Čo sú aerogélové izolačné podložky pre batérie EV? Sprievodca tepelnou bariérou

Ak sú články batérie EV pevne zabalené bez správnej tepelnej bariéry, jeden prehrievajúci sa článok môže preniesť teplo na susedné články, spustiť šírenie tepla, poškodiť súpravu batérií a vytvoriť vážne nebezpečenstvo požiarnej bezpečnosti.

Najúčinnejším riešením je umiestniť aerogélové izolačné podložky na batérie medzi články, moduly, prípojnicové zóny alebo horúce miesta na úrovni balenia, aby sa spomalil prenos tepla, absorbovali tlakové napätie a pomohli kontrolovať šírenie úniku tepla.

Aerogélové izolačné podložky batérií EV sú ultraľahké materiály tepelnej bariéry používané vo vnútri lítium-iónových batérií. Sú obzvlášť cenné v baleniach EV s vysokou hustotou, kde každý milimeter ovplyvňuje hustotu energie, bezpečnosť a spoľahlivosť montáže.

Zdroj obrázka: Technický zdroj tepelnej bariéry Aspen Aerogels PyroThin.^[1]

Čo je aerogélová izolačná podložka EV batérie?

Ak sa s pojmom 'aerogélová podložka' zaobchádza ako s obyčajnou penovou alebo špongiovou izoláciou, batéria môže stratiť kritickú ochranu proti prenosu tepla, zmene kompresie a šíreniu tepelného úniku.

Správnou odpoveďou je, že aerogélová izolačná podložka batérie EV je tenká, ľahká tepelná bariéra vyrobená z materiálu na báze aerogélu a navrhnutá na ochranu lítium-iónových článkov, modulov alebo balení.

Aspen Aerogels opisuje PyroThin ako ultratenkú, ľahkú izoláciu a protipožiarnu bariéru navrhnutú na zmiernenie tepelného úniku na úrovni medzi bunkami, modulmi a obalmi.^[1] V praktickom batériovom dizajne sú tieto podložky umiestnené tam, kde sa teplo musí oneskoriť, blokovať alebo presmerovať.

Prečo sa aerogélové podložky používajú v batériových súpravách EV?

Ak sa vysokoenergetická batéria spolieha iba na chladenie kvapalinou a monitorovanie BMS, môže zistiť poruchu, ale stále nedokáže fyzicky spomaliť prenos tepla, keď sa článok dostane do tepelného úniku.

Lepším riešením je skombinovať aktívny tepelný manažment s pasívnymi aerogélovými izolačnými podložkami, takže balenie má kontrolu monitorovania aj fyzikálny odpor šírenia.

Tepelný únik nie je len problémom s teplotou; je to problém reťazovej reakcie. Dobrá aerogélová podložka poskytuje batérii viac času znížením prenosu tepla z iniciačného článku do blízkych článkov.

Nesprávne: predpokladajme, že samotná chladiaca doska môže zastaviť každú tepelnú udalosť. Správne: použitie chladenia, vetrania, senzorov, logiky BMS a aerogélových bariér spolu.

Ako aerogélové izolačné podložky zastavia prenos tepla?

Ak sa teplo cez zásobník batérie pohybuje príliš rýchlo, susedné články môžu dosiahnuť nebezpečnú teplotu skôr, než BMS, chladiaca doska alebo ventilačná cesta ovládnu udalosť.

Priamym riešením je použitie nanoporéznej štruktúry aerogélu na obmedzenie pohybu plynu a zníženie prenosu tepla vodivou vrstvou cez izolačnú vrstvu.

NASA vysvetľuje, že aerogély sú extrémne porézne, majú veľmi nízku hustotu a sú vysoko účinné pri zabraňovaní prenosu tepla, pretože ich póry sú v rozsahu nanometrov.^[2] To robí aerogél cenným tam, kde tenká izolácia musí fungovať lepšie ako bežná polymérová pena.

Zdroj obrázka: Výskum aerogélových izolačných materiálov NASA.^[2]

Čo znamená 'Series' v sérii batérií EV – aerogélové izolačné podložky?

Ak je 'séria' nesprávne chápaná ako špeciálna elektrická súčiastka, môže byť vybratá nesprávna podložka pre nesprávne miesto vo vnútri batérie.

Správna interpretácia je, že „sériové aerogélové izolačné podložky EV batérie“ zvyčajne označujú aerogélové podložky používané v sériovo zapojených batériových článkoch alebo usporiadaní modulov, nie podložky, ktoré vedú sériový prúd.

EV packy obsahujú články zapojené do série a paralelne na dosiahnutie cieľového napätia a kapacity. Aerogélové podložky sú normálne tepelné a mechanické časti, ktoré neprenášajú prúd, umiestnené v blízkosti dráhy série článkov, zostavy modulov alebo bariérovej štruktúry balenia.

Ako sa aerogélové vankúšiky líšia od sľudy, peny alebo keramického vlákna?

Ak sa podložka batérie EV vyberie iba podľa ceny alebo hrúbky, môže dôjsť k strate rovnováhy medzi blokovaním tepla, regeneráciou kompresie, dielektrickou pevnosťou, hmotnosťou a toleranciou montáže.

Najlepším riešením je porovnať aerogél, sľudu, penu a keramické vlákno podľa skutočného spôsobu poruchy: tepelný únik, napučiavanie buniek, vibrácie, elektrická izolácia, vystavenie plameňom alebo cieľová cena.

Aerogél sa zvyčajne vyberá, keď balenie potrebuje silnú izoláciu v tenkej a ľahkej forme. Sľuda je silná pre dielektrikum a ohňovzdorné vlastnosti, pena je užitočná pre kompresiu a absorpciu tolerancie a keramické vlákno sa používa tam, kde je dôležitá extrémna tepelná odolnosť.

Kde sú aerogélové podložky nainštalované v batériovom module EV?

Ak sú aerogélové podložky umiestnené náhodne bez ohľadu na tok tepla, smer vetrania, zaťaženie kompresiou a smerovanie postroja, balenie môže stále trpieť šírením tepla alebo mechanickým rušením.

Správnym riešením je umiestniť aerogélové podložky podľa dráhy šírenia tepla, chémie článkov, tlaku v zostave modulov, umiestnenia chladiacej platne a vôle vysokonapäťového zväzku.

Pri vrecúškach a prizmatických článkoch sa podložky bežne umiestňujú medzi veľké plochy komôr. Pre cylindrické články sa aerogél môže použiť ako listy, rukávy, modulové bariéry alebo izolačné vrstvy na úrovni balenia v závislosti od architektúry.

V prípade projektov OEM alebo batérií pošlite pred konečným výberom podložky požiadavku na formát článku, chémiu, tlak v zásobníku, výkres modulu, vetraciu dráhu a tepelnú skúšku. Malá vzorka rezu môže odhaliť riziko prispôsobenia, stlačenia a montáže pred opracovaním.

Ako fungujú aerogélové podložky s automobilovými systémami káblových zväzkov?

Ak je vysokonapäťový zväzok, snímací zväzok alebo izolácia prípojníc vedený príliš blízko k ceste šírenia tepla, izolácia sa môže zhoršiť, svorky sa môžu uvoľniť a diagnostické signály môžu počas udalosti poruchy zlyhať.

Lepším riešením je navrhnúť aerogélové izolačné podložky spolu s VN kabelážou, vedeniami na snímanie napätia, teplotnými snímačmi, krytmi prípojníc a stratégiou tesnenia balenia.

Bezpečnosť batérie nie je len chémia článkov. Ide o úplný systémový dizajn zahŕňajúci bunkové bariéry, vedenie vysokonapäťových zväzkov, vetracie kanály, umiestnenie snímača, uzemnenie, tienenie a ochranu konektorov.

Aké údaje o výkonnosti by si mali kupujúci skontrolovať?

Ak dodávateľ poskytuje iba hrúbku a cenu, kupujúci nemôže posúdiť, či podložka prežije stlačenie, vystavenie teplu, plameňu, vlhkosti, vibráciám alebo namáhaniu zostavy balenia.

Správnym riešením je vyžiadať si technický list, údaje o tepelnej vodivosti, kompresnú krivku, výsledok dielektrického testu, informácie o odolnosti voči plameňu, rozsahu prevádzkových teplôt a údaje o starnutí.

Aspen Aerogels poznamenáva, že jeho aerogélová platforma môže byť optimalizovaná pre tepelnú vodivosť, hrúbku a odozvu na kompresiu.^[1] Presne toto sú parametre, ktoré by mali inžinieri batérií preskúmať pred výberom podložky.

Ktoré normy súvisia s aerogélovými podložkami pre batérie EV?

Ak sa aerogélové podložky vyberú bez toho, aby boli prepojené s overením bezpečnosti batérie, materiál môže vyzerať skvele izolovane, ale nedokáže podporovať certifikáciu na úrovni balenia alebo testovanie zneužitia.

Správnym riešením je spojiť výber podložiek s bezpečnostnými testami batérie EV, ako sú tepelné, mechanické, elektrické, environmentálne a testovacie požiadavky na zneužitie.

SwRI vysvetľuje, že testovanie UL 2580 hodnotí bezpečnosť batérie EV v rámci elektrických, mechanických, tepelných, environmentálnych a bezpečnostných testov.^[3] SAE J2464 opisuje testy zneužitia, ktoré možno použiť pre systémy na ukladanie energie dobíjateľných elektrických a hybridných elektrických vozidiel.^[4]

Nesprávne: otázka, či samotná aerogélová podložka 'vyhovuje norme UL 2580' Správne: testovanie kompletnej zostavy batérie, pretože geometria balenia, chémia článkov, vetranie, kabeláž a umiestnenie bariéry ovplyvňujú konečný výsledok.

Ako by ste si mali vybrať aerogelovú podložku pre projekt batérie EV?

Ak je podložka vybratá po tom, čo je rozloženie balenia už zmrazené, technik môže byť nútený k nízkej hrúbke, zlej kompresii, zablokovanému vetraniu alebo nebezpečnému uvoľneniu postroja.

Najlepším riešením je včas zapojiť dodávateľa aerogélovej podložky a dodávateľa káblového zväzku počas rozloženia modulu, vysokonapäťového smerovania a simulácie šírenia tepla.

Dobrý výberový proces začína formátom článku, chémiou, hustotou energie, cieľovou hrúbkou balenia, kompresnou silou, polohou chladiacej platne, smerom odvetrávania a cieľom testu bezpečnosti. Podložka by sa mala overiť v skutočnej zostave modulov, nielen na plochej laboratórnej vzorke.

Pre rýchle vyhodnotenie odošlite veľkosť bunky, výkres modulu, cieľovú hrúbku, rozsah kompresie, udalosť maximálnej teploty a ročný objem. Malá vyseknutá vzorka aerogélu môže pomôcť potvrdiť montáž pred sériovou výrobou nástrojov.

FAQ

Čo sú aerogélové izolačné podložky pre batérie EV?

Sú to tenké podložky tepelnej bariéry na báze aerogélu používané vo vnútri batérií EV na zníženie prenosu tepla, spomalenie šírenia tepla a na podporu bezpečnostného dizajnu batérie.

Prečo sa aerogél používa v batériách EV?

Aerogél sa používa, pretože poskytuje silnú tepelnú izoláciu v ľahkej a tenkej forme. To pomáha konštruktérom batérií chrániť články bez zbytočného plytvania priestorom.

Zastavia aerogélové vložky tepelný únik?

Aerogélové podložky nezabránia zlyhaniu každej bunky. Ich účelom je spomaliť alebo pomôcť zastaviť šírenie tepla z jedného zlyhávajúceho článku do blízkych článkov v závislosti od dizajnu kompletného balenia.

Kde sú aerogélové vložky umiestnené v batérii?

Môžu byť umiestnené medzi článkami, medzi modulmi, v blízkosti prípojníc, pod kryty balenia, vedľa vetracích ciest alebo v bariérových zónach na úrovni balenia.

Sú aerogélové vložky elektricky izolované?

Mnoho aerogélových batériových podložiek je navrhnutých s elektrickým izolačným výkonom, ale presná dielektrická pevnosť závisí od štruktúry produktu a skúšobnej metódy. Vždy skontrolujte údajový list dodávateľa.

Sú aerogélové vložky lepšie ako sľudové obliečky?

Riešia rôzne problémy. Aerogél je silný pre tenkú tepelnú izoláciu, zatiaľ čo sľuda je silná pre dielektrikum a ohňovzdorné vlastnosti. Mnoho EV balení môže používať oba materiály v rôznych vrstvách.

Môžu aerogélové vložky nahradiť kompresné vložky?

Niekedy môžu podporovať tepelné aj kompresné funkcie, ale nie vždy. Musí sa overiť napučiavanie buniek, tlak zásobníka a dlhodobé stláčanie.

Poznámka odborníka

Aerogélové izolačné podložky batérií EV nie sú len mäkké dosky umiestnené medzi článkami. Sú to bezpečnostné tepelné bariéry, ktoré musia fungovať s chémiou článkov, vetraním, kompresiou, chladením, prípojnicami, senzormi, konektormi a vedením vysokonapäťových zväzkov.

Po 15 rokoch práce s automobilovými káblovými zväzkami, batériovými káblovými zväzkami pre elektromobily, vysokonapäťovými prepojeniami a vlastnými napájacími systémami vozidiel je moje pravidlo v teréne jednoduché: bezpečnosť batérie nikdy nevytvára len jeden materiál; vzniká tak, že každý materiál, drôt, konektor a tepelná cesta spolupracujú. Ak váš projekt batérie EV potrebuje aerogélové izolačné podložky, ochranu vysokonapäťového zväzku, izoláciu prípojníc alebo kontrolu tepelnej bariéry v štádiu vzorky, pred výrobou pošlite rozloženie článku, triedu napätia, trasu a cieľ validácie. Malá vzorka a skoré technické preskúmanie môže neskôr zabrániť oveľa väčšiemu zlyhaniu na úrovni balenia.

Referencie

1. Aspen Aerogels, 'PyroThin Thermal Runaway Barrier for EVs.' Aspen Aerogels PyroThin

2. NASA, 'Aerogély: tenšie, ľahšie, silnejšie.' Výskum aerogelov NASA

3. Southwest Research Institute, 'Štandardné testovanie batérií UL 2580.' Testovanie batérie SwRI UL 2580

4. SAE International, 'SAE J2464 Electric and Hybrid Electric Vehicles Rechargeable Energy Vehicle Storage System Safety and Abuse Testing.' SAE J2464

5. Aspen Aerogels, 'Zmiernenie tepelných únikov pre elektrické vozidlá.' Tepelné bariéry batérií Aspen Aerogels

6. NASA Spinoff, 'Aerogels Insulate Missions and Consumer Products.' Aplikácie aerogelu NASA Spinoff