แผ่นฉนวน Airgel แบตเตอรี่ EV คืออะไร? คู่มือแผงกั้นความร้อน

หากเซลล์แบตเตอรี่ EV ได้รับการบรรจุอย่างแน่นหนาโดยไม่มีแผงกั้นความร้อนที่เหมาะสม เซลล์ที่มีความร้อนสูงเกินไปหนึ่งเซลล์สามารถถ่ายเทความร้อนไปยังเซลล์ข้างเคียง ทำให้เกิดการแพร่กระจายความร้อน ทำให้ชุดแบตเตอรี่เสียหาย และสร้างความเสี่ยงร้ายแรงต่อความปลอดภัยจากอัคคีภัย

วิธีแก้ปัญหาที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดคือการวาง แผ่นฉนวนแอโรเจลของแบตเตอรี่ EV ระหว่างเซลล์ โมดูล โซนบัสบาร์ หรือจุดร้อนระดับแพ็ค เพื่อชะลอการถ่ายเทความร้อน ดูดซับความเครียดจากการบีบอัด และช่วยควบคุมการแพร่กระจายของความร้อน

แผ่นฉนวนแอโรเจลของแบตเตอรี่ EV เป็นวัสดุกั้นความร้อนน้ำหนักเบาพิเศษที่ใช้ภายในชุดแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน สิ่งเหล่านี้มีคุณค่าอย่างยิ่งในแพ็ค EV ความหนาแน่นสูง ซึ่งทุกมิลลิเมตรส่งผลต่อความหนาแน่นของพลังงาน ความปลอดภัย และความน่าเชื่อถือในการประกอบ

แหล่งที่มาของภาพ: ทรัพยากรวิศวกรรมแผงกั้นความร้อน Aspen Aerogels PyroThin^[1]

แผ่นฉนวน Airgel แบตเตอรี่ EV คืออะไร?

ถ้าคำว่า 'แผ่นแอโรเจล' ถือเป็นฉนวนโฟมหรือฟองน้ำธรรมดา ชุดแบตเตอรี่อาจสูญเสียการป้องกันที่สำคัญต่อการถ่ายเทความร้อน การเปลี่ยนแปลงการบีบอัด และการแพร่กระจายความร้อนที่หนีไม่พ้น

คำตอบที่ถูกต้องคือแผ่นฉนวนแอโรเจลของแบตเตอรี่ EV เป็นตัวกั้นความร้อนที่บางและน้ำหนักเบา ทำจากวัสดุที่มีส่วนประกอบหลักเป็นแอโรเจล และออกแบบมาเพื่อการปกป้องเซลล์ โมดูล หรือแพ็คของลิเธียมไอออน

Aspen Aerogels อธิบายว่า PyroThin นั้นเป็นฉนวนที่บางเฉียบ น้ำหนักเบา และกั้นไฟ ซึ่งได้รับการออกแบบมาเพื่อลดการระบายความร้อนที่ระดับเซลล์สู่เซลล์ โมดูล และแผงกั้นแพ็ค^[1] ในการออกแบบแบตเตอรี่ในทางปฏิบัติ แผ่นอิเล็กโทรดเหล่านี้จะอยู่ในตำแหน่งที่ต้องชะลอ ปิดกั้น หรือเปลี่ยนเส้นทางความร้อน

เหตุใดจึงใช้แผ่น Airgel ในชุดแบตเตอรี่ EV

หากชุดแบตเตอรี่พลังงานสูงอาศัยการระบายความร้อนด้วยของเหลวและการตรวจสอบ BMS เท่านั้น อาจตรวจพบข้อผิดพลาดแต่ยังคงล้มเหลวในการชะลอการถ่ายเทความร้อนทางกายภาพเมื่อเซลล์เข้าสู่การระบายความร้อน

ทางออกที่ดีกว่าคือการรวมการจัดการระบายความร้อนแบบแอคทีฟเข้ากับแผ่นฉนวนแอโรเจลแบบพาสซีฟ ดังนั้นแพ็คจึงมีทั้งการควบคุมการตรวจสอบและความต้านทานการแพร่กระจายทางกายภาพ

การหนีความร้อนไม่ได้เป็นเพียงปัญหาอุณหภูมิเท่านั้น มันเป็นปัญหาปฏิกิริยาลูกโซ่ แผ่นแอโรเจลที่ดีจะช่วยให้ก้อนแบตเตอรี่มีเวลามากขึ้นโดยการลดการนำความร้อนจากเซลล์เริ่มต้นไปยังเซลล์ใกล้เคียง

ผิด: สมมติว่าแผ่นทำความเย็นเพียงอย่างเดียวสามารถหยุดเหตุการณ์ความร้อนทุกอย่างได้ ถูกต้อง: การใช้การทำความเย็น การระบายอากาศ เซ็นเซอร์ ตรรกะ BMS และแผงกั้นแอโรเจลร่วมกัน

แผ่นฉนวน Airgel หยุดการถ่ายเทความร้อนได้อย่างไร

หากความร้อนเคลื่อนผ่านปึกแบตเตอรี่เร็วเกินไป เซลล์ที่อยู่ติดกันอาจมีอุณหภูมิที่เป็นอันตรายก่อนที่ BMS แผ่นทำความเย็น หรือเส้นทางระบายอากาศจะสามารถควบคุมเหตุการณ์ได้

วิธีแก้ปัญหาโดยตรงคือการใช้โครงสร้างที่มีรูพรุนระดับนาโนของแอโรเจลเพื่อจำกัดการเคลื่อนที่ของก๊าซและลดการถ่ายเทความร้อนที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าผ่านชั้นฉนวน

NASA อธิบายว่าแอโรเจลมีรูพรุนมาก มีความหนาแน่นต่ำมาก และมีประสิทธิภาพสูงในการป้องกันการถ่ายเทความร้อนเนื่องจากรูพรุนของพวกมันอยู่ในช่วงนาโนเมตร^[2] สิ่งนี้ทำให้แอโรเจลมีคุณค่าในกรณีที่ฉนวนบางต้องทำงานได้ดีกว่าโฟมโพลีเมอร์ธรรมดา

แหล่งที่มาของภาพ: การวิจัยวัสดุฉนวนของ NASA airgel^[2]

'ซีรีส์' หมายถึงอะไรในแผ่นฉนวนแอโรเจลซีรีส์แบตเตอรี่ EV

หากเข้าใจผิดว่า 'series' เป็นส่วนประกอบทางไฟฟ้าพิเศษ อาจเลือกแผ่นอิเล็กโทรดผิดตำแหน่งภายในก้อนแบตเตอรี่

การตีความที่ถูกต้องคือ 'แผ่นฉนวนแอโรเจลซีรีส์แบตเตอรี่ EV' มักจะหมายถึงแผ่นแอโรเจลที่ใช้กับเซลล์แบตเตอรี่ที่เชื่อมต่อแบบอนุกรมหรือการจัดเรียงโมดูล ไม่ใช่แผ่นที่นำกระแสไฟฟ้าแบบอนุกรม

ชุด EV ประกอบด้วยเซลล์ที่เชื่อมต่อแบบอนุกรมและขนานเพื่อให้ได้แรงดันไฟฟ้าและความจุเป้าหมาย โดยปกติแผ่น Airgel จะเป็นชิ้นส่วนทางความร้อนและกลไกที่ไม่มีกระแสไฟฟ้าซึ่งวางอยู่ใกล้กับเส้นทางชุดเซลล์ สแต็กของโมดูล หรือโครงสร้างกั้นแพ็ค

แผ่น Airgel แตกต่างจากไมกา โฟม หรือเซรามิกไฟเบอร์อย่างไร

หากเลือกแผ่นแบตเตอรี่ EV ตามราคาหรือความหนาเท่านั้น แบตเตอรี่อาจสูญเสียความสมดุลระหว่างการปิดกั้นความร้อน การกู้คืนแรงอัด ความเป็นฉนวน น้ำหนัก และความทนทานต่อการประกอบ

ทางออกที่ดีที่สุดคือการเปรียบเทียบแอโรเจล ไมก้า โฟม และเซรามิกไฟเบอร์ตามโหมดความล้มเหลวที่เกิดขึ้นจริง: การหนีความร้อน การบวมของเซลล์ การสั่นสะเทือน การแยกทางไฟฟ้า การสัมผัสกับเปลวไฟ หรือเป้าหมายต้นทุน

โดยปกติแล้วจะเลือกใช้ Airgel เมื่อบรรจุภัณฑ์ต้องการฉนวนที่แข็งแรงในรูปแบบที่บางและน้ำหนักเบา ไมกามีความแข็งแกร่งในด้านคุณสมบัติเป็นฉนวนและกันไฟ โฟมมีประโยชน์ในการดูดซับแรงอัดและการทนต่อความทนทาน และใช้เส้นใยเซรามิกในกรณีที่ทนความร้อนสูงได้

แผ่น Airgel ติดตั้งอยู่ที่ไหนในโมดูลแบตเตอรี่ EV

หากวางแผ่นแอโรเจลแบบสุ่มโดยไม่คำนึงถึงการไหลของความร้อน ทิศทางการระบายอากาศ โหลดการบีบอัด และเส้นทางสายรัด แผ่นยังคงอาจได้รับผลกระทบจากการแพร่กระจายความร้อนหรือการรบกวนทางกล

แนวทางแก้ไขที่ถูกต้องคือการวางแผ่นแอโรเจลตามเส้นทางการแพร่กระจายความร้อน เคมีของเซลล์ ความดันปึกโมดูล ตำแหน่งของแผ่นทำความเย็น และระยะห่างของสายรัดไฟฟ้าแรงสูง

สำหรับเซลล์แบบถุงและแบบแท่งปริซึม โดยทั่วไปจะวางแผ่นอิเล็กโทรดไว้ระหว่างใบหน้าเซลล์ขนาดใหญ่ สำหรับเซลล์ทรงกระบอก แอโรเจลอาจใช้เป็นแผ่น ปลอก อุปกรณ์กั้นโมดูล หรือชั้นแยกระดับแพ็ค ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับสถาปัตยกรรม

สำหรับโครงการ OEM หรือชุดแบตเตอรี่ ให้ส่งข้อกำหนดรูปแบบเซลล์ เคมี ความดันปล่อง ภาพวาดของโมดูล เส้นทางระบายอากาศ และข้อกำหนดการทดสอบความร้อนก่อนเลือกแผ่นอิเล็กโทรดขั้นสุดท้าย การตัดตัวอย่างเพียงเล็กน้อยสามารถเผยให้เห็นถึงความพอดี การบีบอัด และความเสี่ยงในการประกอบก่อนใช้เครื่องมือ

แผ่น Airgel ทำงานอย่างไรกับระบบลากสายรถยนต์

หากชุดสายไฟแรงสูง ชุดสายไฟตรวจจับ หรือฉนวนบัสบาร์อยู่ใกล้เกินไปกับเส้นทางการแพร่กระจายความร้อน ฉนวนอาจเสื่อมสภาพ ขั้วต่ออาจหลวม และสัญญาณการวินิจฉัยอาจล้มเหลวในระหว่างเกิดข้อผิดพลาด

ทางออกที่ดีกว่าคือการออกแบบแผ่นฉนวนแอโรเจลร่วมกับสายไฟ HV เส้นตรวจจับแรงดันไฟฟ้า เซ็นเซอร์อุณหภูมิ ฝาครอบบัสบาร์ และกลยุทธ์การปิดผนึกบรรจุภัณฑ์

ความปลอดภัยของแบตเตอรี่ไม่ใช่แค่เคมีของเซลล์เท่านั้น เป็นการออกแบบทั้งระบบที่เกี่ยวข้องกับแผงกั้นเซลล์ การกำหนดเส้นทางชุดสายไฟแรงสูง ช่องระบายอากาศ การวางตำแหน่งเซ็นเซอร์ การต่อสายดิน การป้องกัน และการป้องกันตัวเชื่อมต่อ

ข้อมูลประสิทธิภาพใดที่ผู้ซื้อควรตรวจสอบ?

หากซัพพลายเออร์ระบุเฉพาะความหนาและราคา ผู้ซื้อไม่สามารถตัดสินได้ว่าแผ่นอิเล็กโทรดจะทนทานต่อการบีบอัด การสัมผัสกับความร้อน เปลวไฟ ความชื้น การสั่นสะเทือน หรือความเครียดจากการประกอบแพ็คหรือไม่

วิธีแก้ปัญหาที่ถูกต้องคือการขอเอกสารข้อมูลทางเทคนิค ข้อมูลการนำความร้อน กราฟแรงอัด ผลการทดสอบไดอิเล็กทริก ข้อมูลความต้านทานเปลวไฟ ช่วงอุณหภูมิในการทำงาน และข้อมูลอายุ

Aspen Aerogels ตั้งข้อสังเกตว่าแพลตฟอร์มแอโรเจลสามารถปรับให้เหมาะสมสำหรับการนำความร้อน ความหนา และการตอบสนองการบีบอัด^[1] นี่เป็นพารามิเตอร์ที่วิศวกรแบตเตอรี่ควรตรวจสอบก่อนเลือกแผ่นอิเล็กโทรด

มาตรฐานใดบ้างที่เกี่ยวข้องกับแผ่น Airgel ของแบตเตอรี่ EV

หากเลือกแผ่นแอโรเจลโดยไม่เชื่อมโยงกับการตรวจสอบความปลอดภัยของแบตเตอรี่ วัสดุอาจดูดีเยี่ยมเมื่อแยกออกจากกัน แต่ไม่รองรับการรับรองระดับแพ็คหรือการทดสอบการละเมิด

วิธีแก้ไขที่ถูกต้องคือการเชื่อมต่อการเลือกแผ่นอิเล็กโทรดกับการทดสอบความปลอดภัยของแบตเตอรี่ EV เช่น ข้อกำหนดด้านความร้อน เครื่องกล ไฟฟ้า สิ่งแวดล้อม และการทดสอบการใช้งานในทางที่ผิด

SwRI อธิบายว่าการทดสอบ UL 2580 จะประเมินความปลอดภัยของแบตเตอรี่ EV ในการทดสอบทางไฟฟ้า เครื่องกล ความร้อน สิ่งแวดล้อม และความปลอดภัย^[3] SAE J2464 อธิบายการทดสอบการใช้งานในทางที่ผิดที่อาจใช้สำหรับระบบจัดเก็บพลังงานแบบชาร์จไฟได้ของรถยนต์ไฟฟ้าและไฮบริด^[4]

ผิด: การถามว่าแผ่นแอโรเจลเพียงอย่างเดียว 'ผ่าน UL 2580' หรือ ไม่ ถูกต้อง: การทดสอบส่วนประกอบแบตเตอรี่ทั้งหมด เนื่องจากรูปทรงของแพ็ค เคมีของเซลล์ การระบายอากาศ การเดินสายไฟ และการวางแผงกั้น ล้วนส่งผลต่อผลลัพธ์สุดท้าย

คุณควรเลือกแผ่น Airgel สำหรับโครงการแบตเตอรี่ EV อย่างไร

หากเลือกแผ่นอิเล็กโทรดหลังจากรูปแบบแพ็คถูกแช่แข็งแล้ว วิศวกรอาจถูกบังคับให้มีความหนาไม่ดี มีการบีบอัดไม่ดี มีการปิดกั้นการระบายอากาศ หรือมีระยะห่างของสายรัดที่ไม่ปลอดภัย

ทางออกที่ดีที่สุดคือการให้ซัพพลายเออร์แผ่นแอโรเจลและซัพพลายเออร์ชุดสายไฟมีส่วนร่วมตั้งแต่เนิ่นๆ ในระหว่างการจัดวางโมดูล การกำหนดเส้นทางไฟฟ้าแรงสูง และการจำลองการแพร่กระจายความร้อน

กระบวนการคัดเลือกที่ดีเริ่มต้นด้วยรูปแบบของเซลล์ เคมี ความหนาแน่นของพลังงาน ความหนาของแพ็คเป้าหมาย แรงอัด ตำแหน่งแผ่นทำความเย็น ทิศทางการระบายอากาศ และเป้าหมายการทดสอบความปลอดภัย แผ่นอิเล็กโทรดควรได้รับการตรวจสอบความถูกต้องในชุดโมดูลจริง ไม่ใช่เฉพาะในตัวอย่างในห้องปฏิบัติการแบบเรียบเท่านั้น

เพื่อการประเมินที่รวดเร็ว ให้ส่งขนาดเซลล์ของคุณ การวาดโมดูล ความหนาของเป้าหมาย ช่วงการบีบอัด เหตุการณ์อุณหภูมิสูงสุด และปริมาตรต่อปี ตัวอย่างแอโรเจลแบบไดคัทขนาดเล็กสามารถช่วยยืนยันการประกอบก่อนที่จะใช้เครื่องมือในการผลิตจำนวนมาก

คำถามที่พบบ่อย

แผ่นฉนวนแอโรเจลแบตเตอรี่ EV คืออะไร

เป็นแผ่นกั้นความร้อนที่ใช้แอโรเจลบางๆ ซึ่งใช้ภายในชุดแบตเตอรี่ EV เพื่อลดการถ่ายโอนความร้อน การแพร่กระจายความร้อนช้า และรองรับการออกแบบความปลอดภัยของแบตเตอรี่

เหตุใดจึงใช้ Aerogel ในแบตเตอรี่ EV

มีการใช้ Airgel เนื่องจากมีฉนวนกันความร้อนที่แข็งแกร่งในรูปแบบน้ำหนักเบาและบาง ช่วยให้วิศวกรแบตเตอรี่ปกป้องเซลล์โดยไม่ต้องเปลืองพื้นที่บรรจุมากเกินไป

แผ่น Aerogel จะหยุดการระบายความร้อนหรือไม่?

แผ่นแอโรเจลไม่ได้ป้องกันทุกเซลล์ไม่ให้เสียหาย จุดประสงค์คือเพื่อชะลอหรือช่วยหยุดการแพร่กระจายความร้อนจากเซลล์ที่เสียหายไปยังเซลล์ใกล้เคียง ขึ้นอยู่กับการออกแบบบรรจุภัณฑ์ที่สมบูรณ์

แผ่นแอโรเจลวางอยู่ในชุดแบตเตอรี่อยู่ที่ไหน

สามารถวางไว้ระหว่างเซลล์ ระหว่างโมดูล ใกล้บัสบาร์ ด้านล่างฝาครอบแพ็ค ข้างทางระบายอากาศ หรือในโซนกั้นระดับแพ็ค

แผ่นแอโรเจลเป็นฉนวนไฟฟ้าหรือไม่?

แผ่นแบตเตอรี่แอโรเจลหลายตัวได้รับการออกแบบให้มีประสิทธิภาพเป็นฉนวนไฟฟ้า แต่ค่าความเป็นฉนวนที่แน่นอนนั้นขึ้นอยู่กับโครงสร้างผลิตภัณฑ์และวิธีการทดสอบ ตรวจสอบเอกสารข้อมูลของซัพพลายเออร์เสมอ

แผ่นแอโรเจลดีกว่าแผ่นไมกาหรือไม่?

พวกเขาแก้ปัญหาที่แตกต่างกัน Airgel มีความแข็งแกร่งสำหรับฉนวนกันความร้อนแบบบาง ในขณะที่ไมก้ามีความแข็งแรงสำหรับฉนวนไฟฟ้าและฉนวนกันไฟ EV Pack จำนวนมากอาจใช้วัสดุทั้งสองชนิดในชั้นที่ต่างกัน

แผ่นแอโรเจลสามารถทดแทนแผ่นบีบอัดได้หรือไม่?

บางครั้งสามารถรองรับทั้งฟังก์ชันระบายความร้อนและการบีบอัดได้ แต่ไม่เสมอไป การบวมของเซลล์ แรงกดทับซ้อน และพฤติกรรมการบีบอัดในระยะยาวต้องได้รับการตรวจสอบ

หมายเหตุจากผู้เชี่ยวชาญ

แผ่นฉนวนแอโรเจลแบตเตอรี่ EV ไม่ใช่แค่แผ่นนุ่มที่วางอยู่ระหว่างเซลล์ เป็นแผงกั้นความร้อนที่มีความสำคัญด้านความปลอดภัย ซึ่งต้องทำงานร่วมกับเคมีของเซลล์ การระบายอากาศ การบีบอัด การทำความเย็น บัสบาร์ เซ็นเซอร์ ขั้วต่อ และการกำหนดเส้นทางชุดสายไฟแรงดันสูง

หลังจากทำงานกับชุดสายไฟรถยนต์ ชุดสายเคเบิลแบตเตอรี่ EV การเชื่อมต่อไฟฟ้าแรงสูง และระบบจ่ายไฟของยานพาหนะแบบกำหนดเองมาเป็นเวลา 15 ปี กฎภาคสนามของฉันนั้นเรียบง่าย: ความปลอดภัยของแบตเตอรี่ไม่เคยสร้างด้วยวัสดุเพียงชนิดเดียว มันถูกสร้างขึ้นโดยวิธีที่วัสดุ สายไฟ ขั้วต่อ และเส้นทางความร้อนทำงานร่วมกัน หากโครงการแบตเตอรี่ EV ของคุณต้องการแผ่นฉนวนแอโรเจล การป้องกันสายรัด HV ฉนวนบัสบาร์ หรือการตรวจสอบแผงกั้นความร้อนในขั้นตอนตัวอย่าง ให้ส่งโครงร่างเซลล์ ระดับแรงดันไฟฟ้า เส้นทางการกำหนดเส้นทาง และเป้าหมายการตรวจสอบก่อนการผลิต ตัวอย่างเล็กๆ น้อยๆ และการตรวจสอบทางวิศวกรรมตั้งแต่เนิ่นๆ สามารถป้องกันความล้มเหลวในระดับแพ็คที่ใหญ่กว่ามากได้ในภายหลัง

อ้างอิง

1. Aspen Aerogels 'แผงกั้นความร้อนแบบไพโรธินสำหรับ EV' แอสเพน แอโรเจล ไพโรธิน

2. NASA, 'แอโรเจล: ทินเนอร์, เบากว่า, แข็งแกร่งกว่า' การวิจัยของนาซ่าแอร์เจล

3. สถาบันวิจัยตะวันตกเฉียงใต้ 'การทดสอบแบตเตอรี่มาตรฐาน UL 2580' การทดสอบแบตเตอรี่ SwRI UL 2580

4. SAE International, 'SAE J2464 รถยนต์ไฟฟ้าและไฮบริดของยานพาหนะไฟฟ้าแบบชาร์จได้ การทดสอบความปลอดภัยและการใช้งานในทางที่ผิด' แซ่เจ2464

5. Aspen Aerogels 'การบรรเทาความร้อนจากความร้อนสำหรับยานพาหนะไฟฟ้า' แผงกั้นความร้อนแบตเตอรี่ Aspen Aerogels

6. NASA Spinoff 'Aerogels ปกป้องภารกิจและผลิตภัณฑ์อุปโภคบริโภค' แอปพลิเคชั่น NASA Spinoff Airgel