O que são almofadas de isolamento de aerogel para bateria EV? Guia de barreira térmica

Se as células da bateria do VE estiverem compactadas sem a barreira térmica adequada, uma célula sobreaquecida pode transferir calor para as células vizinhas, desencadear a propagação térmica, danificar a bateria e criar um sério risco de segurança contra incêndio.

A solução mais eficaz é colocar almofadas de isolamento de aerogel de bateria EV entre células, módulos, zonas de barramento ou pontos quentes no nível do pacote para retardar a transferência de calor, absorver o estresse de compressão e ajudar a controlar a propagação de fuga térmica.

As almofadas de isolamento de aerogel para baterias EV são materiais de barreira térmica ultraleves usados ​​dentro de baterias de íons de lítio. Eles são especialmente valiosos em conjuntos de veículos elétricos de alta densidade, onde cada milímetro afeta a densidade de energia, a segurança e a confiabilidade da montagem.

Fonte da imagem: recurso de engenharia de barreira térmica Aspen Aerogels PyroThin.^[1]

O que é uma almofada de isolamento de aerogel para bateria EV?

Se o termo “almofada de aerogel” for tratado como espuma comum ou isolamento de esponja, a bateria poderá perder proteção crítica contra transferência de calor, alteração de compressão e propagação de fuga térmica.

A resposta correta é que uma almofada de isolamento de aerogel de bateria EV é uma barreira térmica fina e leve feita de material à base de aerogel e projetada para proteção de células, módulos ou pacotes de íons de lítio.

A Aspen Aerogels descreve o PyroThin como um isolamento ultrafino e leve e uma barreira contra fogo projetada para mitigar a fuga térmica nos níveis célula a célula, módulo e barreira de pacote.^[1] No design prático da bateria, essas almofadas ficam onde o calor deve ser retardado, bloqueado ou redirecionado.

Por que as almofadas de aerogel são usadas em baterias EV?

Se uma bateria de alta energia depender apenas de refrigeração líquida e monitoramento BMS, ela poderá detectar uma falha, mas ainda assim não conseguirá retardar fisicamente a transferência de calor quando uma célula entrar em fuga térmica.

A melhor solução é combinar o gerenciamento térmico ativo com almofadas de isolamento de aerogel passivo, para que o pacote tenha controle de monitoramento e resistência física à propagação.

A fuga térmica não é apenas um problema de temperatura; é um problema de reação em cadeia. Uma boa almofada de aerogel dá mais tempo à bateria, reduzindo a condução de calor da célula inicial para as células próximas.

Errado: presumir que apenas a placa de resfriamento pode interromper todos os eventos térmicos. Correto: usar resfriamento, ventilação, sensores, lógica BMS e barreiras de aerogel juntos.

Como as almofadas de isolamento de aerogel interrompem a transferência de calor?

Se o calor se mover muito rapidamente através da pilha de baterias, as células adjacentes poderão atingir temperaturas perigosas antes que o BMS, a placa de resfriamento ou o caminho de ventilação possam controlar o evento.

A solução direta é usar a estrutura nanoporosa do aerogel para restringir o movimento do gás e reduzir a transferência de calor condutiva através da camada de isolamento.

A NASA explica que os aerogéis são extremamente porosos, de densidade muito baixa e altamente eficazes na prevenção da transferência de calor porque seus poros estão na faixa nanométrica.^[2] Isto torna o aerogel valioso onde o isolamento fino deve ter um desempenho melhor do que a espuma de polímero comum.

Fonte da imagem: pesquisa de material de isolamento de aerogel da NASA.^[2]

O que significa 'Série' nas almofadas de isolamento de aerogel da série de baterias EV?

Se “série” for mal interpretada como um componente elétrico especial, o bloco errado poderá ser selecionado para o local errado dentro da bateria.

A interpretação correta é que 'almofadas de isolamento de aerogel em série de bateria EV' geralmente se referem a almofadas de aerogel usadas em uma célula de bateria conectada em série ou arranjo de módulo, não a uma almofada que conduz corrente em série.

Os pacotes EV contêm células conectadas em série e paralelo para atingir a tensão e capacidade alvo. As almofadas de aerogel são normalmente peças térmicas e mecânicas que não transportam corrente, colocadas perto do caminho da série de células, da pilha de módulos ou da estrutura de barreira do pacote.

Qual a diferença entre as almofadas de aerogel e a mica, a espuma ou a fibra cerâmica?

Se uma almofada de bateria EV for selecionada apenas por preço ou espessura, a bateria poderá perder o equilíbrio entre bloqueio térmico, recuperação de compressão, rigidez dielétrica, peso e tolerância de montagem.

A melhor solução é comparar o aerogel, a mica, a espuma e a fibra cerâmica pelo modo de falha real: fuga térmica, inchaço celular, vibração, isolamento elétrico, exposição à chama ou custo-alvo.

O aerogel geralmente é escolhido quando a embalagem precisa de um isolamento forte em uma forma fina e leve. A mica é forte para desempenho dielétrico e de barreira contra chamas, a espuma é útil para compressão e absorção de tolerância, e a fibra cerâmica é usada onde a resistência extrema ao calor é importante.

Onde as almofadas de aerogel são instaladas em um módulo de bateria EV?

Se as almofadas de aerogel forem colocadas aleatoriamente sem considerar o fluxo de calor, a direção da ventilação, a carga de compressão e o roteamento do chicote, a almofada ainda poderá sofrer propagação térmica ou interferência mecânica.

A solução correta é colocar as almofadas de aerogel de acordo com o caminho de propagação térmica, a química da célula, a pressão da pilha do módulo, a localização da placa de resfriamento e a folga do chicote de alta tensão.

Para células em bolsa e prismáticas, as almofadas são comumente colocadas entre as faces das células grandes. Para células cilíndricas, o aerogel pode ser usado como folhas, mangas, barreiras modulares ou camadas de isolamento em nível de pacote, dependendo da arquitetura.

Para projetos OEM ou de bateria, envie o formato da célula, a química, a pressão da pilha, o desenho do módulo, o caminho de ventilação e os requisitos de teste térmico antes da seleção final da almofada. Um pequeno corte de amostra pode revelar riscos de ajuste, compressão e montagem antes da ferramenta.

Como as almofadas de aerogel funcionam com sistemas de chicotes de fios automotivos?

Se o chicote de alta tensão, o chicote de detecção ou o isolamento do barramento for direcionado muito próximo de um caminho de propagação térmica, o isolamento poderá degradar, os terminais poderão se soltar e os sinais de diagnóstico poderão falhar durante um evento de falha.

A melhor solução é projetar almofadas de isolamento de aerogel junto com fiação de alta tensão, linhas de detecção de tensão, sensores de temperatura, tampas de barramentos e estratégia de vedação de pacotes.

A segurança da bateria não envolve apenas a química celular. É um projeto de sistema completo que envolve barreiras celulares, roteamento de chicotes de alta tensão, canais de ventilação, posicionamento de sensores, aterramento, blindagem e proteção de conectores.

Quais dados de desempenho os compradores devem verificar?

Se um fornecedor fornecer apenas espessura e preço, o comprador não poderá avaliar se a almofada sobreviverá à compressão, exposição ao calor, chama, umidade, vibração ou estresse de montagem da embalagem.

A solução correta é solicitar ficha técnica, dados de condutividade térmica, curva de compressão, resultado do teste dielétrico, informações de resistência à chama, faixa de temperatura operacional e dados de envelhecimento.

A Aspen Aerogels observa que sua plataforma de aerogel pode ser otimizada para condutividade térmica, espessura e resposta à compressão.^[1] Esses são exatamente os parâmetros que os engenheiros de bateria devem revisar antes de escolher um pad.

Quais padrões estão relacionados às almofadas de aerogel para baterias EV?

Se as almofadas de aerogel forem selecionadas sem vinculá-las à validação de segurança da bateria, o material pode parecer excelente isoladamente, mas não consegue suportar a certificação em nível de embalagem ou testes de abuso.

A solução correta é conectar a seleção de pads com testes de segurança de bateria EV, como requisitos de testes térmicos, mecânicos, elétricos, ambientais e de abuso.

SwRI explica que os testes UL 2580 avaliam a segurança da bateria EV em testes elétricos, mecânicos, térmicos, ambientais e relacionados à segurança.^[3] SAE J2464 descreve testes de abuso que podem ser usados ​​para sistemas de armazenamento de energia recarregável de veículos elétricos e híbridos elétricos.^[4]

Errado: perguntar se uma almofada de aerogel sozinha 'passa na UL 2580'. Correto: testar o conjunto completo da bateria porque a geometria do pacote, a química da célula, a ventilação, a fiação e a colocação da barreira afetam o resultado final.

Como você deve escolher uma almofada de aerogel para um projeto de bateria EV?

Se a almofada for selecionada depois que o layout da embalagem já estiver congelado, o engenheiro poderá ser forçado a ter espessura insuficiente, compressão inadequada, ventilação bloqueada ou folga insegura do arnês.

A melhor solução é envolver o fornecedor da almofada de aerogel e o fornecedor do chicote de fios no início do layout do módulo, roteamento de alta tensão e simulação de propagação térmica.

Um bom processo de seleção começa com formato da célula, química, densidade de energia, espessura do pacote alvo, força de compressão, posição da placa de resfriamento, direção de ventilação e alvo do teste de segurança. O bloco deve ser validado na pilha de módulos real, não apenas em uma amostra plana de laboratório.

Para uma avaliação rápida, envie o tamanho da célula, o desenho do módulo, a espessura alvo, a faixa de compressão, o evento de temperatura máxima e o volume anual. Uma pequena amostra de aerogel cortada pode ajudar a confirmar a montagem antes das ferramentas de produção em massa.

Perguntas frequentes

O que são almofadas de isolamento de aerogel para bateria EV?

Eles são almofadas de barreira térmica finas à base de aerogel usadas dentro de baterias EV para reduzir a transferência de calor, retardar a propagação térmica e apoiar o projeto de segurança da bateria.

Por que o aerogel é usado em baterias EV?

O aerogel é usado porque fornece forte isolamento térmico em uma forma leve e fina. Isso ajuda os engenheiros de baterias a proteger as células sem desperdiçar muito espaço na embalagem.

As almofadas de aerogel impedem a fuga térmica?

As almofadas de aerogel não evitam a falha de todas as células. Seu objetivo é retardar ou ajudar a interromper a propagação de calor de uma célula com falha para células próximas, dependendo do design completo do pacote.

Onde as almofadas de aerogel são colocadas em uma bateria?

Eles podem ser colocados entre células, entre módulos, perto de barramentos, abaixo das tampas dos pacotes, ao lado dos caminhos de ventilação ou em zonas de barreira no nível do pacote.

As almofadas de aerogel são eletricamente isolantes?

Muitas baterias de aerogel são projetadas com desempenho de isolamento elétrico, mas a rigidez dielétrica exata depende da estrutura do produto e do método de teste. Verifique sempre a ficha técnica do fornecedor.

As almofadas de aerogel são melhores do que as folhas de mica?

Eles resolvem problemas diferentes. O aerogel é forte para isolamento térmico fino, enquanto a mica é forte para desempenho dielétrico e de barreira contra chamas. Muitos pacotes de EV podem usar ambos os materiais em camadas diferentes.

As almofadas de aerogel podem substituir as almofadas de compressão?

Às vezes, eles podem suportar funções térmicas e de compressão, mas nem sempre. O inchaço celular, a pressão da pilha e o comportamento de compressão a longo prazo devem ser validados.

Nota do especialista

As almofadas de isolamento de aerogel da bateria EV não são apenas folhas macias colocadas entre as células. São barreiras térmicas críticas para a segurança que devem funcionar com química celular, ventilação, compressão, resfriamento, barramentos, sensores, conectores e roteamento de chicotes de alta tensão.

Depois de 15 anos trabalhando com chicotes de fios automotivos, conjuntos de cabos de baterias EV, interconexões de alta tensão e sistemas de energia de veículos personalizados, minha regra de campo é simples: a segurança da bateria nunca é criada apenas por um material; ele é criado pela forma como cada material, fio, conector e caminho de calor funcionam juntos. Se o seu projeto de bateria EV precisar de almofadas de isolamento de aerogel, proteção de chicote de alta tensão, isolamento de barramento ou revisão de barreira térmica em estágio de amostra, envie o layout da célula, a classe de tensão, o caminho de roteamento e a meta de validação antes da produção. Uma pequena amostra e uma revisão antecipada de engenharia podem evitar uma falha muito maior no nível do pacote posteriormente.

Referências

1. Aspen Aerogels, 'Barreira de Fuga Térmica PyroThin para EVs.' Aspen Aerogéis PyroThin

2. NASA, “Aerogéis: mais finos, mais leves, mais fortes”. Pesquisa de aerogel da NASA

3. Southwest Research Institute, 'Teste de bateria padrão UL 2580'. Teste de bateria SwRI UL 2580

4. SAE International, 'SAE J2464 Teste de segurança e abuso do sistema de armazenamento de energia recarregável para veículos elétricos e híbridos elétricos'. SAE J2464

5. Aspen Aerogels, 'Mitigação de Fuga Térmica para Veículos Elétricos'. Barreiras térmicas de bateria Aspen Aerogels

6. Spinoff da NASA, 'Aerogéis isolam missões e produtos de consumo'. Aplicações de aerogel spinoff da NASA