Насколько толстой должна быть аэрогелевая изоляция между элементами аккумуляторной батареи электромобиля?

Если барьер аэрогеля слишком тонкий, тепло от вышедшей из строя ячейки может слишком быстро достичь соседней клетки; если он излишне толстый, упаковка теряет ценный объем ячеек, увеличивает стоимость и может изменить сжатие ячеек.

Не существует универсальной толщины аэрогеля для аккумуляторов электромобилей — правильное значение должно быть выбрано на основе химического состава элементов, тепловой энергии, доступного зазора, сжатия, допустимой температуры защищенной стороны и результатов проверки модуля. Для призматических и пакетных элементов толщина инженерных барьеров часто составляет всего несколько миллиметров, но окончательное значение должно быть подтверждено в реальной архитектуре батареи.

Существует ли стандартная толщина аэрогеля для аккумуляторных элементов электромобилей?

Использование фиксированного правила, такого как «Аэрогеля 2 мм достаточно для каждой батареи», может привести к недостаточной защите высокоэнергетических элементов или потере места в модуле с низким уровнем риска.

Правильное решение – определить толщину исходя из требуемого термического сопротивления в фактическом сжатом состоянии. Формат ячейки, химический состав, запасенная энергия, расстояние, направление выхода, сила сжатия, конструкция барьера и допустимая температура соседней ячейки — все это влияет на результат.

Aspen Aerogels заявляет, что ее автомобильные клеточные барьеры разработаны для конкретных целей, включая теплопроводность, толщину и реакцию на сжатие , подчеркивая, что толщина барьера является параметром конструкции, зависящим от применения, а не универсальным числом.^[1]

Может ли быть достаточно аэрогелевого барьера толщиной 2–3 мм?

Упоминание успешного результата теста толщиной 2–3 мм без учета размера элемента, сжатия, тепловых путей и вентиляции может создать ложную уверенность в совершенно другом аккумуляторном блоке.

Несколько миллиметров могут быть технически жизнеспособными в некоторых конструкциях призматических ячеек или карманных ячеек, но только тогда, когда полное тестирование модуля подтвердит необходимую задержку распространения. Толщина не может быть отделена от состава материала и состояния сжатия.

Аспен опубликовал один пример мини-модуля с использованием барьера PyroThin толщиной 2,35 мм, сжатого примерно до 50% деформации между двумя призматическими элементами емкостью 62 Ач. В этом конкретном тесте соседняя ячейка не вышла из-под контроля, но Аспен также отмечает, что мини-модуль изолировал некоторые вторичные тепловые пути, обнаруженные в реальной упаковке.^[2]

Таким образом, результат в 2,35 мм является полезным инженерным примером, а не универсальной спецификацией электромобиля.

Как сжатие меняет требуемую толщину?

Барьер, выбранный только по его несжатой толщине, может работать совсем по-другому, когда ячейки набухают и модуль сжимает материал на протяжении всего срока службы автомобиля.

Решение состоит в том, чтобы оценить толщину сжатого материала и тепловые характеристики как в начале, так и в конце срока службы. Призматические и пакетные ячейки могут менять размеры во время езды на велосипеде, поэтому барьер может также действовать как сжимающая подушка, сохраняя при этом термическое сопротивление.

Аспен особо выделяет механические характеристики, усталость при сжатии и теплопроводность при сжатии как критические факторы проектирования межклеточных барьеров.^[3]

Какие факторы определяют толщину аэрогеля?

Выбор толщины только на основе теплопроводности игнорирует другие пути нагрева и механические ограничения, которые могут доминировать в реальном распространении теплового неконтроля.

Инженеры должны оценить полный интерфейс между ячейками, прежде чем замораживать толщину барьера. Наиболее важные входные данные показаны ниже.

Почему бы просто не использовать более толстый барьер из аэрогеля?

Увеличение размера каждого барьера ячейки может снизить плотность энергии упаковки, увеличить размеры и стоимость модуля, а также помешать работе предполагаемой системы сжатия ячеек.

Правильным решением является использование минимально проверенной конструкции, которая отвечает требованиям по распространению тепла и механическим требованиям с достаточным расчетным запасом. В упаковках для электромобилей большого объема даже дополнительная доля миллиметра, повторяющаяся в десятках или сотнях интерфейсов ячеек, может существенно повлиять на размеры упаковки.

Это одна из причин, по которой аэрогель привлекателен для создания межклеточных барьеров: производители могут создавать очень высокое термическое сопротивление в относительно тонких и легких структурах.^[4]

Изменяет ли клеточная химия необходимую толщину аэрогеля?

Использование одной и той же конструкции барьера для LFP, NMC и других химических элементов ячеек позволяет не заметить основные различия в поведении при термическом выходе из-под контроля, энергии ячеек, вентиляции и архитектуре упаковки.

Барьер должен быть настроен на реальный химический состав клеток и поведение триггерных клеток. Аспен отмечает, что ее клеточные барьеры предназначены для различных химических процессов, включая LFP, NMC и новые твердотельные системы, с профилями толщины и жесткости, оптимизированными для конкретных применений.^[5]

Химический состав важен, но это не единственный параметр. Емкость ячейки, геометрия, состояние заряда, расстояние, сжатие, охлаждение и соседние структуры могут существенно изменить поведение распространения.

Следует ли выбирать толщину аэрогеля перед тестированием модуля?

Замораживание толщины продукции только на основе спецификации материала может привести к дорогостоящему перепроектированию, если тесты на уровне модуля выявляют кондуктивные, радиационные или отводящие газы тепловые пути, которые не были представлены в купонном тесте.

Используйте расчеты материалов и испытания на уровне ячеек, чтобы определить начальную толщину, а затем проверьте всю конструкцию на уровне модуля или упаковки перед серийным выпуском. Настоящая батарея содержит выводы, шины, охлаждающие пластины, компрессионные конструкции, зазоры, крепления, изоляцию и вентиляционные пути, которые могут обойти первичный барьер на поверхности ячейки.

Аспен аналогичным образом заявляет, что аккумуляторные модули и блоки представляют собой сложные системы и что не существует единого теста на эффективность клеточного барьера до конца срока службы.^[3]

Как толщина аэрогеля влияет на шины и проводку батареи?

Увеличение толщины клеточного барьера без проверки окружающей электрической упаковки может изменить размеры пакета модулей и создать дополнительную нагрузку на шины, чувствительные провода, разъемы или прокладку высоковольтных жгутов.

Правильное решение — проверить толщину аэрогеля вместе с системой электрических соединений. Изменения в расстоянии между ячейками могут изменить геометрию шин, длину чувствительного провода BMS, положение разъема, изоляционный зазор и прокладку высоковольтных кабелей вокруг модуля.

По этой причине изменение теплового барьера не следует рассматривать как изолированную замену материала. Расстояние между элементами, сжатие, слюдяная изоляция, шины, силиконовые прокладки, проводка BMS и интерфейсы высоковольтных жгутов должны быть проверены вместе перед замораживанием инструментов.

Необходимо определить клеточный барьер из аэрогеля?

Для инженерной проверки подготовьте химический состав элемента, емкость, размеры элемента, доступный зазор, требования к сжатию, целевой диапазон толщины, направление вентиляции, требования к распространению тепла, CAD модуля, а также схему окружающей шины или проводки.

Оценка образца должна подтвердить как термические характеристики, так и механические свойства при сжатии, прежде чем будет известна окончательная толщина изделия.

Часто задаваемые вопросы

Какова типичная толщина аэрогеля между элементами аккумуляторной батареи электромобиля?

Универсальной толщины не существует. Спроектированные клеточные барьеры могут иметь толщину всего несколько миллиметров, но окончательное значение зависит от материала, конструкции ячейки, сжатия и требуемых характеристик распространения тепла.

Достаточно ли 2-миллиметрового аэрогеля между аккумуляторными элементами?

В одних проектах этого может быть достаточно, а в других — недостаточно. Толщина должна быть подтверждена с использованием фактического химического состава клеток, энергии, сжатия, тепловых путей и архитектуры модуля.

Снижает ли сжатие аэрогеля его тепловую защиту?

Это зависит от конструкции аэрогеля. Автомобильные клеточные барьеры следует характеризовать в их фактическом состоянии сжатия, поскольку механическая деформация изменяет толщину и может влиять на термическое поведение.

Всегда ли более толстый аэрогель безопаснее?

Нет. Большая толщина может улучшить термическое сопротивление, но может снизить плотность энергии упаковки, изменить сжатие ячеек, увеличить стоимость и повлиять на геометрию шин или проводки.

Следует ли тестировать аэрогель на уровне ячейки или модуля?

Оба могут быть полезны. Испытания на уровне ячеек помогают оценить эффективность барьера, но проверка на уровне модулей и блоков важна, поскольку во всей аккумуляторной системе существуют дополнительные пути теплопередачи и вентиляции.

15-летняя перспектива автомобильных аккумуляторов и жгутов проводов

Основываясь на 15-летнем опыте работы с автомобильными компонентами и жгутами проводов, я бы никогда не назвал аэрогелевый барьер просто «2 мм» или «3 мм», не разобравшись в устройстве аккумуляторной батареи.

Правильная толщина — это минимальная проверенная конструкция, которая контролирует передачу тепла между ячейками, сохраняя при этом требования к сжатию, упаковке, шинам, чувствительным проводам и прокладке высокого напряжения. В аккумуляторной батарее электромобиля тепловые материалы и электрические соединения должны проектироваться вместе.

Авторитетные ссылки

[1] Aspen Aerogels — межклеточные тепловые барьеры PyroThin Airgel

[2] Aspen Aerogels — тестирование мини-модуля распространения тепла от клетки к клетке

[3] Aspen Aerogels — проектирование теплового барьера, сжатие и проверка

[4] Аспенские аэрогели — распространение тепла и межклеточные барьеры

[5] Aspen Aerogels — применение термобарьера для аккумуляторов электромобилей