Τι είναι τα μονωτικά μαξιλαράκια Airgel μπαταρίας EV; Οδηγός θερμικού φραγμού

Εάν οι μπαταρίες EV συσκευάζονται σφιχτά χωρίς το σωστό θερμικό φράγμα, μια κυψέλη υπερθέρμανσης μπορεί να μεταφέρει θερμότητα σε γειτονικές κυψέλες, να προκαλέσει θερμική διάδοση, να καταστρέψει τη μπαταρία και να δημιουργήσει σοβαρό κίνδυνο πυρασφάλειας.

Η πιο αποτελεσματική λύση είναι να τοποθετήσετε επιθέματα μόνωσης αερογέλης μπαταρίας EV μεταξύ κυψελών, μονάδων, ζωνών διαύλου ή θερμών σημείων σε επίπεδο συσκευασίας για την επιβράδυνση της μεταφοράς θερμότητας, την απορρόφηση της πίεσης συμπίεσης και τον έλεγχο της θερμικής διάδοσης.

Τα μόνωση αερογέλης μπαταρίας EV είναι εξαιρετικά ελαφριά υλικά θερμικού φραγμού που χρησιμοποιούνται μέσα σε πακέτα μπαταριών ιόντων λιθίου. Είναι ιδιαίτερα πολύτιμα σε πακέτα EV υψηλής πυκνότητας όπου κάθε χιλιοστό επηρεάζει την ενεργειακή πυκνότητα, την ασφάλεια και την αξιοπιστία της συναρμολόγησης.

Πηγή εικόνας: Aspen Aerogels PyroThin thermal barrier engineering resource.^[1]

Τι είναι ένα μονωτικό μαξιλαράκι αερογέλης μπαταρίας EV;

Εάν ο όρος «μαξιλάρι αερογέλης» αντιμετωπιστεί ως συνηθισμένη μόνωση από αφρό ή σφουγγάρι, η μπαταρία μπορεί να χάσει την κρίσιμη προστασία έναντι της μεταφοράς θερμότητας, της αλλαγής συμπίεσης και της θερμικής διαρροής.

Η σωστή απάντηση είναι ότι ένα μαξιλαράκι μόνωσης αερογέλης μπαταρίας EV είναι ένα λεπτό, ελαφρύ θερμικό φράγμα κατασκευασμένο από υλικό με βάση το αερογέλη και σχεδιασμένο για προστασία κυψελών, μονάδας ή συσκευασίας ιόντων λιθίου.

Η Aspen Aerogels περιγράφει το PyroThin ως ένα εξαιρετικά λεπτό, ελαφρύ μόνωση και φράγμα πυρκαγιάς που έχει σχεδιαστεί για να μετριάζει τη θερμική διαφυγή σε επίπεδα κυψέλης σε κυψέλη, μονάδας και φραγμού συσκευασίας.^[1] Σε πρακτικό σχεδιασμό μπαταριών, αυτά τα μαξιλαράκια τοποθετούνται εκεί όπου η θερμότητα πρέπει να καθυστερήσει, να μπλοκάρει ή να ανακατευθυνθεί.

Γιατί χρησιμοποιούνται τα μαξιλαράκια Airgel σε πακέτα μπαταριών EV;

Εάν ένα πακέτο μπαταριών υψηλής ενέργειας βασίζεται μόνο σε υγρή ψύξη και παρακολούθηση BMS, μπορεί να ανιχνεύσει ένα σφάλμα, αλλά εξακολουθεί να μην επιβραδύνει τη μεταφορά θερμότητας όταν ένα στοιχείο εισέλθει σε θερμική διαφυγή.

Η καλύτερη λύση είναι να συνδυάσετε την ενεργητική θερμική διαχείριση με τα παθητικά επιθέματα μόνωσης αερογέλης, έτσι ώστε η συσκευασία να έχει έλεγχο παρακολούθησης και φυσική αντίσταση διάδοσης.

Η θερμική διαφυγή δεν είναι μόνο πρόβλημα θερμοκρασίας. είναι πρόβλημα αλυσιδωτής αντίδρασης. Ένα καλό μαξιλάρι αερογέλης δίνει στο πακέτο μπαταρίας περισσότερο χρόνο μειώνοντας τη αγωγιμότητα της θερμότητας από την κυψέλη εκκίνησης στις κοντινές κυψέλες.

Λάθος: υποθέτοντας ότι η πλάκα ψύξης από μόνη της μπορεί να σταματήσει κάθε θερμικό συμβάν. Σωστό: χρήση ψύξης, εξαερισμού, αισθητήρων, λογικής BMS και φραγμών αερογέλης μαζί.

Πώς σταματούν τη μεταφορά θερμότητας τα μονωτικά επιθέματα Airgel;

Εάν η θερμότητα μετακινηθεί πολύ γρήγορα μέσω της στοίβας της μπαταρίας, οι γειτονικές κυψέλες μπορεί να φτάσουν σε επικίνδυνες θερμοκρασίες προτού το BMS, η πλάκα ψύξης ή η διαδρομή εξαερισμού μπορέσουν να ελέγξουν το συμβάν.

Η άμεση λύση είναι η χρήση της νανοπορώδους δομής της αερογέλης για τον περιορισμό της κίνησης του αερίου και τη μείωση της αγώγιμης μεταφοράς θερμότητας μέσω του μονωτικού στρώματος.

Η NASA εξηγεί ότι τα αερογέλη είναι εξαιρετικά πορώδη, πολύ χαμηλής πυκνότητας και πολύ αποτελεσματικά στην πρόληψη της μεταφοράς θερμότητας, επειδή οι πόροι τους βρίσκονται στην περιοχή των νανομέτρων.^[2] Αυτό κάνει το airgel πολύτιμο όπου η λεπτή μόνωση πρέπει να έχει καλύτερη απόδοση από τον συνηθισμένο αφρό πολυμερούς.

Πηγή εικόνας: Έρευνα μονωτικού υλικού αερογέλης της NASA.^[2]

Τι σημαίνει 'Σειρά' στη σειρά μπαταριών EV-Μονωτικά επιθέματα Aerogel;

Εάν η 'σειρά' παρεξηγηθεί ως ειδικό ηλεκτρικό εξάρτημα, μπορεί να επιλεγεί λάθος μαξιλαράκι για τη λάθος θέση μέσα στη μπαταρία.

Η σωστή ερμηνεία είναι ότι τα «μαξιλάρια μόνωσης σειράς μπαταριών EV-αερογέλης» αναφέρονται συνήθως σε επιθέματα αερογέλης που χρησιμοποιούνται σε μια διάταξη κυψέλης μπαταρίας ή μονάδας συνδεδεμένης σειράς, όχι σε μαξιλαράκι που μεταφέρει ρεύμα σειράς.

Τα πακέτα EV περιέχουν κελιά συνδεδεμένα σε σειρά και παράλληλα για να φτάσουν την τάση και τη χωρητικότητα-στόχο. Τα επιθέματα αερογέλης είναι συνήθως θερμικά και μηχανικά μέρη που δεν μεταφέρουν ρεύμα τοποθετημένα κοντά στη διαδρομή της σειράς κυψελών, στη στοίβα μονάδων ή στη δομή φραγμού πακέτων.

Σε τι διαφέρουν τα επιθέματα Airgel από τη μίκα, τον αφρό ή τις κεραμικές ίνες;

Εάν μια βάση μπαταρίας EV επιλεχθεί μόνο βάσει τιμής ή πάχους, η συσκευασία μπορεί να χάσει την ισορροπία μεταξύ του μπλοκαρίσματος της θερμότητας, της ανάκτησης συμπίεσης, της διηλεκτρικής αντοχής, του βάρους και της ανοχής συναρμολόγησης.

Η καλύτερη λύση είναι να συγκρίνετε αερογέλη, μαρμαρυγία, αφρό και κεραμικές ίνες με τον τρόπο πραγματικής αστοχίας: θερμική διαφυγή, διόγκωση κυψέλης, δόνηση, ηλεκτρική απομόνωση, έκθεση σε φλόγα ή στόχος κόστους.

Το Airgel επιλέγεται συνήθως όταν η συσκευασία χρειάζεται ισχυρή μόνωση σε λεπτή και ελαφριά μορφή. Η μίκα είναι ισχυρή για απόδοση διηλεκτρικού και φραγμού φλόγας, ο αφρός είναι χρήσιμος για απορρόφηση συμπίεσης και ανοχής και κεραμικές ίνες χρησιμοποιούνται όπου έχει σημασία η ακραία αντίσταση στη θερμότητα.

Πού εγκαθίστανται τα τακάκια Airgel σε μια μονάδα μπαταρίας EV;

Εάν τα επιθέματα αερογέλης τοποθετηθούν τυχαία χωρίς να λαμβάνεται υπόψη η ροή θερμότητας, η κατεύθυνση εξαερισμού, το φορτίο συμπίεσης και η δρομολόγηση της πλεξούδας, το πακέτο μπορεί να υποστεί θερμική διάδοση ή μηχανικές παρεμβολές.

Η σωστή λύση είναι να τοποθετήσετε τα μαξιλαράκια αερογέλης σύμφωνα με τη διαδρομή θερμικής διάδοσης, τη χημεία των κυττάρων, την πίεση στοίβας μονάδων, τη θέση της πλάκας ψύξης και το διάκενο της πλεξούδας υψηλής τάσης.

Για θήκες και πρισματικές κυψέλες, τα μαξιλαράκια τοποθετούνται συνήθως μεταξύ μεγάλων επιφανειών κυττάρων. Για κυλινδρικές κυψέλες, το airgel μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως φύλλα, χιτώνια, φράγματα μονάδων ή στρώματα απομόνωσης σε επίπεδο συσκευασίας, ανάλογα με την αρχιτεκτονική.

Για έργα OEM ή μπαταρίας, στείλτε τη μορφή κυψέλης, τη χημεία, την πίεση στοίβας, τη σχεδίαση της μονάδας, τη διαδρομή εξαερισμού και την απαίτηση δοκιμής θερμικής δοκιμής πριν από την τελική επιλογή του μαξιλαριού. Ένα μικρό κόψιμο δείγματος μπορεί να αποκαλύψει τον κίνδυνο εφαρμογής, συμπίεσης και συναρμολόγησης πριν από την τοποθέτηση εργαλείων.

Πώς λειτουργούν τα μαξιλαράκια Airgel με τα συστήματα καλωδίωσης αυτοκινήτου;

Εάν η πλεξούδα υψηλής τάσης, η πλεξούδα ανίχνευσης ή η μόνωση της ράβδου ζυγού οδηγηθούν πολύ κοντά σε μια διαδρομή θερμικής διάδοσης, η μόνωση μπορεί να υποβαθμιστεί, οι ακροδέκτες μπορεί να χαλαρώσουν και τα διαγνωστικά σήματα μπορεί να αποτύχουν κατά τη διάρκεια ενός συμβάντος σφάλματος.

Η καλύτερη λύση είναι να σχεδιάσετε επιθέματα μόνωσης αερογέλης μαζί με καλωδίωση HV, γραμμές ανίχνευσης τάσης, αισθητήρες θερμοκρασίας, καλύμματα ζυγών και στρατηγική στεγανοποίησης πακέτων.

Η ασφάλεια της μπαταρίας δεν είναι μόνο χημεία των κυττάρων. Είναι ένα σχέδιο πλήρους συστήματος που περιλαμβάνει φράγματα κυψελών, δρομολόγηση πλεξούδας υψηλής τάσης, κανάλια εξαερισμού, τοποθέτηση αισθητήρα, γείωση, θωράκιση και προστασία συνδετήρων.

Ποια δεδομένα απόδοσης πρέπει να ελέγχουν οι αγοραστές;

Εάν ένας προμηθευτής παρέχει μόνο πάχος και τιμή, ο αγοραστής δεν μπορεί να κρίνει εάν το μαξιλάρι θα επιβιώσει από συμπίεση, έκθεση σε θερμότητα, φλόγα, υγρασία, κραδασμούς ή καταπόνηση συναρμολόγησης.

Η σωστή λύση είναι να ζητήσετε ένα τεχνικό δελτίο δεδομένων, δεδομένα θερμικής αγωγιμότητας, καμπύλη συμπίεσης, αποτέλεσμα διηλεκτρικής δοκιμής, πληροφορίες αντίστασης φλόγας, εύρος θερμοκρασίας λειτουργίας και δεδομένα γήρανσης.

Η Aspen Aerogels σημειώνει ότι η πλατφόρμα αερογέλης της μπορεί να βελτιστοποιηθεί για θερμική αγωγιμότητα, πάχος και απόκριση συμπίεσης.^[1] Αυτές είναι ακριβώς οι παράμετροι που πρέπει να εξετάσουν οι μηχανικοί μπαταριών πριν επιλέξουν ένα μαξιλαράκι.

Ποια πρότυπα σχετίζονται με τα μαξιλαράκια Airgel μπαταριών EV;

Εάν επιλεγούν τα μαξιλαράκια αερογέλης χωρίς να τα συνδέσετε με την επικύρωση της ασφάλειας της μπαταρίας, το υλικό μπορεί να φαίνεται εξαιρετικό μεμονωμένα, αλλά να μην υποστηρίζει την πιστοποίηση σε επίπεδο συσκευασίας ή τη δοκιμή κατάχρησης.

Η σωστή λύση είναι να συνδέσετε την επιλογή pad με δοκιμές ασφάλειας μπαταριών EV, όπως θερμικές, μηχανικές, ηλεκτρικές, περιβαλλοντικές απαιτήσεις και δοκιμές κατάχρησης.

Η SwRI εξηγεί ότι η δοκιμή UL 2580 αξιολογεί την ασφάλεια της μπαταρίας EV σε ηλεκτρικές, μηχανικές, θερμικές, περιβαλλοντικές και σχετικές με την ασφάλεια δοκιμές.^[3] Το SAE J2464 περιγράφει δοκιμές κατάχρησης που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για επαναφορτιζόμενα συστήματα αποθήκευσης ενέργειας ηλεκτρικών και υβριδικών ηλεκτρικών οχημάτων.^[4]

Λάθος: ερώτηση εάν μόνο ένα μαξιλαράκι αερογέλης 'περνά το UL 2580'. Σωστό: η δοκιμή της πλήρους διάταξης της μπαταρίας επειδή η γεωμετρία του πακέτου, η χημεία των κυττάρων, ο εξαερισμός, η καλωδίωση και η τοποθέτηση φραγμού επηρεάζουν όλα το τελικό αποτέλεσμα.

Πώς πρέπει να επιλέξετε ένα μαξιλάρι Airgel για ένα έργο μπαταριών EV;

Εάν το μαξιλαράκι έχει επιλεγεί αφού έχει ήδη παγώσει η διάταξη του πακέτου, ο μηχανικός μπορεί να αναγκαστεί σε κακό πάχος, κακή συμπίεση, μπλοκάρισμα εξαερισμού ή μη ασφαλή διάκενο καλωδίωσης.

Η καλύτερη λύση είναι να εμπλακεί ο προμηθευτής του μαξιλαριού αερογέλης και ο προμηθευτής της πλεξούδας καλωδίων νωρίς κατά τη διάταξη της μονάδας, τη δρομολόγηση υψηλής τάσης και την προσομοίωση θερμικής διάδοσης.

Μια καλή διαδικασία επιλογής ξεκινά με τη μορφή κυψέλης, τη χημεία, την ενεργειακή πυκνότητα, το πάχος του πακέτου στόχου, τη δύναμη συμπίεσης, τη θέση της πλάκας ψύξης, την κατεύθυνση εξαερισμού και τον στόχο δοκιμής ασφαλείας. Το μαξιλαράκι θα πρέπει να επικυρώνεται στην πραγματική στοίβα μονάδων, όχι μόνο σε ένα επίπεδο δείγμα εργαστηρίου.

Για γρήγορη αξιολόγηση, στείλτε το μέγεθος της κυψέλης, το σχέδιο της μονάδας, το πάχος στόχου, το εύρος συμπίεσης, το συμβάν μέγιστης θερμοκρασίας και τον ετήσιο όγκο. Ένα μικρό δείγμα αερογέλης κομμένο με μήτρα μπορεί να βοηθήσει στην επιβεβαίωση της εφαρμογής πριν από τη μαζική παραγωγή εργαλείων.

FAQ

Τι είναι τα μονωτικά μαξιλάρια αερογέλης μπαταρίας EV;

Είναι λεπτά μαξιλαράκια θερμικού φραγμού με βάση το αερογέλη που χρησιμοποιούνται μέσα στα πακέτα μπαταριών EV για τη μείωση της μεταφοράς θερμότητας, την αργή θερμική διάδοση και την υποστήριξη του σχεδιασμού ασφάλειας της μπαταρίας.

Γιατί χρησιμοποιείται το airgel σε μπαταρίες EV;

Το Airgel χρησιμοποιείται γιατί παρέχει ισχυρή θερμομόνωση σε ελαφριά και λεπτή μορφή. Αυτό βοηθά τους μηχανικούς μπαταριών να προστατεύουν τα κύτταρα χωρίς να σπαταλούν πολύ χώρο στη συσκευασία.

Τα μαξιλαράκια airgel σταματούν τη θερμική διαφυγή;

Τα επιθέματα αερογέλης δεν εμποδίζουν κάθε κύτταρο να αποτύχει. Σκοπός τους είναι να επιβραδύνουν ή να βοηθήσουν στη διακοπή της διάδοσης της θερμότητας από μια αποτυχημένη κυψέλη σε κοντινές κυψέλες, ανάλογα με το σχέδιο του πλήρους πακέτου.

Πού τοποθετούνται τα μαξιλαράκια airgel σε μια μπαταρία;

Μπορούν να τοποθετηθούν μεταξύ κυψελών, μεταξύ μονάδων, κοντά σε ράβδους διαύλου, κάτω από καλύμματα συσκευασίας, δίπλα σε μονοπάτια εξαερισμού ή σε ζώνες φραγμού σε επίπεδο πακέτου.

Τα μαξιλαράκια airgel είναι ηλεκτρικά μονωμένα;

Πολλά τακάκια μπαταριών airgel έχουν σχεδιαστεί με απόδοση ηλεκτρικής μόνωσης, αλλά η ακριβής διηλεκτρική αντοχή εξαρτάται από τη δομή του προϊόντος και τη μέθοδο δοκιμής. Ελέγχετε πάντα το φύλλο δεδομένων προμηθευτή.

Τα μαξιλαράκια airgel είναι καλύτερα από τα φύλλα μαρμαρυγίας;

Λύνουν διάφορα προβλήματα. Το Airgel είναι ισχυρό για λεπτή θερμομόνωση, ενώ η μαρμαρυγία είναι ισχυρή για απόδοση διηλεκτρικού και φραγμού φλόγας. Πολλά πακέτα EV μπορεί να χρησιμοποιούν και τα δύο υλικά σε διαφορετικά στρώματα.

Μπορούν τα μαξιλαράκια airgel να αντικαταστήσουν τα μαξιλαράκια συμπίεσης;

Μερικές φορές μπορούν να υποστηρίξουν τόσο θερμικές λειτουργίες όσο και λειτουργίες συμπίεσης, αλλά όχι πάντα. Η διόγκωση των κυττάρων, η πίεση στοίβας και η συμπεριφορά μακροχρόνιας συμπίεσης πρέπει να επικυρωθούν.

Σημείωση εμπειρογνωμόνων

Τα μόνωση αερογέλης μπαταρίας EV δεν είναι απλώς μαλακά φύλλα που τοποθετούνται μεταξύ των κυψελών. Είναι κρίσιμα για την ασφάλεια θερμικά εμπόδια που πρέπει να λειτουργούν με τη χημεία των κυττάρων, τον εξαερισμό, τη συμπίεση, την ψύξη, τους διαύλους, τους αισθητήρες, τους συνδετήρες και τη δρομολόγηση καλωδίων υψηλής τάσης.

Μετά από 15 χρόνια εργασίας με καλώδια αυτοκινήτου, συγκροτήματα καλωδίων μπαταριών EV, διασυνδέσεις υψηλής τάσης και προσαρμοσμένα συστήματα τροφοδοσίας οχημάτων, ο κανόνας μου είναι απλός: η ασφάλεια της μπαταρίας δεν δημιουργείται ποτέ από ένα μόνο υλικό. δημιουργείται από τον τρόπο που κάθε υλικό, σύρμα, σύνδεσμος και διαδρομή θερμότητας συνεργάζονται. Εάν το έργο της μπαταρίας EV σας χρειάζεται επιθέματα μόνωσης αερογέλης, προστασία πλεξούδας HV, μόνωση ζυγού ή αναθεώρηση θερμικού φραγμού σε στάδιο δείγματος, στείλτε τη διάταξη κυψέλης, την κατηγορία τάσης, τη διαδρομή δρομολόγησης και τον στόχο επικύρωσης πριν από την παραγωγή. Ένα μικρό δείγμα και μια πρώιμη αναθεώρηση μηχανικής μπορεί να αποτρέψει μια πολύ μεγαλύτερη αστοχία σε επίπεδο πακέτου αργότερα.

Αναφορές

1. Aspen Aerogels, 'PyroThin Thermal Runaway Barrier for EVs.' Aspen Aerogels PyroThin

2. NASA, 'Aerogels: Thinner, Lighter, Stronger.' Έρευνα Airgel της NASA

3. Southwest Research Institute, 'UL 2580 Standard Battery Testing.' Δοκιμή μπαταρίας SwRI UL 2580

4. SAE International, 'SAE J2464 Electric and Hybrid Electric Vehicle Rechargeable Energy Storage System Safety and Abuse Testing.' SAE J2464

5. Aspen Aerogels, 'Thermal Runaway Mitigation for Electric Vehicles.' Θερμικά εμπόδια μπαταρίας Aspen Aerogels

6. NASA Spinoff, 'Aerogels Insulate Missions and Consumer Products.' Εφαρμογές NASA Spinoff Airgel