Qual deve ser a espessura do isolamento de aerogel entre as células da bateria EV?

Se a barreira do aerogel for muito fina, o calor de uma célula com defeito pode atingir sua vizinha muito rapidamente; se for desnecessariamente espesso, o pacote perde um valioso volume celular, aumenta o custo e pode alterar a compressão celular.

Não existe uma espessura de aerogel universal para baterias EV – o valor correto deve ser selecionado a partir da química da célula, energia de fuga térmica, lacuna disponível, compressão, temperatura permitida do lado protegido e resultados de validação do módulo. Para células prismáticas e de bolsa, as barreiras projetadas geralmente têm apenas alguns milímetros de espessura, mas o valor final deve ser comprovado na arquitetura real da bateria.

Existe uma espessura de aerogel padrão para células de bateria EV?

Usar uma regra fixa como “aerogel de 2 mm é suficiente para cada bateria” pode proteger mal as células de alta energia ou desperdiçar espaço em um módulo de menor risco.

A solução correta é definir a espessura a partir da resistência térmica necessária sob a condição real de compressão. O formato da célula, a química, a energia armazenada, o espaçamento, a direção da ventilação, a força de compressão, a construção da barreira e a temperatura permitida na célula vizinha influenciam o resultado.

A Aspen Aerogels afirma que suas barreiras celulares automotivas são projetadas para alvos específicos, incluindo condutividade térmica, espessura e resposta à compressão , reforçando que a espessura da barreira é um parâmetro de projeto dependente da aplicação, em vez de um número universal.^[1]

Uma barreira de aerogel de 2–3 mm pode ser suficiente?

Citar um resultado de teste bem-sucedido de 2–3 mm sem considerar o tamanho da célula, a compressão, os caminhos de calor e a ventilação pode criar uma falsa confiança em uma bateria completamente diferente.

Alguns milímetros podem ser tecnicamente viáveis ​​em alguns projetos prismáticos ou de células em bolsa, mas somente quando o teste completo do módulo confirmar o atraso de propagação necessário. A espessura não pode ser separada da formulação do material e do estado de compressão.

Aspen publicou um exemplo de minimódulo usando uma barreira PyroThin de 2,35 mm comprimida a cerca de 50% de tensão entre duas células prismáticas de 62 Ah. Nesse teste específico, a célula vizinha não entrou em fuga térmica, mas Aspen também observa que o minimódulo isolou alguns caminhos de calor secundários encontrados em um pacote real.^[2]

Esse resultado de 2,35 mm é, portanto, um exemplo útil de engenharia – não uma especificação EV universal.

Como a compactação altera a espessura necessária?

Uma barreira selecionada apenas pela sua espessura não comprimida pode ter um desempenho muito diferente quando as células incham e o módulo comprime o material durante toda a vida útil do veículo.

A solução é avaliar a espessura comprimida e o desempenho térmico no início e no fim da vida útil. As células prismáticas e de bolsa podem mudar de dimensão durante o ciclismo, de modo que a barreira também pode atuar como uma almofada de compressão, mantendo a resistência térmica.

Aspen identifica especificamente o desempenho mecânico, a fadiga de compressão e a condutividade térmica sob compressão como fatores críticos de projeto para barreiras célula a célula.^[3]

Que fatores determinam a espessura do aerogel?

A seleção da espessura apenas a partir da condutividade térmica ignora outros caminhos de calor e restrições mecânicas que podem dominar a propagação real de fuga térmica.

Os engenheiros devem avaliar a interface célula a célula completa antes de congelar a espessura da barreira. As entradas mais importantes são mostradas abaixo.

Por que não usar simplesmente uma barreira de aerogel mais espessa?

O superdimensionamento de cada barreira celular pode reduzir a densidade de energia do pacote, aumentar as dimensões e o custo do módulo e interferir no sistema de compressão celular pretendido.

A solução correta é utilizar a construção mínima validada que atenda aos requisitos mecânicos e de propagação térmica com margem de projeto adequada. Em pacotes de veículos elétricos de alto volume, mesmo uma fração adicional de milímetro repetida em dezenas ou centenas de interfaces de células pode afetar materialmente as dimensões do pacote.

Esta é uma das razões pelas quais o aerogel é atraente para barreiras célula a célula: os fabricantes podem projetar uma resistência térmica muito alta em estruturas relativamente finas e leves.^[4]

A química celular altera a espessura necessária do aerogel?

Usar o mesmo projeto de barreira para LFP, NMC e outros produtos químicos celulares pode ignorar grandes diferenças no comportamento de fuga térmica, energia celular, ventilação e arquitetura de embalagem.

A barreira deve ser ajustada à química celular real e ao comportamento das células-gatilho. Aspen observa que suas barreiras celulares são projetadas para vários produtos químicos, incluindo LFP, NMC e sistemas emergentes de estado sólido, com perfis de espessura e rigidez otimizados para aplicações específicas.^[5]

A química é importante, mas não é o único parâmetro. A capacidade da célula, a geometria, o estado de carga, o espaçamento, a compressão, o resfriamento e as estruturas vizinhas podem alterar materialmente o comportamento de propagação.

A espessura do aerogel deve ser selecionada antes do teste do módulo?

Congelar a espessura de produção apenas a partir de uma folha de dados de material pode levar a um redesenho caro se os testes em nível de módulo revelarem caminhos de calor condutivos, radiativos ou de gás de ventilação que não foram representados pelo teste de cupom.

Use cálculos de materiais e testes em nível de célula para definir uma espessura inicial e, em seguida, valide a construção completa em nível de módulo ou pacote antes do lançamento em série. Uma bateria real contém abas, barramentos, placas de resfriamento, estruturas de compressão, lacunas, fixadores, isolamento e caminhos de ventilação que podem contornar a barreira primária da célula.

Aspen afirma da mesma forma que os módulos e conjuntos de baterias são sistemas complexos e que não existe um teste único para o desempenho da barreira celular até o fim da vida útil.^[3]

Como a espessura do aerogel afeta os barramentos e a fiação da bateria?

Aumentar a espessura da barreira celular sem verificar a embalagem elétrica circundante pode alterar as dimensões da pilha de módulos e colocar pressão adicional nos barramentos, fios de detecção, conectores ou roteamento de chicotes de alta tensão.

A solução correta é revisar a espessura do aerogel juntamente com o sistema de interligação elétrica. Mudanças no espaçamento das células podem alterar a geometria do barramento, o comprimento do fio de detecção do BMS, a posição do conector, a folga do isolamento e o roteamento dos cabos de alta tensão ao redor do módulo.

Por esta razão, uma alteração da barreira térmica não deve ser tratada como uma substituição isolada de material. O espaçamento das células, a compressão, o isolamento de mica, os barramentos, as almofadas de silicone, a fiação do BMS e as interfaces do chicote de alta tensão devem ser verificados em conjunto antes que o ferramental seja congelado.

Precisa definir uma barreira celular de aerogel?

Para uma revisão de engenharia, prepare a química da célula, a capacidade, as dimensões da célula, a folga disponível, o requisito de compressão, a faixa de espessura alvo, a direção da ventilação, o requisito de propagação térmica, o módulo CAD e o barramento circundante ou o layout da fiação.

Uma avaliação da amostra deve confirmar o desempenho térmico e o comportamento mecânico comprimido antes que a espessura final da produção seja liberada.

Perguntas frequentes

Qual é a espessura típica de aerogel entre células de bateria EV?

Não existe espessura universal. As barreiras celulares projetadas podem ter apenas alguns milímetros de espessura, mas o valor final depende do material, do design da célula, da compressão e do desempenho de propagação térmica necessário.

O aerogel de 2 mm é suficiente entre as células da bateria?

Pode ser suficiente em alguns projetos e inadequado em outros. A espessura deve ser validada usando a química real da célula, energia, compressão, caminhos de calor e arquitetura do módulo.

A compressão do aerogel reduz sua proteção térmica?

Depende da construção do aerogel. As barreiras celulares automotivas devem ser caracterizadas sob seu estado real de compressão porque a deformação mecânica altera a espessura e pode influenciar o comportamento térmico.

O aerogel mais espesso é sempre mais seguro?

Não. Mais espessura pode melhorar a resistência térmica, mas pode reduzir a densidade de energia do pacote, alterar a compressão da célula, aumentar o custo e afetar o barramento ou a geometria da fiação.

O aerogel deve ser testado em nível de célula ou módulo?

Ambos podem ser úteis. Os testes em nível de célula ajudam a avaliar o desempenho da barreira, mas a validação em nível de módulo e pacote é importante porque existem caminhos adicionais de transferência de calor e de gás de ventilação em todo o sistema de bateria.

Perspectiva de 15 anos para baterias automotivas e chicotes elétricos

Com base em 15 anos de experiência em componentes automotivos e chicotes de fios, eu nunca especificaria uma barreira de aerogel simplesmente como “2 mm” ou “3 mm” antes de entender a pilha de baterias.

A espessura correta é a construção mínima validada que controla a transferência de calor célula a célula, ao mesmo tempo que atende aos requisitos de compressão, empacotamento, barramento, fio sensor e roteamento de alta tensão. Numa bateria EV, os materiais térmicos e as interligações elétricas devem ser projetados em conjunto.

Referências autorizadas

[1] Aspen Aerogels — Barreiras térmicas célula a célula PyroThin Aerogel

[2] Aspen Aerogels — Teste de minimódulo de propagação térmica célula a célula

[3] Aspen Aerogels — Projeto, Compressão e Validação de Barreira Térmica

[4] Aerogéis Aspen – Propagação de Fuga Térmica e Barreiras Célula a Célula

[5] Aspen Aerogels — Aplicações de barreira térmica para baterias EV