Czym są podkładki izolacyjne z aerożelu do akumulatorów EV? Przewodnik po barierach termicznych

Jeśli ogniwa akumulatorów pojazdów elektrycznych są ciasno upakowane bez odpowiedniej bariery termicznej, jedno przegrzewające się ogniwo może przenosić ciepło do sąsiednich ogniw, powodować propagację ciepła, uszkodzić akumulator i stworzyć poważne zagrożenie pożarowe.

Najskuteczniejszym rozwiązaniem jest umieszczenie aerożelowych podkładek izolacyjnych do akumulatorów pojazdów elektrycznych pomiędzy ogniwami, modułami, strefami szyn zbiorczych lub gorącymi punktami na poziomie pakietu, aby spowolnić przenoszenie ciepła, pochłonąć naprężenia ściskające i pomóc kontrolować niekontrolowaną propagację ciepła.

Podkładki izolacyjne z aerożelu do akumulatorów EV to ultralekkie materiały stanowiące barierę termiczną stosowane wewnątrz akumulatorów litowo-jonowych. Są szczególnie cenne w pakietach pojazdów elektrycznych o dużej gęstości, gdzie każdy milimetr wpływa na gęstość energii, bezpieczeństwo i niezawodność montażu.

Źródło obrazu: Zasoby inżynierii bariery termicznej Aspen Aerogels PyroThin.^[1]

Co to jest podkładka izolacyjna z aerożelu do akumulatora EV?

Jeśli termin „podkładka aerożelowa” będzie traktowany jako zwykła izolacja piankowa lub gąbkowa, akumulator może utracić krytyczną ochronę przed przenoszeniem ciepła, zmianami kompresji i niekontrolowaną propagacją ciepła.

Prawidłowa odpowiedź jest taka, że ​​podkładka izolacyjna z aerożelu do akumulatorów pojazdów elektrycznych to cienka, lekka bariera termiczna wykonana z materiału na bazie aerożelu i zaprojektowana z myślą o ochronie ogniw, modułów lub pakietów litowo-jonowych.

Aspen Aerogels opisuje PyroThin jako ultracienką, lekką izolację i barierę ogniową zaprojektowaną w celu ograniczenia ucieczki ciepła na poziomie ogniwa do ogniwa, modułu i bariery opakowania.^[1] W praktycznej konstrukcji akumulatorów podkładki te znajdują się w miejscach, w których ciepło musi zostać opóźnione, zablokowane lub przekierowane.

Dlaczego podkładki aerożelowe są stosowane w akumulatorach EV?

Jeśli wysokoenergetyczny zestaw akumulatorów opiera się wyłącznie na chłodzeniu cieczą i monitorowaniu BMS, może wykryć usterkę, ale nadal nie będzie w stanie fizycznie spowolnić wymiany ciepła, gdy ogniwo wejdzie w stan niestabilności termicznej.

Lepszym rozwiązaniem jest połączenie aktywnego zarządzania temperaturą z pasywnymi podkładkami izolacyjnymi z aerożelu, dzięki czemu pakiet ma zarówno kontrolę monitorowania, jak i odporność na propagację fizyczną.

Ucieczka termiczna to nie tylko problem temperatury; jest to problem reakcji łańcuchowej. Dobra podkładka aerożelowa zapewnia akumulatorowi więcej czasu, zmniejszając przewodzenie ciepła z ogniwa inicjującego do pobliskich ogniw.

Źle: zakładając, że sama płyta chłodząca może zatrzymać każde zdarzenie termiczne. Poprawnie: jednoczesne użycie chłodzenia, wentylacji, czujników, logiki BMS i barier aerożelowych.

W jaki sposób podkładki izolacyjne z aerożelu zatrzymują przenoszenie ciepła?

Jeśli ciepło przepływa zbyt szybko przez stos akumulatorów, sąsiednie ogniwa mogą osiągnąć niebezpieczną temperaturę, zanim BMS, płyta chłodząca lub ścieżka wentylacyjna będą w stanie kontrolować to zdarzenie.

Bezpośrednim rozwiązaniem jest wykorzystanie nanoporowatej struktury aerożelu w celu ograniczenia ruchu gazów i ograniczenia przewodzenia ciepła przez warstwę izolacyjną.

NASA wyjaśnia, że ​​aerożele są niezwykle porowate, mają bardzo niską gęstość i bardzo skutecznie zapobiegają przenoszeniu ciepła, ponieważ ich pory mają wielkość nanometrów.^[2] Dzięki temu aerożel jest cenny tam, gdzie cienka izolacja musi działać lepiej niż zwykła pianka polimerowa.

Źródło obrazu: badania NASA nad materiałami izolacyjnymi w postaci aerożelu.^[2]

Co oznacza „seria” w aerożelowych podkładkach izolacyjnych do akumulatorów EV?

Jeśli „seria” zostanie błędnie zinterpretowana jako specjalny element elektryczny, może zostać wybrana niewłaściwa podkładka w niewłaściwym miejscu wewnątrz akumulatora.

Prawidłowa interpretacja jest taka, że ​​„podkładki izolacyjne z aerożelu do akumulatorów EV” zwykle odnoszą się do podkładek aerożelowych stosowanych w szeregowo połączonych ogniwach lub modułach akumulatorów, a nie do podkładki przewodzącej prąd szeregowy.

Pakiety EV zawierają ogniwa połączone szeregowo i równolegle, aby osiągnąć docelowe napięcie i pojemność. Podkładki aerożelowe to zwykle nieprzewodzące prądu części termiczne i mechaniczne umieszczone w pobliżu ścieżki szeregu ogniw, stosu modułów lub struktury bariery opakowania.

Czym różnią się podkładki aerożelowe od miki, pianki lub włókna ceramicznego?

Jeśli podkładka do akumulatora EV zostanie wybrana wyłącznie ze względu na cenę lub grubość, pakiet może utracić równowagę pomiędzy blokowaniem ciepła, odzyskiem ciepła po kompresji, wytrzymałością dielektryczną, wagą i tolerancją montażu.

Najlepszym rozwiązaniem jest porównanie aerożelu, miki, pianki i włókna ceramicznego pod kątem rzeczywistego trybu awarii: niestabilności termicznej, pęcznienia komórek, wibracji, izolacji elektrycznej, narażenia na płomień lub docelowego kosztu.

Aerożel jest zwykle wybierany, gdy opakowanie wymaga mocnej izolacji w cienkiej i lekkiej formie. Mika jest wytrzymała, jeśli chodzi o właściwości dielektryczne i stanowi barierę ogniową, pianka jest przydatna do pochłaniania ściskania i tolerancji, a włókno ceramiczne stosuje się tam, gdzie liczy się ekstremalna odporność na ciepło.

Gdzie w module akumulatora EV instaluje się podkładki aerożelowe?

Jeśli podkładki aerożelowe zostaną rozmieszczone losowo, bez uwzględnienia przepływu ciepła, kierunku wentylacji, obciążenia ściskającego i poprowadzenia uprzęży, opakowanie może nadal podlegać rozprzestrzenianiu się ciepła lub zakłóceniom mechanicznym.

Prawidłowym rozwiązaniem jest umieszczenie podkładek aerożelowych zgodnie ze ścieżką propagacji ciepła, składem chemicznym ogniw, ciśnieniem stosu modułów, położeniem płyty chłodzącej i prześwitem wiązki przewodów wysokiego napięcia.

W przypadku ogniw woreczkowych i pryzmatycznych podkładki są zwykle umieszczane pomiędzy dużymi powierzchniami ogniw. W przypadku ogniw cylindrycznych aerożel może być stosowany jako arkusze, rękawy, bariery modułowe lub warstwy izolacyjne na poziomie opakowania, w zależności od architektury.

W przypadku projektów OEM lub zestawów akumulatorów prześlij format ogniwa, skład chemiczny, ciśnienie stosu, rysunek modułu, ścieżkę wentylacji i wymagania dotyczące testu termicznego przed ostatecznym wyborem podkładki. Małe wycięcie próbki może ujawnić ryzyko dopasowania, ściskania i montażu przed obróbką.

Jak podkładki aerożelowe współpracują z samochodowymi systemami wiązek przewodów?

Jeśli wiązka przewodów wysokiego napięcia, wiązka czujników lub izolacja szyn zbiorczych zostaną poprowadzone zbyt blisko ścieżki propagacji ciepła, izolacja może ulec degradacji, zaciski mogą się poluzować, a sygnały diagnostyczne mogą nie działać w przypadku awarii.

Lepszym rozwiązaniem jest zaprojektowanie podkładek izolacyjnych z aerożelu wraz z okablowaniem WN, liniami wykrywania napięcia, czujnikami temperatury, osłonami szyn zbiorczych i strategią uszczelniania opakowań.

Bezpieczeństwo baterii to nie tylko chemia ogniwa. Jest to projekt pełnego systemu obejmujący bariery ogniw, prowadzenie wiązek przewodów wysokiego napięcia, kanały wentylacyjne, rozmieszczenie czujników, uziemienie, ekranowanie i ochronę złączy.

Jakie dane dotyczące wydajności powinni sprawdzić kupujący?

Jeśli dostawca podaje jedynie grubość i cenę, kupujący nie może ocenić, czy podkładka wytrzyma ściskanie, wystawienie na działanie ciepła, płomień, wilgoć, wibracje lub naprężenia podczas montażu opakowania.

Prawidłowym rozwiązaniem jest zażądanie arkusza danych technicznych, danych dotyczących przewodności cieplnej, krzywej ściskania, wyniku testu dielektrycznego, informacji o odporności ogniowej, zakresie temperatur roboczych i danych dotyczących starzenia.

Aspen Aerogels zauważa, że ​​platformę aerożelu można zoptymalizować pod kątem przewodności cieplnej, grubości i reakcji na ściskanie.^[1] To są dokładnie parametry, które inżynierowie zajmujący się akumulatorami powinni sprawdzić przed wyborem podkładki.

Jakie normy dotyczą wkładek aerożelowych do akumulatorów pojazdów elektrycznych?

Jeśli wybrane zostaną podkładki aerożelowe bez powiązania ich z weryfikacją bezpieczeństwa baterii, materiał może wyglądać doskonale w izolacji, ale nie będzie spełniał wymogów certyfikacji na poziomie opakowania ani testów nadużyć.

Prawidłowym rozwiązaniem jest połączenie wyboru klocków z testami bezpieczeństwa akumulatorów EV, takimi jak wymagania termiczne, mechaniczne, elektryczne, środowiskowe i testowanie nadużyć.

SwRI wyjaśnia, że ​​testy UL 2580 oceniają bezpieczeństwo akumulatorów EV na podstawie testów elektrycznych, mechanicznych, termicznych, środowiskowych i związanych z bezpieczeństwem.^[3] SAE J2464 opisuje testy nadużyć, które można stosować w przypadku systemów magazynowania energii w pojazdach elektrycznych i hybrydowych.^[4]

Źle: pytanie, czy sama podkładka aerożelowa „spełnia normę UL 2580”. Poprawnie: testowanie całego zespołu baterii, ponieważ geometria pakietu, skład chemiczny ogniw, wentylacja, okablowanie i rozmieszczenie bariery wpływają na wynik końcowy.

Jak wybrać podkładkę aerożelową do projektu baterii EV?

Jeśli wkładka zostanie wybrana po tym, jak układ opakowania jest już zamrożony, inżynier może być zmuszony do stosowania złej grubości, złej kompresji, zablokowanego odpowietrzania lub niebezpiecznego prześwitu uprzęży.

Najlepszym rozwiązaniem jest zaangażowanie dostawcy podkładek aerożelowych i dostawcy wiązek przewodów na wczesnym etapie projektowania modułu, prowadzenia przewodów wysokiego napięcia i symulacji propagacji ciepła.

Dobry proces selekcji rozpoczyna się od formatu ogniwa, składu chemicznego, gęstości energii, docelowej grubości opakowania, siły ściskającej, położenia płyty chłodzącej, kierunku wentylacji i celu testu bezpieczeństwa. Podkładkę należy sprawdzić w rzeczywistym stosie modułów, a nie tylko na płaskiej próbce laboratoryjnej.

Aby uzyskać szybką ocenę, prześlij rozmiar ogniwa, rysunek modułu, docelową grubość, zakres kompresji, maksymalną temperaturę i roczną objętość. Mała wycięta próbka aerożelu może pomóc w potwierdzeniu dopasowania przed użyciem narzędzi do masowej produkcji.

Często zadawane pytania

Czym są podkładki izolacyjne z aerożelu do akumulatorów EV?

Są to cienkie podkładki stanowiące barierę termiczną na bazie aerożelu stosowane wewnątrz akumulatorów pojazdów elektrycznych w celu ograniczenia przenoszenia ciepła, spowolnienia rozprzestrzeniania się ciepła i wspierania konstrukcji zapewniającej bezpieczeństwo akumulatora.

Dlaczego w akumulatorach EV stosuje się aerożel?

Aerożel stosuje się, ponieważ zapewnia silną izolację termiczną w lekkiej i cienkiej formie. Pomaga to inżynierom zajmującym się akumulatorami chronić ogniwa bez marnowania zbyt dużej ilości miejsca w opakowaniu.

Czy podkładki aerożelowe zatrzymują ucieczkę termiczną?

Podkładki aerożelowe nie zapobiegają uszkodzeniu każdej komórki. Ich celem jest spowolnienie lub zatrzymanie rozprzestrzeniania się ciepła z jednego uszkodzonego ogniwa do pobliskich ogniw, w zależności od kompletnego projektu opakowania.

Gdzie w zestawie akumulatorowym umieszcza się podkładki aerożelowe?

Można je umieszczać pomiędzy ogniwami, pomiędzy modułami, w pobliżu szyn zbiorczych, pod pokrywami opakowań, obok ścieżek wentylacyjnych lub w strefach barierowych na poziomie opakowań.

Czy podkładki aerożelowe izolują elektrycznie?

Wiele podkładek do akumulatorów aerożelowych zaprojektowano tak, aby zapewniały izolację elektryczną, ale dokładna wytrzymałość dielektryczna zależy od struktury produktu i metody testowania. Zawsze sprawdzaj arkusz danych dostawcy.

Czy podkładki aerożelowe są lepsze niż arkusze mikowe?

Rozwiązują różne problemy. Aerożel jest mocny w przypadku cienkiej izolacji termicznej, podczas gdy mika jest mocna w zakresie właściwości dielektrycznych i bariery ogniowej. Wiele opakowań EV może wykorzystywać oba materiały w różnych warstwach.

Czy podkładki aerożelowe mogą zastąpić podkładki uciskowe?

Czasami mogą obsługiwać zarówno funkcje termiczne, jak i kompresyjne, ale nie zawsze. Należy sprawdzić pęcznienie komórek, ciśnienie stosu i zachowanie podczas długotrwałej kompresji.

Notatka eksperta

Podkładki izolacyjne z aerożelu do akumulatorów EV to nie tylko miękkie prześcieradła umieszczane pomiędzy ogniwami. Są to bariery termiczne o krytycznym znaczeniu dla bezpieczeństwa, które muszą współpracować z chemią ogniw, wentylacją, sprężaniem, chłodzeniem, szynami zbiorczymi, czujnikami, złączami i prowadzeniem wiązek wysokiego napięcia.

Po 15 latach pracy z samochodowymi wiązkami przewodów, zespołami kabli akumulatorów pojazdów elektrycznych, interkonektami wysokiego napięcia i niestandardowymi systemami zasilania pojazdów moja zasada jest prosta: bezpieczeństwo akumulatorów nigdy nie zależy od samego jednego materiału; powstaje w wyniku współdziałania każdego materiału, przewodu, złącza i ścieżki cieplnej. Jeśli Twój projekt baterii EV wymaga podkładek izolacyjnych z aerożelu, ochrony wiązki przewodów wysokiego napięcia, izolacji szyn zbiorczych lub przeglądu bariery termicznej na etapie próbki, prześlij układ ogniw, klasę napięcia, ścieżkę trasowania i cel walidacji przed rozpoczęciem produkcji. Mała próbka i wczesny przegląd techniczny mogą później zapobiec znacznie większym awariom na poziomie pakietu.

Referencje

1. Aspen Aerogels, „PyroThin Thermal Runaway Bariera dla pojazdów elektrycznych”. Aspen Aerożele PyroThin

2. NASA, „Aerożele: cieńsze, lżejsze, mocniejsze”. Badania NASA nad aerożelem

3. Instytut Badawczy Southwest, „Standardowe testowanie akumulatorów UL 2580”. Testowanie baterii SwRI UL 2580

4. SAE International, „Badanie bezpieczeństwa i nadużyć systemu magazynowania energii w pojazdach elektrycznych i hybrydowych SAE J2464”. SAE J2464

5. Aspen Aerogels, „Łagodzenie niekontrolowanej temperatury w pojazdach elektrycznych”. Bariery termiczne do akumulatorów Aspen Aerogels

6. Spinoff NASA, „Aerożele izolują misje i produkty konsumenckie”. Zastosowania aerożelu Spinoff NASA