Quanto dovrebbe essere spesso l'isolamento in aerogel tra le celle della batteria dei veicoli elettrici?

Se la barriera di aerogel è troppo sottile, il calore proveniente da una cella guasta può raggiungere quella vicina troppo rapidamente; se è inutilmente spesso, il pacco perde prezioso volume cellulare, aumenta i costi e può alterare la compressione cellulare.

Non esiste uno spessore universale dell'aerogel per le batterie dei veicoli elettrici: il valore corretto deve essere selezionato in base alla chimica delle celle, all'energia in fuga termica, allo spazio disponibile, alla compressione, alla temperatura consentita sul lato protetto e ai risultati di convalida del modulo. Per le celle prismatiche e a sacchetto, le barriere progettate sono spesso spesse solo pochi millimetri, ma il valore finale deve essere dimostrato nell’effettiva architettura della batteria.

Esiste uno spessore standard dell'aerogel per le celle delle batterie dei veicoli elettrici?

L'uso di una regola fissa come '2 mm di aerogel sono sufficienti per ogni batteria' può sottoproteggere le celle ad alta energia o sprecare spazio in un modulo a basso rischio.

La soluzione corretta è definire lo spessore dalla resistenza termica richiesta nelle effettive condizioni di compressione. Il formato della cella, la chimica, l'energia immagazzinata, la spaziatura, la direzione dello sfiato, la forza di compressione, la costruzione della barriera e la temperatura consentita sulla cella vicina influenzano tutti il ​​risultato.

Aspen Aerogels afferma che le sue barriere cellulari automobilistiche sono progettate per obiettivi specifici tra cui conduttività termica, spessore e risposta alla compressione , rafforzando il fatto che lo spessore della barriera è un parametro di progettazione dipendente dall'applicazione piuttosto che un numero universale.^[1]

Può essere sufficiente una barriera in aerogel da 2–3 mm?

Citare un risultato positivo del test di 2–3 mm senza considerare le dimensioni delle celle, la compressione, i percorsi del calore e lo sfiato può creare falsa fiducia in un pacco batteria completamente diverso.

Pochi millimetri possono essere tecnicamente fattibili in alcuni progetti prismatici o di celle a sacca, ma solo quando il test completo del modulo conferma il ritardo di propagazione richiesto. Lo spessore non può essere separato dalla formulazione del materiale e dallo stato di compressione.

Aspen ha pubblicato un esempio di mini-modulo utilizzando una barriera PyroThin da 2,35 mm compressa a una deformazione di circa il 50% tra due celle prismatiche da 62 Ah. In quel test specifico, la cella vicina non è entrata in fuga termica, ma Aspen nota anche che il mini-modulo ha isolato alcuni percorsi termici secondari presenti in un pacco reale.^[2]

Il risultato di 2,35 mm è quindi un utile esempio ingegneristico, non una specifica universale per i veicoli elettrici.

In che modo la compressione modifica lo spessore richiesto?

Una barriera selezionata solo in base al suo spessore non compresso può funzionare in modo molto diverso una volta che le cellule si gonfiano e il modulo comprime il materiale per tutta la vita del veicolo.

La soluzione è valutare lo spessore compresso e le prestazioni termiche sia all'inizio che alla fine del ciclo di vita. Le celle prismatiche e a sacca possono cambiare dimensione durante il ciclo, quindi la barriera può anche agire come un cuscinetto di compressione mantenendo la resistenza termica.

Aspen identifica specificamente le prestazioni meccaniche, la fatica da compressione e la conduttività termica sotto compressione come fattori di progettazione critici per le barriere cellula-cellula.^[3]

Quali fattori determinano lo spessore dell'aerogel?

La selezione dello spessore in base alla sola conduttività termica ignora altri percorsi termici e vincoli meccanici che possono dominare la reale propagazione della fuga termica.

Gli ingegneri dovrebbero valutare l'intera interfaccia cellula-cellula prima di congelare lo spessore della barriera. Gli input più importanti sono mostrati di seguito.

Perché non utilizzare semplicemente una barriera in aerogel più spessa?

Il sovradimensionamento di ogni barriera cellulare può ridurre la densità energetica del pacco, aumentare le dimensioni e i costi dei moduli e interferire con il sistema di compressione cellulare previsto.

La soluzione corretta è utilizzare la costruzione minima convalidata che soddisfi i requisiti meccanici e di propagazione termica con un margine di progettazione adeguato. Nei pacchi per veicoli elettrici ad alto volume, anche una frazione aggiuntiva di millimetro ripetuta su dozzine o centinaia di interfacce di celle può influenzare materialmente le dimensioni del pacco.

Questo è uno dei motivi per cui l’aerogel è interessante per le barriere cellula-cellula: i produttori possono progettare una resistenza termica molto elevata in strutture relativamente sottili e leggere.^[4]

La chimica cellulare modifica lo spessore richiesto dell'aerogel?

Utilizzando lo stesso design della barriera per LFP, NMC e altri prodotti chimici cellulari è possibile trascurare importanti differenze nel comportamento di fuga termica, nell'energia della cella, nella ventilazione e nell'architettura del pacco.

La barriera dovrebbe essere adattata all'effettiva chimica cellulare e al comportamento delle cellule trigger. Aspen sottolinea che le sue barriere cellulari sono progettate per molteplici prodotti chimici, tra cui LFP, NMC e sistemi emergenti a stato solido, con profili di spessore e rigidità ottimizzati per applicazioni specifiche.^[5]

La chimica è importante, ma non è l’unico parametro. La capacità delle celle, la geometria, lo stato di carica, la spaziatura, la compressione, il raffreddamento e le strutture vicine possono modificare materialmente il comportamento di propagazione.

È opportuno selezionare lo spessore dell'aerogel prima del test del modulo?

Il congelamento dello spessore di produzione da una sola scheda tecnica del materiale può portare a costose riprogettazioni se i test a livello di modulo rivelano percorsi termici conduttivi, radiativi o di gas di scarico che non erano rappresentati dal test del coupon.

Utilizza i calcoli dei materiali e i test a livello di cella per definire uno spessore iniziale, quindi convalida la costruzione completa a livello di modulo o pacchetto prima del rilascio in serie. Una vera batteria contiene linguette, sbarre collettrici, piastre di raffreddamento, strutture di compressione, spazi vuoti, dispositivi di fissaggio, isolamento e percorsi di ventilazione che possono bypassare la barriera primaria tra la cella e la faccia.

Allo stesso modo Aspen afferma che i moduli e i pacchi batteria sono sistemi complessi e che non esiste un test unico per le prestazioni della barriera cellulare fino alla fine del ciclo di vita.^[3]

In che modo lo spessore dell'aerogel influisce sulle sbarre collettrici e sul cablaggio della batteria?

L'aumento dello spessore della barriera cellulare senza controllare l'imballaggio elettrico circostante può modificare le dimensioni della pila di moduli e sottoporre a ulteriore stress le sbarre collettrici, i cavi di rilevamento, i connettori o il percorso del cablaggio ad alta tensione.

La soluzione corretta è rivedere lo spessore dell'aerogel insieme al sistema di interconnessione elettrica. Le modifiche alla spaziatura delle celle possono alterare la geometria delle sbarre collettrici, la lunghezza del filo di rilevamento del BMS, la posizione del connettore, la distanza dell'isolamento e il percorso dei cavi ad alta tensione attorno al modulo.

Per questo motivo, un cambiamento della barriera termica non dovrebbe essere trattato come una sostituzione materiale isolata. La spaziatura delle celle, la compressione, l'isolamento in mica, le sbarre collettrici, i cuscinetti in silicone, il cablaggio BMS e le interfacce del cablaggio HV devono essere controllati insieme prima che gli strumenti vengano congelati.

Hai bisogno di definire una barriera cellulare in aerogel?

Per una revisione tecnica, preparare la chimica della cella, la capacità, le dimensioni della cella, lo spazio disponibile, i requisiti di compressione, l'intervallo di spessore target, la direzione dello sfiato, i requisiti di propagazione termica, il CAD del modulo e la disposizione delle sbarre collettrici o dei cavi circostanti.

Una valutazione del campione dovrebbe confermare sia le prestazioni termiche che il comportamento meccanico compresso prima che venga rilasciato lo spessore di produzione finale.

Domande frequenti

Qual è lo spessore tipico dell'aerogel tra le celle della batteria dei veicoli elettrici?

Non esiste uno spessore universale. Le barriere cellulari ingegnerizzate possono avere uno spessore di pochi millimetri, ma il valore finale dipende dal materiale, dal design della cella, dalla compressione e dalle prestazioni di propagazione termica richieste.

Sono sufficienti 2 mm di aerogel tra le celle della batteria?

Potrebbe essere sufficiente in alcuni progetti e inadeguato in altri. Lo spessore deve essere convalidato utilizzando la chimica reale della cella, l'energia, la compressione, i percorsi termici e l'architettura del modulo.

La compressione dell'aerogel riduce la sua protezione termica?

Dipende dalla costruzione dell'aerogel. Le barriere cellulari automobilistiche dovrebbero essere caratterizzate nel loro reale stato di compressione perché la deformazione meccanica cambia lo spessore e può influenzare il comportamento termico.

L'aerogel più spesso è sempre più sicuro?

No. Uno spessore maggiore può migliorare la resistenza termica ma può ridurre la densità energetica del pacco, alterare la compressione delle celle, aumentare i costi e influenzare la geometria delle sbarre o del cablaggio.

L'aerogel dovrebbe essere testato a livello di cella o di modulo?

Entrambi possono essere utili. I test a livello di cella aiutano a valutare le prestazioni della barriera, ma la convalida a livello di modulo e pacco è importante perché nel sistema completo della batteria esistono ulteriori percorsi di trasferimento del calore e di sfiato del gas.

Prospettiva di 15 anni sulla batteria automobilistica e sul cablaggio

Sulla base di 15 anni di esperienza nel settore dei componenti automobilistici e dei cablaggi, non specificherei mai una barriera in aerogel semplicemente come '2 mm' o '3 mm' prima di comprendere lo stack della batteria.

Lo spessore corretto è la costruzione minima convalidata che controlla il trasferimento di calore da cella a cella pur rispettando i requisiti di compressione, imballaggio, sbarre collettrici, cavi di rilevamento e instradamento ad alta tensione. In un pacco batterie per veicoli elettrici, i materiali termici e le interconnessioni elettriche devono essere progettati insieme.

Riferimenti autorevoli

[1] Aspen Aerogel: barriere termiche cellula-cellula in aerogel PyroThin

[2] Aspen Aerogels: test su minimoduli di propagazione termica da cellula a cellula

[3] Aspen Aerogel: progettazione, compressione e convalida della barriera termica

[4] Aerogel Aspen: propagazione della fuga termica e barriere cellula-cellula

[5] Aspen Aerogel: applicazioni di barriera termica per batterie per veicoli elettrici