エアロゲルのバリアが薄すぎると、故障したセルからの熱がすぐに隣接するセルに到達する可能性があります。不必要に厚い場合、パックは貴重なセルの体積を失い、コストが追加され、セルの圧縮が変化する可能性があります。
EV バッテリーには普遍的なエアロゲルの厚さはありません。セルの化学的性質、熱暴走エネルギー、利用可能なギャップ、圧縮、許容される保護側の温度、およびモジュールの検証結果から正しい値を選択する必要があります。 角柱型セルやパウチ型セルの場合、人工バリアの厚さはわずか数ミリメートルであることがよくありますが、最終的な値は実際のバッテリー構造で証明する必要があります。
「すべてのバッテリーには 2 mm のエアロゲルで十分」などの固定ルールを使用すると、高エネルギーセルの保護が不十分になったり、リスクの低いモジュールのスペースが無駄になったりする可能性があります。
正しい解決策は、実際の圧縮状態で必要な熱抵抗から厚さを定義することです。 セルの形式、化学的性質、蓄積エネルギー、間隔、通気方向、圧縮力、バリア構造、および隣接するセルの許容温度はすべて結果に影響します。
Aspen Aerogels は、自動車用セルバリアは 熱伝導率、厚さ、圧縮応答などの特定の目標に合わせて設計されていると述べており、バリアの厚さは普遍的な数値ではなく用途に依存する設計パラメータであることを裏付けています。[1]
セルのサイズ、圧縮、熱経路、通気を考慮せずに 2 ～ 3 mm のテストで成功した結果を引用すると、まったく異なるバッテリー パックに対する誤った信頼が生じる可能性があります。
一部の角柱またはパウチセル設計では数ミリメートルが技術的に実現可能ですが、これは完全なモジュールテストで必要な伝播遅延が確認された場合に限られます。 厚さは、材料の配合や圧縮状態から切り離すことはできません。
Aspen はを使用したミニモジュールの例を 1 つ公開しました。 約 50% のひずみまで圧縮された 2.35 mm PyroThin バリア 、2 つの 62 Ah 角柱セル間にその特定のテストでは、隣接するセルが熱暴走に陥ることはありませんでしたが、アスペン氏はまた、ミニモジュールが実際のパックに見られるいくつかの二次熱経路を隔離したことにも注目しました。[2]
したがって、この 2.35 mm の結果は有用なエンジニアリング例であり、普遍的な EV 仕様ではありません。
非圧縮時の厚さだけで選択されたバリアは、車両の寿命を通じてセルが膨張し、モジュールが材料を圧縮すると、その性能が大きく異なる可能性があります。
解決策は、寿命の初期と寿命の両方の圧縮厚さと熱性能を評価することです。 角柱セルとパウチセルはサイクル中に寸法が変化する可能性があるため、バリアは熱抵抗を維持しながら圧迫パッドとしても機能する可能性があります。
Aspen は、細胞間バリアの重要な設計要素として、機械的性能、圧縮疲労、圧縮下での熱伝導率を特に特定しています。[3]
熱伝導率のみから厚さを選択すると、実際の熱暴走伝播を支配する可能性がある他の熱経路や機械的制約が無視されます。
エンジニアは、バリアの厚さを固定する前に、完全なセル間インターフェースを評価する必要があります。 最も重要な入力を以下に示します。
設計要素 |
なぜそれが重要なのか |
考えられる厚さの影響 |
|---|---|---|
細胞化学 |
熱暴走挙動とエネルギー放出を変化させる |
異なる熱抵抗が必要な場合があります |
セル容量 |
貯蔵エネルギーが高くなると、熱問題が増大する可能性がある |
バリア要件を増やすことができる |
圧縮 |
最終的なバリアの厚さと仕組みを変更します |
圧縮状態を評価する必要がある |
利用可能なセルギャップ |
体積エネルギー密度に直接影響します |
使用可能な最大厚さを制限する |
通気方向 |
高温ガスは細胞表面のバリアを迂回できる |
他の場所で追加の保護が必要になる場合があります |
伝播ターゲット |
必要な遅延または非伝播パフォーマンスを定義します |
最終的に検証された構造を推進 |
すべてのセルバリアのサイズを大きくしすぎると、パックのエネルギー密度が低下し、モジュールの寸法とコストが増加し、目的のセル圧縮システムに干渉する可能性があります。
正しい解決策は、適切な設計マージンを備えた熱伝播および機械的要件を満たす、検証済みの最小限の構造を使用することです。 大量の EV パックでは、数十または数百のセル インターフェースにわたって繰り返される 1 ミリメートルのほんの一部でも、パックの寸法に重大な影響を与える可能性があります。
これが、エアロゲルが細胞間の障壁として魅力的な理由の 1 つです。メーカーは非常に高い熱抵抗を設計して、比較的薄く軽量な構造を作り出すことができます。[4]
LFP、NMC、その他のセルの化学的性質に同じバリア設計を使用すると、熱暴走挙動、セルのエネルギー、通気、およびパックの構造における大きな違いが見落とされる可能性があります。
バリアは、実際のセルの化学的性質とトリガーセルの動作に合わせて調整する必要があります。 アスペン社は、同社の細胞バリアは、LFP、NMC、新興固体システムなどの複数の化学薬品向けに設計されており、特定の用途に合わせて厚さと剛性プロファイルが最適化されていると述べています。[5]
化学は重要ですが、それだけがパラメータではありません。セルの容量、形状、充電状態、間隔、圧縮、冷却、および隣接する構造によって、伝播動作が大きく変化する可能性があります。
モジュールレベルのテストで、クーポンテストでは表されなかった伝導性、放射性、またはベントガスの熱経路が明らかになった場合、材料データシートのみから製造厚さを凍結すると、費用のかかる再設計につながる可能性があります。
材料計算とセルレベルのテストを使用して開始時の厚さを定義し、シリアルリリース前にモジュールまたはパックレベルで完全な構造を検証します。 実際のバッテリーには、タブ、バスバー、冷却プレート、圧縮構造、ギャップ、留め具、絶縁体、およびセル面の主要なバリアを迂回できる通気路が含まれています。
Aspen 氏も同様に、バッテリー モジュールとバッテリー パックは複雑なシステムであり、耐用年数が終了するまでのセルバリア性能についての万能のテストは存在しないと述べています。[3]
周囲の電気パッケージを確認せずにセルバリアの厚さを増やすと、モジュールスタックの寸法が変化し、バスバー、センシングワイヤ、コネクタ、または高電圧ハーネスの配線にさらなるストレスがかかる可能性があります。
正しい解決策は、電気相互接続システムとともにエアロゲルの厚さを見直すことです。 セル間隔を変更すると、バスバーの形状、BMS センシング ワイヤの長さ、コネクタの位置、絶縁クリアランス、およびモジュール周囲の高電圧ケーブルの配線が変化する可能性があります。
このため、熱障壁の変更を単独の材料の置換として扱うべきではありません。 ツールを固定する前に、セルの間隔、圧縮、マイカ絶縁、バスバー、シリコン パッド、BMS 配線、および HV ハーネス インターフェイスを一緒にチェックする必要があります。
エアロゲル細胞バリアを定義する必要がありますか?
エンジニアリングレビューでは、セルの化学的性質、容量、セルの寸法、利用可能なギャップ、圧縮要件、ターゲット厚さの範囲、通気方向、熱伝播要件、モジュール CAD、および周囲のバスバーまたは配線のレイアウトを準備します。
最終製品の厚さをリリースする前に、サンプル評価で熱性能と圧縮された機械的動作の両方を確認する必要があります。
普遍的な厚さはありません。人工細胞バリアの厚さはわずか数ミリメートルですが、最終的な値は材料、細胞設計、圧縮、および必要な熱伝播性能によって異なります。
一部の設計では十分である場合もあれば、他の設計では不十分な場合もあります。厚さは、実際のセルの化学的性質、エネルギー、圧縮、熱経路、およびモジュールのアーキテクチャを使用して検証する必要があります。
それはエアロゲルの構造によって異なります。機械的歪みによって厚さが変化し、熱挙動に影響を与える可能性があるため、自動車用セルバリアは実際の圧縮状態で特性評価する必要があります。
いいえ。厚みを増やすと熱抵抗が向上する可能性がありますが、パックのエネルギー密度が低下し、セルの圧縮が変化し、コストが増加し、バスバーや配線の形状に影響を与える可能性があります。
どちらも役に立ちます。セルレベルのテストはバリア性能のスクリーニングに役立ちますが、完全なバッテリーシステムには追加の熱伝達経路とガス排出経路が存在するため、モジュールレベルとパックレベルの検証が重要です。
15 年間の自動車バッテリーとワイヤーハーネスの展望
15 年間の自動車部品およびワイヤー ハーネスの経験に基づくと、バッテリー スタックを理解する前に、私はエアロゲル バリアを単純に「2 mm」または「3 mm」と指定することはありません。
正しい厚さは、圧縮、パッケージング、バスバー、センシングワイヤ、および高電圧配線の要件を満たしながら、セル間の熱伝達を制御する検証済みの最小構造です。 EV バッテリー パックでは、熱材料と電気相互接続を一緒に設計する必要があります。
[1] アスペン エアロゲル — PyroThin エアロゲルの細胞間断熱層
