệt dành cho ô tô có thể duy trì hiệu quả trong nhiều năm nếu được lựa chọn và bôi trơn đúng cách, nhưng tuổi thọ của nó phụ thuộc rất nhiều vào chu kỳ nhiệt, độ rung và điều kiện môi trường.
