Πόσο πάχος πρέπει να είναι η μόνωση αερογέλης μεταξύ των κυψελών της μπαταρίας EV;

Εάν το φράγμα αερογέλης είναι πολύ λεπτό, η θερμότητα από μια κυψέλη που παρουσιάζει βλάβη μπορεί να φτάσει στον διπλανό της πολύ γρήγορα. Εάν είναι άσκοπα παχύ, το πακέτο χάνει πολύτιμο όγκο κυττάρων, προσθέτει κόστος και μπορεί να αλλάξει τη συμπίεση των κυττάρων.

Δεν υπάρχει γενικό πάχος αερογέλης για μπαταρίες EV—η σωστή τιμή πρέπει να επιλεγεί από τη χημεία κυψελών, την ενέργεια θερμικής διαφυγής, το διαθέσιμο κενό, τη συμπίεση, την επιτρεπόμενη θερμοκρασία προστατευμένης πλευράς και τα αποτελέσματα επικύρωσης της μονάδας. Για τις πρισματικές κυψέλες και τις κυψέλες θήκης, τα κατασκευασμένα εμπόδια έχουν συχνά πάχος μόνο μερικά χιλιοστά, αλλά η τελική τιμή πρέπει να αποδεικνύεται στην πραγματική αρχιτεκτονική της μπαταρίας.

Υπάρχει τυπικό πάχος αερογέλης για κυψέλες μπαταριών EV;

Η χρήση ενός σταθερού κανόνα όπως το «2 mm airgel είναι αρκετό για κάθε μπαταρία» μπορεί να υποπροστατεύσει τα κύτταρα υψηλής ενέργειας ή να σπαταλήσει χώρο σε μια μονάδα χαμηλότερου κινδύνου.

Η σωστή λύση είναι να ορίσετε το πάχος από την απαιτούμενη θερμική αντίσταση υπό την πραγματική συμπιεσμένη κατάσταση. Η μορφή κυψέλης, η χημεία, η αποθηκευμένη ενέργεια, η απόσταση, η κατεύθυνση εξαερισμού, η δύναμη συμπίεσης, η κατασκευή φραγμού και η επιτρεπόμενη θερμοκρασία στο γειτονικό στοιχείο επηρεάζουν όλα το αποτέλεσμα.

Η Aspen Aerogels δηλώνει ότι οι φραγμοί κυψελών αυτοκινήτων της έχουν σχεδιαστεί για συγκεκριμένους στόχους, συμπεριλαμβανομένων της θερμικής αγωγιμότητας, του πάχους και της απόκρισης συμπίεσης , ενισχύοντας ότι το πάχος του φραγμού είναι μια παράμετρος σχεδίασης που εξαρτάται από την εφαρμογή και όχι ένας καθολικός αριθμός.^[1]

Μπορεί ένα φράγμα αερογέλης 2–3 mm να είναι αρκετό;

Η αναφορά ενός επιτυχημένου αποτελέσματος δοκιμής 2–3 mm χωρίς να λαμβάνεται υπόψη το μέγεθος της κυψέλης, η συμπίεση, οι διαδρομές θερμότητας και ο εξαερισμός μπορεί να δημιουργήσει ψευδή εμπιστοσύνη σε μια εντελώς διαφορετική μπαταρία.

Μερικά χιλιοστά μπορεί να είναι τεχνικά βιώσιμα σε ορισμένα πρισματικά σχέδια ή σχέδια κυψελών θήκης, αλλά μόνο όταν η πλήρης δοκιμή της μονάδας επιβεβαιώσει την απαιτούμενη καθυστέρηση διάδοσης. Το πάχος δεν μπορεί να διαχωριστεί από τη σύνθεση του υλικού και την κατάσταση συμπίεσης.

Ο Aspen δημοσίευσε ένα παράδειγμα mini-module χρησιμοποιώντας ένα φράγμα PyroThin 2,35 mm συμπιεσμένο σε περίπου 50% τάση μεταξύ δύο πρισματικών κυττάρων 62 Ah. Σε αυτή τη συγκεκριμένη δοκιμή, η γειτονική κυψέλη δεν εισήλθε σε θερμική διαφυγή, αλλά ο Άσπεν σημειώνει επίσης ότι η μίνι μονάδα απομόνωσε ορισμένες δευτερεύουσες διαδρομές θερμότητας που βρέθηκαν σε ένα πραγματικό πακέτο.^[2]

Αυτό το αποτέλεσμα των 2,35 mm είναι επομένως ένα χρήσιμο παράδειγμα μηχανικής — όχι μια καθολική προδιαγραφή EV.

Πώς η συμπίεση αλλάζει το απαιτούμενο πάχος;

Ένα φράγμα που επιλέγεται μόνο από το ασυμπίεστο πάχος του μπορεί να έχει πολύ διαφορετική απόδοση όταν διογκωθούν τα κύτταρα και η μονάδα συμπιέζει το υλικό καθ' όλη τη διάρκεια ζωής του οχήματος.

Η λύση είναι να αξιολογήσετε τόσο το συμπιεσμένο πάχος αρχής όσο και το τέλος του κύκλου ζωής και τη θερμική απόδοση. Οι πρισματικές κυψέλες και οι κυψέλες θήκης μπορούν να αλλάξουν διάσταση κατά τη διάρκεια της ποδηλασίας, επομένως το φράγμα μπορεί επίσης να λειτουργήσει ως μαξιλαράκι συμπίεσης διατηρώντας παράλληλα τη θερμική αντίσταση.

Το Aspen προσδιορίζει συγκεκριμένα τη μηχανική απόδοση, την κόπωση από συμπίεση και τη θερμική αγωγιμότητα υπό συμπίεση ως κρίσιμους παράγοντες σχεδιασμού για φραγμούς κυψέλης σε κυψέλη.^[3]

Ποιοι παράγοντες καθορίζουν το πάχος του αεροτζελ;

Η επιλογή πάχους μόνο από τη θερμική αγωγιμότητα αγνοεί άλλες διαδρομές θερμότητας και μηχανικούς περιορισμούς που μπορούν να κυριαρχήσουν στην πραγματική διάδοση της θερμικής φυγής.

Οι μηχανικοί θα πρέπει να αξιολογήσουν την πλήρη διεπαφή κυψέλης σε κυψέλη πριν παγώσουν το πάχος του φραγμού. Οι πιο σημαντικές εισροές φαίνονται παρακάτω.

Γιατί να μην χρησιμοποιήσετε απλώς ένα παχύτερο φράγμα αεροτζελ;

Η υπερμεγέθηση κάθε φράγματος κυψέλης μπορεί να μειώσει την πυκνότητα ενέργειας του πακέτου, να αυξήσει τις διαστάσεις και το κόστος της μονάδας και να επηρεάσει το επιδιωκόμενο σύστημα συμπίεσης κυψελών.

Η σωστή λύση είναι η χρήση της ελάχιστης επικυρωμένης κατασκευής που πληροί τις απαιτήσεις θερμικής διάδοσης και τις μηχανικές απαιτήσεις με επαρκές περιθώριο σχεδιασμού. Σε πακέτα EV μεγάλου όγκου, ακόμη και ένα επιπλέον κλάσμα του χιλιοστού που επαναλαμβάνεται σε δεκάδες ή εκατοντάδες διεπαφές κυψελών μπορεί να επηρεάσει ουσιαστικά τις διαστάσεις του πακέτου.

Αυτός είναι ένας λόγος που το airgel είναι ελκυστικό για φραγμούς κυψέλης σε κυψέλη: οι κατασκευαστές μπορούν να δημιουργήσουν πολύ υψηλή θερμική αντίσταση σε σχετικά λεπτές, ελαφριές δομές.^[4]

Αλλάζει η κυτταρική χημεία το απαιτούμενο πάχος αερογέλης;

Η χρήση του ίδιου σχεδιασμού φραγμού για LFP, NMC και άλλες χημείες κυττάρων μπορεί να παραβλέψει σημαντικές διαφορές στη συμπεριφορά θερμικής διαφυγής, την ενέργεια των κυττάρων, τον εξαερισμό και την αρχιτεκτονική του πακέτου.

Το φράγμα θα πρέπει να είναι συντονισμένο στην πραγματική κυτταρική χημεία και τη συμπεριφορά των κυττάρων ενεργοποίησης. Ο Aspen σημειώνει ότι οι φραγμοί κυψελών του είναι σχεδιασμένοι για πολλαπλές χημικές ουσίες, συμπεριλαμβανομένων των συστημάτων LFP, NMC και αναδυόμενων συστημάτων στερεάς κατάστασης, με προφίλ πάχους και ακαμψίας βελτιστοποιημένα για συγκεκριμένες εφαρμογές.^[5]

Η χημεία είναι σημαντική, αλλά δεν είναι η μόνη παράμετρος. Η χωρητικότητα, η γεωμετρία, η κατάσταση φόρτισης, η απόσταση, η συμπίεση, η ψύξη και οι γειτονικές δομές μπορούν να αλλάξουν ουσιαστικά τη συμπεριφορά διάδοσης.

Πρέπει να επιλέγεται το πάχος του αερογέλης πριν από τη δοκιμή της μονάδας;

Το πάγωμα του πάχους παραγωγής μόνο από ένα φύλλο δεδομένων υλικού μπορεί να οδηγήσει σε δαπανηρό επανασχεδιασμό, εάν οι δοκιμές σε επίπεδο μονάδας αποκαλύψουν διαδρομές θερμότητας αγώγιμων, ακτινοβολίας ή αερίου εξαερισμού που δεν αντιπροσωπεύονταν από τη δοκιμή κουπονιού.

Χρησιμοποιήστε υπολογισμούς υλικού και δοκιμές σε επίπεδο κυψέλης για να ορίσετε ένα αρχικό πάχος και, στη συνέχεια, επικυρώστε την πλήρη κατασκευή σε επίπεδο μονάδας ή συσκευασίας πριν από τη σειριακή απελευθέρωση. Μια πραγματική μπαταρία περιέχει γλωττίδες, ράβδους διαύλου, πλάκες ψύξης, δομές συμπίεσης, κενά, συνδετήρες, μόνωση και διαδρομές εξαερισμού που μπορούν να παρακάμψουν το κύριο φράγμα προσώπου κυψέλης.

Ο Aspen δηλώνει ομοίως ότι οι μονάδες και τα πακέτα μπαταριών είναι πολύπλοκα συστήματα και ότι δεν υπάρχει κανένα τεστ που να ταιριάζει σε όλους για την απόδοση του φραγμού κυττάρων μέχρι το τέλος της ζωής τους.^[3]

Πώς επηρεάζει το πάχος του αερογέλης τους διαύλους και την καλωδίωση της μπαταρίας;

Η αύξηση του πάχους του φραγμού κυψέλης χωρίς έλεγχο της γύρω ηλεκτρικής συσκευασίας μπορεί να αλλάξει τις διαστάσεις της στοίβας των μονάδων και να ασκήσει πρόσθετη πίεση σε ζυγούς, καλώδια ανίχνευσης, συνδέσμους ή δρομολόγηση καλωδίωσης υψηλής τάσης.

Η σωστή λύση είναι να ελέγξετε το πάχος του αερογέλης μαζί με το σύστημα ηλεκτρικής διασύνδεσης. Οι αλλαγές στην απόσταση των κυψελών μπορούν να αλλάξουν τη γεωμετρία της ράβδου ζυγού, το μήκος του καλωδίου ανίχνευσης BMS, τη θέση του συνδετήρα, το διάκενο μόνωσης και τη δρομολόγηση των καλωδίων υψηλής τάσης γύρω από τη μονάδα.

Για το λόγο αυτό, μια αλλαγή θερμικού φραγμού δεν θα πρέπει να αντιμετωπίζεται ως υποκατάσταση μεμονωμένου υλικού. Η απόσταση των κυψελών, η συμπίεση, η μόνωση μαρμαρυγίας, οι ράβδοι ζυγών, τα μαξιλαράκια σιλικόνης, η καλωδίωση BMS και οι διεπαφές καλωδίωσης HV θα πρέπει να ελέγχονται μαζί πριν παγώσει το εργαλείο.

Χρειάζεστε να ορίσετε ένα φράγμα κυττάρων Airgel;

Για μια ανασκόπηση μηχανικής, προετοιμάστε τη χημεία κυψέλης, τη χωρητικότητα, τις διαστάσεις της κυψέλης, το διαθέσιμο κενό, την απαίτηση συμπίεσης, το εύρος πάχους στόχου, την κατεύθυνση αερισμού, την απαίτηση θερμικής διάδοσης, τη μονάδα CAD και τη διάταξη ζυγού ή καλωδίωσης.

Μια αξιολόγηση δείγματος θα πρέπει να επιβεβαιώσει τόσο τη θερμική απόδοση όσο και τη συμπιεσμένη μηχανική συμπεριφορά πριν απελευθερωθεί το τελικό πάχος παραγωγής.

FAQ

Ποιο είναι το τυπικό πάχος αερογέλης μεταξύ των κυψελών μπαταρίας EV;

Δεν υπάρχει καθολικό πάχος. Τα κατασκευασμένα φράγματα κυψελών μπορούν να έχουν πάχος μόνο μερικά χιλιοστά, αλλά η τελική τιμή εξαρτάται από το υλικό, τον σχεδιασμό του στοιχείου, τη συμπίεση και την απαιτούμενη απόδοση θερμικής διάδοσης.

Είναι αρκετή η αερογέλη 2 mm μεταξύ των κυττάρων της μπαταρίας;

Μπορεί να είναι επαρκής σε ορισμένα σχέδια και ανεπαρκής σε άλλα. Το πάχος πρέπει να επικυρωθεί χρησιμοποιώντας την πραγματική χημεία των κυττάρων, την ενέργεια, τη συμπίεση, τις διαδρομές θερμότητας και την αρχιτεκτονική της μονάδας.

Η συμπίεση του αεροτζελ μειώνει τη θερμική του προστασία;

Εξαρτάται από την κατασκευή αερογέλης. Τα εμπόδια κυψελών αυτοκινήτων πρέπει να χαρακτηρίζονται υπό την πραγματική τους κατάσταση συμπίεσης, επειδή η μηχανική καταπόνηση αλλάζει το πάχος και μπορεί να επηρεάσει τη θερμική συμπεριφορά.

Είναι το παχύτερο πήκτωμα αέρα πάντα πιο ασφαλές;

Όχι. Το μεγαλύτερο πάχος μπορεί να βελτιώσει τη θερμική αντίσταση, αλλά μπορεί να μειώσει την ενεργειακή πυκνότητα του πακέτου, να αλλάξει τη συμπίεση των κυψελών, να αυξήσει το κόστος και να επηρεάσει τη γεωμετρία του ζυγού ή της καλωδίωσης.

Πρέπει να ελέγχεται το Airgel σε επίπεδο κυψέλης ή μονάδας;

Και τα δύο μπορεί να είναι χρήσιμα. Οι δοκιμές σε επίπεδο κυψέλης βοηθούν στην απόδοση του φραγμού οθόνης, αλλά η επικύρωση σε επίπεδο μονάδας και συσκευασίας είναι σημαντική επειδή υπάρχουν πρόσθετες διαδρομές μεταφοράς θερμότητας και αερίου εξαερισμού στο πλήρες σύστημα μπαταρίας.

Προοπτική 15ετούς μπαταρίας αυτοκινήτου και καλωδίωσης

Με βάση τα 15 χρόνια εμπειρίας εξαρτημάτων αυτοκινήτου και καλωδίων, δεν θα καθόριζα ποτέ ένα φράγμα αερογέλης απλώς ως '2 mm' ή '3 mm' πριν καταλάβω τη στοίβα μπαταριών.

Το σωστό πάχος είναι η ελάχιστη επικυρωμένη κατασκευή που ελέγχει τη μεταφορά θερμότητας από κυψέλη σε κυψέλη, ενώ εξακολουθεί να πληροί τις απαιτήσεις συμπίεσης, συσκευασίας, ζυγού, σύρματος ανίχνευσης και δρομολόγησης υψηλής τάσης. Σε μια μπαταρία EV, τα θερμικά υλικά και οι ηλεκτρικές διασυνδέσεις πρέπει να σχεδιάζονται μαζί.

Έγκυρες Αναφορές

[1] Aspen Aerogels — PyroThin Airgel Cell-to-Cell Thermal Barriers

[2] Aspen Aerogels — Δοκιμή mini-module θερμικής διάδοσης από κύτταρο σε κύτταρο

[3] Aspen Aerogels — Σχεδιασμός, συμπίεση και επικύρωση θερμικού φραγμού

[4] Aspen Aerogels — Thermal Runaway Propagation και Cell-to-Cell Barriers

[5] Aspen Aerogels — Εφαρμογές θερμικού φραγμού μπαταρίας EV