پدهای عایق هواژل باتری EV چیست؟ راهنمای سد حرارتی

اگر سلول‌های باتری EV محکم و بدون مانع حرارتی مناسب بسته‌بندی شوند، یک سلول بیش از حد گرم می‌تواند گرما را به سلول‌های همسایه منتقل کند، انتشار حرارتی را آغاز کند، به بسته باتری آسیب برساند و خطر ایمنی آتش‌سوزی جدی ایجاد کند.

موثرترین راه‌حل، قرار دادن پدهای عایق هواژل باتری EV بین سلول‌ها، ماژول‌ها، مناطق شینه یا نقاط داغ در سطح بسته برای کند کردن انتقال حرارت، جذب تنش فشاری و کمک به کنترل انتشار گرمایی است.

پدهای عایق هواژل باتری EV مواد سد حرارتی فوق سبک هستند که در بسته های باتری لیتیوم یون استفاده می شوند. آنها به ویژه در بسته‌های EV با چگالی بالا که هر میلی‌متر بر چگالی انرژی، ایمنی و قابلیت اطمینان مونتاژ تأثیر می‌گذارد، ارزشمند هستند.

منبع تصویر: منبع مهندسی سد حرارتی Aspen Aerogels PyroThin.^[1]

پد عایق هواژل باتری EV چیست؟

اگر اصطلاح 'پد آئروژل' به عنوان عایق فوم معمولی یا اسفنجی در نظر گرفته شود، بسته باتری ممکن است حفاظت حیاتی را در برابر انتقال حرارت، تغییر فشرده سازی و انتشار گرما از دست بدهد.

پاسخ صحیح این است که پد عایق هواژل باتری EV یک مانع حرارتی نازک و سبک وزن است که از مواد مبتنی بر آئروژل ساخته شده و برای محافظت از سلول‌ها، ماژول‌ها یا بسته‌های لیتیوم یونی مهندسی شده است.

Aspen Aerogels PyroThin را به عنوان یک عایق فوق نازک، سبک وزن و مانع آتش توصیف می کند که برای کاهش فرار حرارتی در سطوح سلول به سلول، ماژول و بسته-موان طراحی شده است.^[1] در طراحی عملی باتری، این پدها در جایی قرار می‌گیرند که گرما باید به تاخیر بیفتد، مسدود شود یا هدایت شود.

چرا پدهای ایرژل در بسته های باتری EV استفاده می شود؟

اگر یک بسته باتری پرانرژی فقط به خنک‌کننده مایع و نظارت بر BMS متکی باشد، ممکن است خطا را تشخیص دهد، اما پس از ورود سلول به گرما، انتقال حرارت را از نظر فیزیکی کند نکند.

راه حل بهتر ترکیب مدیریت حرارتی فعال با پدهای عایق هواژل غیرفعال است، بنابراین بسته دارای کنترل نظارت و مقاومت در برابر انتشار فیزیکی است.

فرار حرارتی تنها یک مشکل دما نیست. این یک مشکل واکنش زنجیره ای است. یک پد هواژل خوب با کاهش انتقال حرارت از سلول آغازگر به سلول‌های مجاور، زمان بیشتری به بسته باتری می‌دهد.

اشتباه: با فرض اینکه صفحه خنک کننده به تنهایی می تواند هر رویداد حرارتی را متوقف کند. درست: استفاده از خنک کننده، تهویه، حسگرها، منطق BMS و موانع هواژل با هم.

چگونه پدهای عایق ایروژل انتقال حرارت را متوقف می کنند؟

اگر گرما خیلی سریع در پشته باتری حرکت کند، سلول های مجاور می توانند قبل از اینکه BMS، صفحه خنک کننده یا مسیر تهویه بتوانند رویداد را کنترل کنند، به دمای خطرناکی برسند.

راه حل مستقیم استفاده از ساختار نانو متخلخل آئروژل برای محدود کردن حرکت گاز و کاهش انتقال حرارت رسانا از طریق لایه عایق است.

ناسا توضیح می دهد که آئروژل ها بسیار متخلخل، چگالی بسیار کم و در جلوگیری از انتقال حرارت بسیار موثر هستند، زیرا منافذ آنها در محدوده نانومتری قرار دارند.^[2] این امر باعث می شود آئروژل در جایی که عایق نازک بهتر از فوم پلیمری معمولی عمل کند، ارزشمند می شود.

منبع تصویر: تحقیقات مواد عایق هواژل ناسا.^[2]

معنای 'سری' در پدهای عایق آئروژل سری باتری EV چیست؟

اگر 'سری' به عنوان یک جزء الکتریکی خاص اشتباه گرفته شود، ممکن است پد اشتباه برای مکان اشتباه داخل بسته باتری انتخاب شود.

تفسیر صحیح این است که 'پدهای عایق سری باتری‌های EV-aerogel' معمولاً به پدهای ایروژل استفاده می‌شود که در ترتیب سلول باتری یا ماژول متصل به سری استفاده می‌شوند، نه پدی که جریان سری را هدایت می‌کند.

بسته های EV حاوی سلول هایی هستند که به صورت سری و موازی به هم متصل شده اند تا به ولتاژ و ظرفیت مورد نظر برسند. پدهای ایروژل معمولاً قطعات حرارتی و مکانیکی غیر حامل جریان هستند که در نزدیکی مسیر سری سلولی، پشته ماژول یا ساختار مانع بسته قرار می گیرند.

پدهای ایرژل چه تفاوتی با میکا، فوم یا فیبر سرامیکی دارند؟

اگر یک پد باتری EV فقط بر اساس قیمت یا ضخامت انتخاب شود، بسته ممکن است تعادل بین انسداد گرما، بازیابی تراکم، استحکام دی الکتریک، وزن و تحمل مونتاژ را از دست بدهد.

بهترین راه حل مقایسه آئروژل، میکا، فوم و فیبر سرامیکی با حالت شکست واقعی است: فرار حرارتی، تورم سلولی، ارتعاش، ایزوله الکتریکی، قرار گرفتن در معرض شعله، یا هدف هزینه.

ایروژل معمولاً زمانی انتخاب می شود که پک به عایق قوی به شکل نازک و سبک نیاز داشته باشد. میکا برای عملکرد دی الکتریک و مانع شعله قوی است، فوم برای جذب تراکم و تحمل مفید است و الیاف سرامیکی در مواردی که مقاومت در برابر حرارت شدید اهمیت دارد استفاده می شود.

پدهای ایرژل در کجای ماژول باتری EV نصب می شوند؟

اگر پدهای ایروژل به طور تصادفی و بدون در نظر گرفتن جریان گرما، جهت دریچه، بار فشاری و مسیر مهار قرار داده شوند، بسته همچنان می تواند از انتشار حرارتی یا تداخل مکانیکی رنج ببرد.

راه حل صحیح این است که پدهای ایروژل را با توجه به مسیر انتشار حرارتی، شیمی سلول، فشار پشته ماژول، محل صفحه خنک کننده و فاصله مهار ولتاژ بالا قرار دهید.

برای سلول‌های کیسه‌ای و منشوری، پدها معمولاً بین صفحات سلولی بزرگ قرار می‌گیرند. برای سلول‌های استوانه‌ای، هواژل ممکن است به‌عنوان صفحات، آستین، موانع ماژول یا لایه‌های جداسازی در سطح بسته بسته به معماری استفاده شود.

برای پروژه های OEM یا بسته باتری، فرمت سلول، شیمی، فشار پشته، ترسیم ماژول، مسیر تهویه، و نیاز تست حرارتی را قبل از انتخاب نهایی پد ارسال کنید. یک برش نمونه کوچک می تواند خطر تناسب، فشرده سازی و مونتاژ را قبل از ابزارسازی نشان دهد.

پدهای ایرژل چگونه با سیستم های مهار سیم خودرو کار می کنند؟

اگر مهار ولتاژ بالا، دسته حسگر یا عایق شینه خیلی نزدیک به مسیر انتشار حرارتی قرار گیرد، ممکن است عایق کاهش یابد، پایانه ها شل شوند و سیگنال های تشخیصی ممکن است در طول یک رویداد خطا از کار بیفتند.

راه حل بهتر طراحی پدهای عایق ایروژل همراه با سیم کشی HV، خطوط حسگر ولتاژ، سنسورهای دما، پوشش های شینه و استراتژی آب بندی پک است.

ایمنی باتری فقط شیمی سلولی نیست. این یک طراحی تمام سیستم است که شامل موانع سلولی، مسیریابی مهار ولتاژ بالا، کانال های تهویه، قرارگیری حسگر، زمین، محافظ و حفاظت کانکتور است.

خریداران چه داده‌های عملکردی را باید بررسی کنند؟

اگر یک تامین کننده فقط ضخامت و قیمت را ارائه دهد، خریدار نمی تواند قضاوت کند که آیا لنت در برابر فشرده سازی، قرار گرفتن در معرض گرما، شعله، رطوبت، ارتعاش یا استرس مجموعه مقاوم است یا خیر.

راه حل صحیح درخواست برگه اطلاعات فنی، داده های هدایت حرارتی، منحنی فشرده سازی، نتیجه آزمایش دی الکتریک، اطلاعات مقاومت در برابر شعله، محدوده دمای عملیاتی و داده های قدیمی است.

Aspen Aerogels خاطرنشان می کند که پلت فرم ایروژل آن می تواند برای هدایت حرارتی، ضخامت و پاسخ فشرده سازی بهینه شود.^[1] اینها دقیقاً پارامترهایی هستند که مهندسان باتری باید قبل از انتخاب پد بررسی کنند.

کدام استانداردها با پدهای ایرژل باتری EV مرتبط هستند؟

اگر پدهای ایروژل بدون ارتباط آنها با اعتبار سنجی ایمنی باتری انتخاب شوند، ممکن است این ماده به تنهایی عالی به نظر برسد اما از گواهینامه یا آزمایش سوء استفاده در سطح بسته پشتیبانی نکند.

راه حل صحیح این است که انتخاب پد را با تست های ایمنی باتری EV مانند الزامات تست حرارتی، مکانیکی، الکتریکی، محیطی و سوء استفاده متصل کنید.

SwRI توضیح می دهد که تست UL 2580 ایمنی باتری EV را در آزمایش های الکتریکی، مکانیکی، حرارتی، زیست محیطی و ایمنی ارزیابی می کند.^[3] SAE J2464 آزمایش‌های سوء استفاده را توصیف می‌کند که ممکن است برای سیستم‌های ذخیره انرژی قابل شارژ خودروهای الکتریکی و هیبریدی استفاده شود.^[4]

اشتباه: پرسیدن اینکه آیا یک پد هواژل به تنهایی 'UL 2580 را می گذراند' درست است: آزمایش مجموعه کامل باتری زیرا هندسه بسته، شیمی سلول، تهویه هوا، سیم کشی و قرارگیری مانع همگی بر نتیجه نهایی تأثیر می گذارند.

چگونه باید یک پد Airgel را برای پروژه باتری EV انتخاب کنید؟

اگر پد پس از منجمد شدن چیدمان بسته انتخاب شود، ممکن است مهندس مجبور به ضخامت ضعیف، فشرده سازی بد، مسدود شدن تهویه یا فاصله مهار ناامن شود.

بهترین راه حل این است که تامین کننده پد آئروژل و تامین کننده مهار سیم را در مراحل اولیه طرح ماژول، مسیریابی ولتاژ بالا و شبیه سازی انتشار حرارتی درگیر کنید.

یک فرآیند انتخاب خوب با قالب سلولی، شیمی، چگالی انرژی، ضخامت بسته هدف، نیروی فشرده سازی، موقعیت صفحه خنک کننده، جهت تهویه، و هدف تست ایمنی شروع می شود. پد باید در پشته ماژول واقعی، نه تنها در یک نمونه آزمایشگاهی تخت، اعتبارسنجی شود.

برای ارزیابی سریع، اندازه سلول، طراحی ماژول، ضخامت هدف، محدوده فشرده سازی، حداکثر رویداد دمایی و حجم سالانه را ارسال کنید. یک نمونه کوچک آئروژل برش خورده می‌تواند به تأیید برازش قبل از تولید انبوه کمک کند.

سوالات متداول

پدهای عایق هواژل باتری EV چیست؟

آنها پدهای سد حرارتی نازک مبتنی بر آئروژل هستند که در داخل بسته‌های باتری EV برای کاهش انتقال حرارت، انتشار حرارت آهسته و پشتیبانی از طراحی ایمنی باتری استفاده می‌شوند.

چرا از ایروژل در باتری های EV استفاده می شود؟

ایروژل به این دلیل استفاده می شود که عایق حرارتی قوی به شکل سبک و نازک ایجاد می کند. این به مهندسان باتری کمک می‌کند تا از سلول‌ها بدون اتلاف فضای بیش از حد بسته محافظت کنند.

آیا پدهای ایروژل فرار حرارتی را متوقف می کنند؟

پدهای ایروژل از از کار افتادن هر سلول جلوگیری نمی کند. هدف آنها کاهش یا کمک به توقف انتشار گرما از یک سلول معیوب به سلول های مجاور است، بسته به طراحی بسته کامل.

پدهای ایروژل در کجای بسته باتری قرار می گیرند؟

آنها را می‌توان بین سلول‌ها، بین ماژول‌ها، نزدیک شینه‌ها، زیر پوشش‌های بسته، کنار مسیرهای هواکش یا در مناطق مانع در سطح بسته قرار داد.

آیا پدهای ایروژل عایق الکتریکی هستند؟

بسیاری از پدهای باتری ایروژل با عملکرد عایق الکتریکی طراحی شده اند، اما استحکام دی الکتریک دقیق به ساختار محصول و روش آزمایش بستگی دارد. همیشه برگه اطلاعات تامین کننده را بررسی کنید.

آیا پدهای ایروژل بهتر از ورق های میکا هستند؟

آنها مشکلات مختلفی را حل می کنند. ایروژل برای عایق حرارتی نازک قوی است، در حالی که میکا برای عملکرد دی الکتریک و مانع شعله قوی است. بسیاری از بسته های EV ممکن است از هر دو ماده در لایه های مختلف استفاده کنند.

آیا پدهای ایروژل می توانند جایگزین پدهای فشاری شوند؟

گاهی اوقات آنها می توانند هر دو عملکرد حرارتی و فشرده سازی را پشتیبانی کنند، اما نه همیشه. تورم سلولی، فشار پشته و رفتار فشرده سازی طولانی مدت باید تایید شود.

یادداشت کارشناسی

پدهای عایق هواژل باتری EV فقط صفحات نرمی نیستند که بین سلول ها قرار می گیرند. آنها موانع حرارتی حیاتی برای ایمنی هستند که باید با شیمی سلول، هواگیری، فشرده سازی، خنک کننده، شینه ها، حسگرها، اتصالات و مسیریابی مهار ولتاژ بالا کار کنند.

پس از 15 سال کار با دسته سیم خودرو، مجموعه کابل باتری EV، اتصالات ولتاژ بالا و سیستم های برق سفارشی خودرو، قانون میدانی من ساده است: ایمنی باتری هرگز با یک ماده به تنهایی ایجاد نمی شود. از طریق کارکرد هر ماده، سیم، اتصال دهنده و مسیر گرمایی با هم ایجاد می شود. اگر پروژه باتری خودروی برقی شما به پدهای عایق ایروژل، حفاظت از مهار HV، عایق شینبار یا بررسی سد حرارتی مرحله نمونه نیاز دارد، طرح سلول، کلاس ولتاژ، مسیر مسیریابی و هدف اعتبارسنجی را قبل از تولید ارسال کنید. یک نمونه کوچک و بررسی اولیه مهندسی می تواند بعداً از خرابی بسیار بزرگتر در سطح بسته جلوگیری کند.

مراجع

1. Aspen Aerogels، 'موانع فرار حرارتی نازک برای خودروهای الکتریکی.' Aspen Aerogels PyroThin

2. ناسا، 'آئروژل ها: نازک تر، سبک تر، قوی تر.' تحقیقات ایرژل ناسا

3. موسسه تحقیقاتی جنوب غربی، 'تست استاندارد باتری UL 2580.' تست باتری SwRI UL 2580

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

5. Aspen Aerogels، 'کاهش فرار حرارتی برای وسایل نقلیه الکتریکی.' موانع حرارتی باتری Aspen Aerogels

6. اسپین اف ناسا، 'آئروژل ها ماموریت ها و محصولات مصرفی را عایق می کنند.' برنامه های کاربردی اسپینوف ایرژل ناسا