Que sont les coussinets isolants Aerogel pour batterie EV ? Guide de la barrière thermique

Si les cellules de la batterie d'un véhicule électrique sont étroitement emballées sans barrière thermique appropriée, une cellule en surchauffe peut transférer de la chaleur aux cellules voisines, déclencher une propagation thermique, endommager la batterie et créer un risque grave d'incendie.

La solution la plus efficace consiste à placer des coussinets d'isolation en aérogel de batterie EV entre les cellules, les modules, les zones de barres omnibus ou les points chauds au niveau du pack pour ralentir le transfert de chaleur, absorber les contraintes de compression et aider à contrôler la propagation de l'emballement thermique.

Les coussinets isolants en aérogel pour batterie EV sont des matériaux de barrière thermique ultra-légers utilisés à l’intérieur des batteries lithium-ion. Ils sont particulièrement précieux dans les packs EV haute densité où chaque millimètre affecte la densité énergétique, la sécurité et la fiabilité de l’assemblage.

Source de l’image : ressource d’ingénierie de barrière thermique Aspen Aerogels PyroThin.^[1]

Qu'est-ce qu'un coussin isolant Aerogel pour batterie EV ?

Si le terme « coussin d'aérogel » est traité comme une isolation ordinaire en mousse ou en éponge, le bloc-batterie peut perdre sa protection critique contre le transfert de chaleur, le changement de compression et la propagation de l'emballement thermique.

La bonne réponse est qu'un coussin isolant en aérogel pour batterie EV est une barrière thermique fine et légère fabriquée à partir d'un matériau à base d'aérogel et conçue pour la protection des cellules, modules ou packs lithium-ion.

Aspen Aerogels décrit PyroThin comme une isolation et une barrière coupe-feu ultra fines et légères conçues pour atténuer l'emballement thermique au niveau de cellule à cellule, de module et de barrière de pack.^[1] Dans une conception de batterie pratique, ces coussinets sont placés là où la chaleur doit être retardée, bloquée ou redirigée.

Pourquoi les coussinets Aerogel sont-ils utilisés dans les packs de batteries EV ?

Si une batterie à haute énergie repose uniquement sur le refroidissement liquide et la surveillance BMS, elle peut détecter un défaut mais ne parvient toujours pas à ralentir physiquement le transfert de chaleur une fois qu'une cellule entre dans un emballement thermique.

La meilleure solution consiste à combiner une gestion thermique active avec des coussinets d'isolation passifs en aérogel, de sorte que le pack dispose à la fois d'un contrôle de surveillance et d'une résistance physique à la propagation.

L’emballement thermique n’est pas seulement un problème de température ; c'est un problème de réaction en chaîne. Un bon coussin d'aérogel donne plus de temps à la batterie en réduisant la conduction thermique de la cellule d'initiation vers les cellules voisines.

Faux : supposer que la plaque de refroidissement à elle seule peut arrêter tout événement thermique. Correct : utiliser ensemble le refroidissement, la ventilation, les capteurs, la logique BMS et les barrières d'aérogel.

Comment les coussinets isolants Aerogel arrêtent-ils le transfert de chaleur ?

Si la chaleur se déplace trop rapidement à travers la pile de batteries, les cellules adjacentes peuvent atteindre des températures dangereuses avant que le BMS, la plaque de refroidissement ou le chemin de ventilation ne puissent contrôler l'événement.

La solution directe consiste à utiliser la structure nanoporeuse de l'aérogel pour restreindre le mouvement des gaz et réduire le transfert de chaleur par conduction à travers la couche isolante.

La NASA explique que les aérogels sont extrêmement poreux, de très faible densité et très efficaces pour empêcher le transfert de chaleur car leurs pores sont de l’ordre du nanomètre.^[2] Cela rend l'aérogel précieux là où une isolation mince doit fonctionner mieux que la mousse polymère ordinaire.

Source de l'image : recherche sur les matériaux isolants en aérogel de la NASA.^[2]

Que signifie « série » dans les coussinets isolants en aérogel de la série de batteries EV ?

Si la « série » est comprise à tort comme un composant électrique spécial, le mauvais tampon peut être sélectionné au mauvais endroit à l'intérieur de la batterie.

L'interprétation correcte est que les « coussins isolants en aérogel série pour batterie EV » font généralement référence à des coussinets d'aérogel utilisés sur une cellule ou un module de batterie connecté en série, et non à un coussin qui conduit le courant en série.

Les packs EV contiennent des cellules connectées en série et en parallèle pour atteindre la tension et la capacité cibles. Les coussinets d'aérogel sont normalement des pièces thermiques et mécaniques non conductrices de courant, placées à proximité du chemin de la série de cellules, de la pile de modules ou de la structure de barrière du pack.

En quoi les tampons d'aérogel sont-ils différents du mica, de la mousse ou de la fibre céramique ?

Si un bloc de batterie EV est sélectionné uniquement en fonction de son prix ou de son épaisseur, le pack peut perdre l'équilibre entre le blocage thermique, la récupération par compression, la rigidité diélectrique, le poids et la tolérance d'assemblage.

La meilleure solution consiste à comparer l'aérogel, le mica, la mousse et la fibre céramique en fonction du mode de défaillance réel : emballement thermique, gonflement des cellules, vibration, isolation électrique, exposition aux flammes ou objectif de coût.

L'aérogel est généralement choisi lorsque le pack nécessite une isolation solide sous une forme fine et légère. Le mica est solide pour ses performances diélectriques et pare-flammes, la mousse est utile pour l'absorption de la compression et de la tolérance, et la fibre céramique est utilisée là où la résistance à la chaleur extrême est importante.

Où les coussinets Aerogel sont-ils installés dans un module de batterie EV ?

Si les coussinets d'aérogel sont placés de manière aléatoire sans tenir compte du flux de chaleur, de la direction de l'aération, de la charge de compression et de l'acheminement du harnais, le pack peut toujours subir une propagation thermique ou des interférences mécaniques.

La bonne solution consiste à placer des coussinets d'aérogel en fonction du chemin de propagation thermique, de la chimie cellulaire, de la pression de l'empilement de modules, de l'emplacement de la plaque de refroidissement et du dégagement du faisceau haute tension.

Pour les cellules en poche et prismatiques, les coussinets sont généralement placés entre les grandes faces des cellules. Pour les cellules cylindriques, l'aérogel peut être utilisé sous forme de feuilles, de manchons, de barrières de modules ou de couches d'isolation au niveau du pack, en fonction de l'architecture.

Pour les projets OEM ou de batteries, envoyez le format de cellule, la composition chimique, la pression de pile, le dessin du module, le chemin de ventilation et les exigences de test thermique avant la sélection finale du tampon. Un petit échantillon de coupe peut révéler les risques d'ajustement, de compression et d'assemblage avant l'outillage.

Comment les coussinets Aerogel fonctionnent-ils avec les systèmes de faisceaux de câbles automobiles ?

Si le faisceau haute tension, le faisceau de détection ou l'isolation du jeu de barres est acheminé trop près d'un chemin de propagation thermique, l'isolation peut se dégrader, les bornes peuvent se desserrer et les signaux de diagnostic peuvent échouer lors d'un événement de défaut.

La meilleure solution consiste à concevoir des coussinets isolants en aérogel avec un câblage HT, des lignes de détection de tension, des capteurs de température, des couvercles de jeux de barres et une stratégie d'étanchéité des packs.

La sécurité des batteries ne concerne pas seulement la chimie des cellules. Il s'agit d'une conception de système complet impliquant des barrières cellulaires, le routage du faisceau haute tension, les canaux de ventilation, le placement des capteurs, la mise à la terre, le blindage et la protection des connecteurs.

Quelles données de performances les acheteurs doivent-ils vérifier ?

Si un fournisseur ne fournit que l'épaisseur et le prix, l'acheteur ne peut pas juger si le tampon survivra à la compression, à l'exposition à la chaleur, aux flammes, à l'humidité, aux vibrations ou aux contraintes d'assemblage du pack.

La bonne solution consiste à demander une fiche technique, des données de conductivité thermique, une courbe de compression, un résultat de test diélectrique, des informations sur la résistance à la flamme, une plage de température de fonctionnement et des données de vieillissement.

Aspen Aerogels note que sa plate-forme d'aérogel peut être optimisée pour la conductivité thermique, l'épaisseur et la réponse à la compression.^[1] Ce sont exactement les paramètres que les ingénieurs en batterie devraient examiner avant de choisir un pad.

Quelles normes sont liées aux coussinets Aerogel pour batterie EV ?

Si les coussinets d'aérogel sont sélectionnés sans les lier à la validation de la sécurité de la batterie, le matériau peut sembler excellent isolément mais ne pas prendre en charge la certification au niveau du pack ou les tests d'abus.

La bonne solution consiste à connecter la sélection des plots aux tests de sécurité des batteries EV tels que les exigences thermiques, mécaniques, électriques, environnementales et de tests d'abus.

SwRI explique que les tests UL 2580 évaluent la sécurité des batteries de véhicules électriques à travers des tests électriques, mécaniques, thermiques, environnementaux et liés à la sécurité.^[3] SAE J2464 décrit des tests d'abus qui peuvent être utilisés pour les systèmes de stockage d'énergie rechargeables des véhicules électriques et hybrides.^[4]

Faux : demander si un tampon d'aérogel seul « passe la norme UL 2580 ». Correct : tester l'ensemble de la batterie complet, car la géométrie du pack, la chimie des cellules, la ventilation, le câblage et le placement de la barrière affectent tous le résultat final.

Comment choisir un Aerogel Pad pour un projet de batterie EV ?

Si le coussin est sélectionné alors que la disposition du sac est déjà gelée, l'ingénieur peut être contraint à une mauvaise épaisseur, une mauvaise compression, une ventilation bloquée ou un dégagement du harnais dangereux.

La meilleure solution consiste à impliquer le fournisseur de coussinets d'aérogel et le fournisseur de faisceaux de câbles dès le début de la disposition des modules, du routage haute tension et de la simulation de propagation thermique.

Un bon processus de sélection commence par le format des cellules, la chimie, la densité énergétique, l'épaisseur du pack cible, la force de compression, la position de la plaque de refroidissement, la direction de la ventilation et la cible du test de sécurité. Le pad doit être validé dans la pile de modules réelle, et pas seulement sur un échantillon plat de laboratoire.

Pour une évaluation rapide, envoyez la taille de votre cellule, le dessin du module, l'épaisseur cible, la plage de compression, l'événement de température maximale et le volume annuel. Un petit échantillon d'aérogel découpé peut aider à confirmer l'ajustement avant l'outillage de production en série.

FAQ

Que sont les coussinets isolants en aérogel pour batterie EV ?

Il s'agit de fines barrières thermiques à base d'aérogel utilisées à l'intérieur des batteries de véhicules électriques pour réduire le transfert de chaleur, ralentir la propagation thermique et prendre en charge la conception de sécurité des batteries.

Pourquoi l'aérogel est-il utilisé dans les batteries des véhicules électriques ?

L'aérogel est utilisé car il offre une forte isolation thermique sous une forme légère et fine. Cela aide les ingénieurs en batteries à protéger les cellules sans perdre trop d’espace.

Les coussinets d'aérogel arrêtent-ils l'emballement thermique ?

Les coussinets d'aérogel n'empêchent pas chaque cellule de tomber en panne. Leur objectif est de ralentir ou d'aider à arrêter la propagation de la chaleur d'une cellule défaillante vers les cellules voisines, en fonction de la conception complète du pack.

Où sont placés les coussinets d’aérogel dans une batterie ?

Ils peuvent être placés entre les cellules, entre les modules, à proximité des jeux de barres, sous les couvercles des packs, à côté des chemins de ventilation ou dans les zones de barrière au niveau du pack.

Les coussinets d'aérogel sont-ils électriquement isolants ?

De nombreux coussinets de batterie aérogel sont conçus avec des performances d'isolation électrique, mais la rigidité diélectrique exacte dépend de la structure du produit et de la méthode de test. Vérifiez toujours la fiche technique du fournisseur.

Les tampons d'aérogel sont-ils meilleurs que les feuilles de mica ?

Ils résolvent différents problèmes. L'aérogel est résistant pour une isolation thermique fine, tandis que le mica est résistant pour les performances diélectriques et pare-flammes. De nombreux packs EV peuvent utiliser les deux matériaux dans différentes couches.

Les coussinets d'aérogel peuvent-ils remplacer les coussinets de compression ?

Parfois, ils peuvent prendre en charge à la fois les fonctions thermiques et de compression, mais pas toujours. Le gonflement des cellules, la pression de l'empilement et le comportement en compression à long terme doivent être validés.

Note d'expert

Les coussinets isolants en aérogel pour batterie EV ne sont pas de simples feuilles souples placées entre les cellules. Il s'agit de barrières thermiques critiques pour la sécurité qui doivent fonctionner avec la chimie des cellules, la ventilation, la compression, le refroidissement, les barres omnibus, les capteurs, les connecteurs et le routage des faisceaux haute tension.

Après 15 ans de travail avec des faisceaux de câbles automobiles, des assemblages de câbles de batteries de véhicules électriques, des interconnexions haute tension et des systèmes d'alimentation de véhicules personnalisés, ma règle de terrain est simple : la sécurité des batteries n'est jamais créée par un seul matériau ; il est créé par la façon dont chaque matériau, fil, connecteur et chemin thermique fonctionne ensemble. Si votre projet de batterie EV nécessite des coussinets d'isolation en aérogel, une protection de faisceau HT, une isolation de jeu de barres ou un examen de barrière thermique par étape d'échantillonnage, envoyez la disposition des cellules, la classe de tension, le chemin de routage et la cible de validation avant la production. Un petit échantillon et un examen technique précoce peuvent éviter une défaillance beaucoup plus importante au niveau du pack ultérieurement.

Références

1. Aspen Aerogels, 'Barrière thermique PyroThin pour véhicules électriques.' Aspen Aérogels PyroThin

2. NASA, « Aérogels : plus fins, plus légers, plus résistants. » Recherche sur les aérogels de la NASA

3. Southwest Research Institute, 'Test de batterie standard UL 2580.' Test de batterie SwRI UL 2580

4. SAE International, 'SAE J2464 Tests de sécurité et d'abus du système de stockage d'énergie rechargeable pour véhicules électriques et hybrides.' SAEJ2464

5. Aspen Aerogels, « Atténuation de l'emballement thermique pour les véhicules électriques. » Barrières thermiques pour batteries Aspen Aerogels

6. Spinoff de la NASA, « Les aérogels isolent les missions et les produits de consommation. » Applications dérivées de l'aérogel de la NASA