Jak gruba powinna być izolacja aerożelowa pomiędzy ogniwami akumulatora EV?

Jeśli bariera aerożelu jest zbyt cienka, ciepło z uszkodzonego ogniwa może zbyt szybko dotrzeć do sąsiada; jeśli jest niepotrzebnie gruby, pakiet traci cenną objętość komórek, zwiększa koszty i może zmienić kompresję komórek.

Nie ma uniwersalnej grubości aerożelu dla akumulatorów EV — należy wybrać właściwą wartość na podstawie składu ogniwa, energii cieplnej, dostępnej szczeliny, kompresji, dopuszczalnej temperatury strony chronionej i wyników walidacji modułu. W przypadku ogniw pryzmatycznych i kieszeniowych zaprojektowane bariery mają często grubość zaledwie kilku milimetrów, ale ostateczną wartość należy sprawdzić w rzeczywistej architekturze akumulatora.

Czy istnieje standardowa grubość aerożelu dla ogniw akumulatorów EV?

Stosowanie ustalonej zasady, takiej jak „2 mm aerożelu wystarczy na każdą baterię”, może niedostatecznie chronić ogniwa o dużej energii lub marnować miejsce w module o niższym ryzyku.

Prawidłowym rozwiązaniem jest zdefiniowanie grubości na podstawie wymaganego oporu cieplnego w rzeczywistym stanie sprężonym. Na wynik wpływają format ogniwa, skład chemiczny, zmagazynowana energia, odstępy, kierunek wentylacji, siła ściskająca, konstrukcja bariery i dopuszczalna temperatura w sąsiedniej komórce.

Aspen Aerogels twierdzi, że bariery ogniw samochodowych są projektowane pod kątem określonych celów, w tym przewodności cieplnej, grubości i reakcji na ściskanie , co potwierdza, że ​​grubość bariery jest parametrem projektowym zależnym od zastosowania, a nie uniwersalną liczbą.^[1]

Czy bariera aerożelowa o grubości 2–3 mm wystarczy?

Cytowanie pomyślnego wyniku testu 2–3 mm bez uwzględnienia rozmiaru ogniwa, kompresji, ścieżek cieplnych i wentylacji może dawać fałszywe zaufanie co do zupełnie innego zestawu akumulatorów.

Kilka milimetrów może być technicznie wykonalne w niektórych konstrukcjach pryzmatycznych lub ogniw kieszeniowych, ale tylko wtedy, gdy pełny test modułu potwierdzi wymagane opóźnienie propagacji. Grubości nie można oddzielić od składu materiału i stanu sprasowania.

Aspen opublikował jeden przykład minimodułu wykorzystujący barierę PyroThin o grubości 2,35 mm skompresowaną do około 50% odkształcenia pomiędzy dwoma ogniwami pryzmatycznymi 62 Ah. W tym konkretnym teście sąsiednie ogniwo nie uległo niekontrolowanemu wzrostowi temperatury, ale Aspen zauważa również, że minimoduł izolował niektóre wtórne ścieżki ciepła występujące w prawdziwym pakiecie.^[2]

Wynik 2,35 mm jest zatem użytecznym przykładem inżynieryjnym, a nie uniwersalną specyfikacją pojazdów elektrycznych.

W jaki sposób kompresja zmienia wymaganą grubość?

Bariera wybrana jedynie na podstawie jej nieskompresowanej grubości może działać zupełnie inaczej, gdy komórki pęcznieją, a moduł ściska materiał przez cały okres użytkowania pojazdu.

Rozwiązaniem jest ocena grubości skompresowanego materiału na początku i na końcu okresu użytkowania oraz parametrów cieplnych. Ogniwa pryzmatyczne i woreczkowe mogą zmieniać wymiary podczas jazdy na rowerze, dlatego bariera może również pełnić funkcję podkładki kompresyjnej, zachowując jednocześnie opór termiczny.

Aspen w szczególności identyfikuje parametry mechaniczne, zmęczenie ściskające i przewodność cieplną pod wpływem ściskania jako krytyczne czynniki projektowe barier międzykomórkowych.^[3]

Jakie czynniki decydują o grubości aerożelu?

Wybór grubości na podstawie samego przewodnictwa cieplnego ignoruje inne ścieżki ciepła i ograniczenia mechaniczne, które mogą zdominować rzeczywistą niekontrolowaną propagację ciepła.

Inżynierowie powinni ocenić całą powierzchnię styku komórka-komórka przed zamrożeniem grubości bariery. Poniżej przedstawiono najważniejsze dane wejściowe.

Dlaczego nie po prostu użyć grubszej bariery aerożelowej?

Nadmierne wymiary każdej bariery komórkowej mogą zmniejszyć gęstość energii pakietu, zwiększyć wymiary modułu i koszt oraz zakłócać zamierzony system kompresji komórek.

Prawidłowym rozwiązaniem jest zastosowanie minimalnej zatwierdzonej konstrukcji, która spełnia wymagania dotyczące propagacji ciepła i mechaniczne, z odpowiednim marginesem projektowym. W przypadku opakowań EV o dużej objętości nawet dodatkowy ułamek milimetra powtórzony na dziesiątkach lub setkach styków ogniw może znacząco wpłynąć na wymiary opakowania.

Jest to jeden z powodów, dla których aerożel jest atrakcyjny w przypadku barier międzykomórkowych: producenci mogą zaprojektować bardzo wysoką odporność termiczną w stosunkowo cienkich, lekkich konstrukcjach.^[4]

Czy chemia komórkowa zmienia wymaganą grubość aerożelu?

Stosowanie tej samej konstrukcji bariery dla LFP, NMC i innych chemii komórek może przeoczyć główne różnice w zachowaniu niekontrolowanym termicznie, energii ogniwa, wentylacji i architekturze opakowania.

Bariera powinna być dostosowana do rzeczywistej chemii komórki i zachowania komórek wyzwalających. Aspen zauważa, że ​​jej bariery komórkowe są zaprojektowane dla wielu substancji chemicznych, w tym LFP, NMC i nowych układów półprzewodnikowych, a profile grubości i sztywności są zoptymalizowane pod kątem konkretnych zastosowań.^[5]

Chemia jest ważna, ale nie jest jedynym parametrem. Pojemność komórki, geometria, stan naładowania, odstępy, kompresja, chłodzenie i sąsiednie struktury mogą znacząco zmienić zachowanie propagacji.

Czy przed testowaniem modułu należy wybrać grubość aerożelu?

Zamrożenie grubości produkcji na podstawie samego arkusza danych materiału może prowadzić do kosztownych przeprojektowań, jeśli testy na poziomie modułu wykażą ścieżki ciepła przewodzące, radiacyjne lub gazowe, które nie zostały odzwierciedlone w teście kuponowym.

Skorzystaj z obliczeń materiałowych i testów na poziomie ogniw, aby określić grubość początkową, a następnie zweryfikuj całą konstrukcję na poziomie modułu lub pakietu przed wypuszczeniem na rynek seryjny. Prawdziwy akumulator zawiera wypustki, szyny zbiorcze, płyty chłodzące, struktury ściskające, szczeliny, elementy złączne, izolację i ścieżki wentylacyjne, które mogą ominąć pierwotną barierę na powierzchni ogniwa.

Aspen podobnie stwierdza, że ​​moduły i zestawy akumulatorów to złożone systemy i że nie ma jednego uniwersalnego testu sprawdzającego skuteczność bariery komórkowej do końca okresu eksploatacji.^[3]

Jak grubość aerożelu wpływa na szyny zbiorcze i okablowanie akumulatora?

Zwiększanie grubości bariery komórkowej bez sprawdzania otaczającej opakowania elektrycznego może zmienić wymiary stosu modułów i spowodować dodatkowe obciążenie szyn zbiorczych, przewodów czujnikowych, złączy lub prowadzenia wiązek wysokiego napięcia.

Prawidłowym rozwiązaniem jest sprawdzenie grubości aerożelu wraz z układem połączeń elektrycznych. Zmiany w odstępach między ogniwami mogą zmienić geometrię szyn zbiorczych, długość przewodu czujnikowego BMS, położenie złącza, prześwit izolacji i przebieg kabli wysokiego napięcia wokół modułu.

Z tego powodu zmiany bariery termicznej nie należy traktować jako izolowanego zastąpienia materiału. Odstępy między ogniwami, kompresja, izolacja mikowa, szyny zbiorcze, podkładki silikonowe, okablowanie BMS i interfejsy wiązek wysokiego napięcia należy sprawdzić razem przed zamrożeniem oprzyrządowania.

Chcesz zdefiniować barierę komórkową w aerożelu?

Do przeglądu technicznego należy przygotować skład chemiczny ogniwa, pojemność, wymiary ogniwa, dostępną szczelinę, wymagania dotyczące kompresji, zakres docelowej grubości, kierunek otworu wentylacyjnego, wymagania dotyczące propagacji ciepła, CAD modułu oraz otaczający układ szyn zbiorczych lub okablowania.

Ocena próbki powinna potwierdzić zarówno wydajność termiczną, jak i zachowanie mechaniczne po ściśnięciu, zanim zostanie ujawniona ostateczna grubość produkcyjna.

Często zadawane pytania

Jaka jest typowa grubość aerożelu pomiędzy ogniwami akumulatora EV?

Nie ma uniwersalnej grubości. Zaprojektowane bariery komórkowe mogą mieć grubość zaledwie kilku milimetrów, ale ostateczna wartość zależy od materiału, konstrukcji ogniwa, kompresji i wymaganej wydajności propagacji ciepła.

Czy 2 mm aerożel wystarczy pomiędzy ogniwami akumulatora?

W niektórych projektach może to być wystarczające, a w innych niewystarczające. Grubość należy sprawdzić na podstawie rzeczywistej chemii ogniwa, energii, kompresji, ścieżek cieplnych i architektury modułu.

Czy kompresja aerożelu zmniejsza jego ochronę termiczną?

Zależy to od budowy aerożelu. Bariery ogniw samochodowych należy scharakteryzować pod kątem ich rzeczywistego stanu ściskania, ponieważ naprężenia mechaniczne zmieniają grubość i mogą wpływać na zachowanie termiczne.

Czy grubszy aerożel jest zawsze bezpieczniejszy?

Nie. Większa grubość może poprawić opór cieplny, ale może zmniejszyć gęstość energii pakietu, zmienić kompresję ogniw, zwiększyć koszty i wpłynąć na geometrię szyny zbiorczej lub okablowania.

Czy aerożel należy testować na poziomie komórki czy modułu?

Obydwa mogą się przydać. Testy na poziomie ogniw pomagają sprawdzić skuteczność bariery ekranowej, ale weryfikacja na poziomie modułu i pakietu jest ważna, ponieważ w całym systemie akumulatorów istnieją dodatkowe ścieżki wymiany ciepła i gazów odlotowych.

Perspektywa 15-letniego okresu akumulatorów samochodowych i wiązek przewodów

Bazując na 15-letnim doświadczeniu w zakresie podzespołów samochodowych i wiązek przewodów, nigdy nie określiłbym bariery aerożelowej po prostu jako „2 mm” lub „3 mm” przed zapoznaniem się ze stosem akumulatorów.

Prawidłowa grubość to minimalna zwalidowana konstrukcja, która kontroluje przenoszenie ciepła między ogniwami, a jednocześnie spełnia wymagania dotyczące ściskania, pakowania, szyn zbiorczych, przewodów czujnikowych i prowadzenia wysokiego napięcia. W zestawie akumulatorów EV materiały termiczne i połączenia elektryczne muszą być zaprojektowane razem.

Autorytatywne referencje

[1] Aspen Aerogels — bariery termiczne między komórkami PyroThin Aerogel

[2] Aspen Aerogels — testowanie minimodułów propagacji ciepła między komórkami

[3] Aspen Aerogels — projektowanie barier termicznych, kompresja i weryfikacja

[4] Aerożele Aspen — niekontrolowana propagacja termiczna i bariery międzykomórkowe

[5] Aspen Aerogels — zastosowania barier termicznych do akumulatorów pojazdów elektrycznych