Что такое аэрогелевые изоляционные прокладки для аккумуляторов электромобилей? Руководство по тепловому барьеру

Если элементы аккумуляторной батареи электромобиля упакованы плотно и не имеют правильного теплового барьера, один перегревающийся элемент может передать тепло соседним элементам, вызвать распространение тепла, повредить аккумуляторную батарею и создать серьезную угрозу пожарной безопасности.

Наиболее эффективное решение — разместить изоляционные прокладки из аэрогеля аккумуляторной батареи электромобиля между элементами, модулями, зонами шин или горячими точками на уровне блока, чтобы замедлить передачу тепла, поглотить напряжение сжатия и помочь контролировать распространение теплового неконтроля.

Аэрогелевые изоляционные прокладки для аккумуляторов электромобилей представляют собой сверхлегкие термобарьерные материалы, используемые внутри литий-ионных аккумуляторов. Они особенно ценны в электромобилях высокой плотности, где каждый миллиметр влияет на плотность энергии, безопасность и надежность сборки.

Источник изображения: инженерный ресурс по термобарьерам Aspen Aerogels PyroThin.^[1]

Что такое аэрогелевая изоляционная прокладка для аккумулятора электромобиля?

Если термин «аэрогелевая прокладка» трактовать как обычную изоляцию из пенопласта или губки, аккумуляторный блок может потерять критическую защиту от теплопередачи, изменения сжатия и неконтролируемого распространения тепла.

Правильный ответ: аэрогелевая изоляционная прокладка для аккумулятора электромобиля представляет собой тонкий и легкий тепловой барьер, изготовленный из материала на основе аэрогеля и предназначенный для защиты литий-ионных элементов, модулей или аккумуляторов.

Aspen Aerogels описывает PyroThin как ультратонкий, легкий изоляционный и противопожарный барьер, предназначенный для уменьшения теплового неконтроля на уровне ячеек, модулей и пакетов.^[1] В практичной конструкции батареи эти подушечки располагаются там, где необходимо задерживать, блокировать или перенаправлять тепло.

Почему в аккумуляторах электромобилей используются аэрогелевые подушечки?

Если высокоэнергетический аккумуляторный блок использует только жидкостное охлаждение и мониторинг BMS, он может обнаружить неисправность, но все равно не сможет физически замедлить передачу тепла, когда элемент выйдет из-под контроля.

Лучшим решением является сочетание активного управления температурой с пассивными изоляционными прокладками из аэрогеля, чтобы пакет имел как мониторинговый контроль, так и физическое сопротивление распространению.

Термический разгон – это не только проблема температуры; это проблема цепной реакции. Хорошая подушка из аэрогеля дает аккумулятору больше времени, уменьшая теплопроводность от инициирующей ячейки к соседним ячейкам.

Неверно: если предположить, что одна охлаждающая пластина может остановить любое тепловое событие. Правильно: использовать охлаждение, вентиляцию, датчики, логику BMS и аэрогелевые барьеры вместе.

Как изоляционные прокладки из аэрогеля останавливают теплопередачу?

Если тепло перемещается через аккумуляторную батарею слишком быстро, соседние элементы могут достичь опасной температуры, прежде чем BMS, охлаждающая пластина или вентиляционный канал смогут контролировать это событие.

Прямым решением является использование нанопористой структуры аэрогеля для ограничения движения газа и уменьшения кондуктивной теплопередачи через изоляционный слой.

НАСА объясняет, что аэрогели чрезвычайно пористые, имеют очень низкую плотность и очень эффективно предотвращают передачу тепла, поскольку их поры имеют размер нанометров.^[2] Это делает аэрогель ценным там, где тонкая изоляция должна работать лучше, чем обычная полимерная пена.

Источник изображения: исследование изоляционного материала аэрогеля НАСА.^[2]

Что означает «серия» в изоляционных прокладках из аэрогеля серии аккумуляторов для электромобилей?

Если «серия» неправильно понимается как специальный электрический компонент, возможно, неправильная контактная площадка выбрана не для того места внутри аккумуляторного блока.

Правильная интерпретация заключается в том, что «изоляционные прокладки из аэрогеля для аккумуляторов электромобилей» обычно относятся к прокладкам из аэрогеля, используемым в последовательно соединенных аккумуляторных элементах или модулях, а не к прокладкам, которые проводят последовательный ток.

Блоки электромобилей содержат элементы, соединенные последовательно и параллельно для достижения целевого напряжения и емкости. Подушечки из аэрогеля обычно представляют собой нетокопроводящие тепловые и механические детали, расположенные рядом с последовательностью ячеек, стеком модулей или барьерной структурой упаковки.

Чем подушечки из аэрогеля отличаются от слюды, пены или керамического волокна?

Если подставка для аккумулятора электромобиля выбрана только по цене или толщине, аккумулятор может потерять баланс между блокировкой тепла, восстановлением сжатия, диэлектрической прочностью, весом и допуском сборки.

Лучшее решение — сравнить аэрогель, слюду, пенопласт и керамическое волокно по фактическому виду отказа: термический разгон, набухание клеток, вибрация, электрическая изоляция, воздействие пламени или целевая стоимость.

Аэрогель обычно выбирают, когда упаковка нуждается в прочной изоляции в тонкой и легкой форме. Слюда обладает сильными диэлектрическими и огнезащитными свойствами, пена полезна для сжатия и поглощения допусков, а керамическое волокно используется там, где важна чрезвычайная термостойкость.

Где установлены аэрогелевые подушечки в аккумуляторном модуле электромобиля?

Если аэрогелевые подушечки расположены случайным образом, без учета теплового потока, направления вентиляции, сжимающей нагрузки и расположения жгутов, пакет все равно может подвергнуться тепловому распространению или механическим воздействиям.

Правильным решением является размещение аэрогелевых подушек с учетом пути распространения тепла, химического состава ячеек, давления в блоке модулей, расположения охлаждающей пластины и зазора для высоковольтных проводов.

Для карманных и призматических ячеек подушечки обычно помещают между большими гранями ячеек. Для цилиндрических ячеек аэрогель может использоваться в качестве листов, рукавов, модульных барьеров или изоляционных слоев на уровне упаковки в зависимости от архитектуры.

Для проектов OEM или аккумуляторных батарей перед окончательным выбором контактной площадки пришлите формат элемента, химический состав, давление в стеке, чертеж модуля, путь вентиляции и требования к термическим испытаниям. Отрезок небольшого образца может выявить риск посадки, сжатия и сборки перед обработкой.

Как аэрогелевые подушечки работают с автомобильными жгутами проводов?

Если высоковольтный жгут, сенсорный жгут или изоляция шин проложены слишком близко к пути распространения тепла, изоляция может ухудшиться, клеммы могут ослабнуть, а диагностические сигналы могут выйти из строя во время неисправности.

Лучшее решение — спроектировать изоляционные прокладки из аэрогеля вместе с высоковольтной проводкой, линиями измерения напряжения, датчиками температуры, крышками шин и стратегией герметизации упаковки.

Безопасность аккумуляторов – это не только химический состав элементов. Это полносистемная конструкция, включающая барьеры ячеек, прокладку высоковольтных жгутов, вентиляционные каналы, размещение датчиков, заземление, экранирование и защиту разъемов.

Какие данные о производительности следует проверять покупателям?

Если поставщик указывает только толщину и цену, покупатель не может судить, выдержит ли прокладка сжатие, тепловое воздействие, пламя, влажность, вибрацию или нагрузку при сборке упаковки.

Правильное решение — запросить технический паспорт, данные о теплопроводности, кривую сжатия, результаты диэлектрических испытаний, информацию о огнестойкости, диапазон рабочих температур и данные о старении.

Aspen Aerogels отмечает, что ее платформу аэрогеля можно оптимизировать по теплопроводности, толщине и реакции на сжатие.^[1] Именно эти параметры должны учитывать инженеры по производству аккумуляторов, прежде чем выбирать площадку.

Какие стандарты относятся к аэрогелевым подушечкам для аккумуляторов электромобилей?

Если аэрогелевые подушечки выбираются без привязки к проверке безопасности батареи, материал может выглядеть превосходно изолированно, но не соответствовать требованиям сертификации на уровне упаковки или испытаниям на злоупотребление.

Правильное решение — связать выбор колодок с испытаниями на безопасность аккумуляторов электромобилей, такими как тепловые, механические, электрические, экологические требования и требования к испытаниям на злоупотребления.

SwRI объясняет, что тестирование UL 2580 оценивает безопасность аккумуляторов электромобилей с помощью электрических, механических, термических, экологических испытаний и испытаний, связанных с безопасностью.^[3] SAE J2464 описывает испытания на злоупотребление, которые могут использоваться для перезаряжаемых систем хранения энергии электрических и гибридных электромобилей.^[4]

Неправильно: спрашивать, «соответствует ли аэрогелевая подушка UL 2580». Правильно: тестировать всю батарею в сборе, поскольку геометрия батареи, химический состав элементов, вентиляция, проводка и размещение барьеров — все это влияет на конечный результат.

Как выбрать аэрогелевую подушку для проекта батареи электромобиля?

Если подкладка выбрана после того, как макет упаковки уже заморожен, инженер может быть вынужден использовать недостаточную толщину, плохое сжатие, блокировку вентиляции или небезопасный зазор для жгута.

Лучшее решение — привлечь поставщика аэрогелевых подушек и поставщика жгутов проводов на ранних стадиях компоновки модуля, прокладки высоковольтной сети и моделирования распространения тепла.

Хороший процесс выбора начинается с формата ячейки, химического состава, плотности энергии, толщины целевого пакета, силы сжатия, положения охлаждающей пластины, направления вентиляции и цели испытания на безопасность. Планшет должен быть проверен в реальном стеке модулей, а не только на плоском лабораторном образце.

Для быстрой оценки отправьте размер ячейки, чертеж модуля, целевую толщину, диапазон сжатия, максимальную температуру и годовой объем. Небольшой образец аэрогеля, вырезанный методом высечки, может помочь подтвердить установку перед оснасткой для массового производства.

Часто задаваемые вопросы

Что такое аэрогелевые изоляционные прокладки для аккумуляторов электромобилей?

Это тонкие термобарьерные прокладки на основе аэрогеля, используемые внутри аккумуляторных блоков электромобилей для уменьшения теплопередачи, замедления распространения тепла и поддержки конструкции безопасности аккумулятора.

Почему в аккумуляторах электромобилей используется аэрогель?

Аэрогель используется потому, что он обеспечивает надежную теплоизоляцию в легкой и тонкой форме. Это помогает разработчикам аккумуляторов защитить элементы, не тратя слишком много места в упаковке.

Препятствуют ли аэрогелевые подушечки тепловому неконтролю?

Подушечки из аэрогеля не предотвращают разрушение каждой клетки. Их цель — замедлить или помочь остановить распространение тепла от одной неисправной ячейки к соседним, в зависимости от конструкции всего блока.

Где в аккумуляторном блоке размещаются аэрогелевые подушечки?

Их можно размещать между ячейками, между модулями, рядом с шинами, под крышками упаковки, рядом с вентиляционными путями или в барьерных зонах на уровне упаковки.

Являются ли подушечки из аэрогеля электроизоляционными?

Многие аэрогелевые аккумуляторные подушечки имеют электроизоляционные характеристики, но точная диэлектрическая прочность зависит от структуры продукта и метода испытаний. Всегда проверяйте техническое описание поставщика.

Подушечки из аэрогеля лучше листов слюды?

Они решают разные проблемы. Аэрогель обладает хорошей теплоизоляцией, а слюда обладает диэлектрическими и огнезащитными свойствами. Во многих упаковках электромобилей могут использоваться оба материала в разных слоях.

Могут ли аэрогелевые подушечки заменить компрессионные подушечки?

Иногда они могут поддерживать как термическую, так и компрессионную функции, но не всегда. Необходимо проверить набухание клеток, давление стека и поведение при долговременном сжатии.

Экспертное примечание

Аэрогелевые изоляционные прокладки для аккумуляторов электромобилей — это не просто мягкие листы, помещенные между элементами. Это критически важные для безопасности тепловые барьеры, которые должны работать с химией элементов, вентиляцией, сжатием, охлаждением, шинами, датчиками, разъемами и прокладкой высоковольтных жгутов.

После 15 лет работы с автомобильными жгутами проводов, кабельными сборками аккумуляторных батарей электромобилей, высоковольтными межсоединениями и специальными системами питания транспортных средств, мое практическое правило простое: безопасность аккумулятора никогда не обеспечивается одним материалом; он создается тем, как каждый материал, провод, разъем и тепловой путь работают вместе. Если для вашего проекта аккумуляторной батареи электромобиля требуются изоляционные прокладки из аэрогеля, защита высоковольтных жгутов, изоляция шин или проверка теплового барьера на этапе отбора проб, перед производством отправьте схему расположения элементов, класс напряжения, путь прокладки и цель проверки. Небольшая выборка и ранняя инженерная проверка могут предотвратить гораздо более крупный сбой на уровне упаковки в дальнейшем.

Ссылки

1. Aspen Aerogels, «Тепловой барьер PyroThin для электромобилей». Аспен Аэрогели PyroThin

2. НАСА, «Аэрогели: тоньше, легче, прочнее». НАСА Исследования аэрогеля

3. Юго-западный научно-исследовательский институт, «Тестирование стандартных аккумуляторов UL 2580». Тестирование аккумуляторов SwRI UL 2580

4. SAE International, «Испытание на безопасность и злоупотребление перезаряжаемой системой хранения энергии электрических и гибридных электромобилей по стандарту SAE J2464». САЭ Дж2464

5. Aspen Aerogels, «Снижение температурного неконтроля для электромобилей». Тепловые барьеры Aspen Aerogels Battery

6. Спинофф НАСА, «Аэрогели изолируют миссии и потребительские товары». Применения аэрогеля НАСА Spinoff