เหตุใดโมดูลแบตเตอรี่ EV จึงต้องใช้แผ่นฉนวน Airgel

เมื่อเซลล์แบตเตอรี่ EV หนึ่งเซลล์เข้าสู่การระบายความร้อน ความร้อนสามารถแพร่กระจายไปยังเซลล์ข้างเคียง และเปลี่ยนความล้มเหลวเฉพาะจุดให้กลายเป็นไฟระดับโมดูล

วิธีแก้ปัญหาแบบพาสซีฟที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดคือการวางแผ่นฉนวนแอโรเจลที่ผ่านการตรวจสอบแล้วระหว่างเซลล์ที่อยู่ติดกันหรือเส้นทางการถ่ายเทความร้อนที่สำคัญอื่นๆ Airgel ให้ความต้านทานความร้อนสูงโดยมีความหนาค่อนข้างน้อย ทำให้น่าสนใจสำหรับโมดูลแบตเตอรี่ EV ขนาดกะทัดรัดและหนาแน่นด้านพลังงาน

ตัวอย่างซิลิกาแอโรเจลแสดงให้เห็นถึงโครงสร้างที่มีรูพรุนสูงซึ่งสัมพันธ์กับประสิทธิภาพของฉนวนความร้อน แหล่งที่มาของภาพ: วิทยาศาสตร์ของนาซา^[1].

เหตุใดจึงติดตั้งแผ่น Airgel ระหว่างเซลล์แบตเตอรี่ EV

หากไม่มีแผงกั้นความร้อนจากเซลล์สู่เซลล์ที่มีประสิทธิภาพ ความร้อนจากถุงที่ล้มเหลวหรือเซลล์ปริซึมสามารถไปถึงเซลล์ข้างเคียงได้เร็วพอที่จะกระตุ้นการแพร่กระจายความร้อน

การติดตั้งแผ่นแอโรเจลระหว่างเซลล์ที่อยู่ติดกันจะเพิ่มความต้านทานความร้อนและทำให้การถ่ายเทความร้อนที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าช้าลง ซึ่งช่วยให้โมดูลมีเวลามากขึ้นในการควบคุมเหตุการณ์ผ่านการแยกโครงสร้าง การระบายอากาศ การทำความเย็น การป้องกันไฟฟ้า และกลยุทธ์การจัดการแบตเตอรี่

การศึกษาวิจัยโดยผู้ทรงคุณวุฒิในปี 2023 เกี่ยวกับโมดูลแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่มีนิกเกิลสูง วัดค่าการนำความร้อนประมาณ 0.020 W/(m·K) สำหรับแผ่นซิลิกาแอโรเจลที่ทดสอบที่อุณหภูมิห้อง นักวิจัยพบว่าชั้นแอโรเจลที่เพียงพอสามารถยับยั้งการแพร่กระจายของความร้อนในการกำหนดค่าโมดูลเซลล์กระเป๋าโดยเฉพาะ^[2]

Airgel มีคุณค่าเพราะวิศวกรแบตเตอรี่ต่อสู้เพื่อมิลลิเมตรอยู่เสมอ แผงกั้นแบบธรรมดาที่มีความหนาสามารถลดปริมาณบรรจุภัณฑ์ที่ใช้งานได้ ในขณะที่แผงกั้นความร้อนประสิทธิภาพสูงบางสามารถช่วยรักษาความหนาแน่นของพลังงานโดยไม่ปล่อยให้เซลล์ข้างเคียงสัมผัสกับเหตุการณ์ที่ไม่สามารถควบคุมได้โดยตรง

แผ่น Airgel ช่วยหยุดการแพร่กระจายของความร้อนได้อย่างไร

หากฉนวนชะลอความร้อนเพียงไม่กี่วินาที แต่ไม่สามารถรักษาเซลล์ข้างเคียงให้ต่ำกว่าอุณหภูมิวิกฤติได้ ความร้อนที่หนีออกไปอาจดำเนินต่อไปตลอดทั้งโมดูล

เป้าหมายที่ถูกต้องไม่ใช่เพียงการใช้แอโรเจลเท่านั้น แต่ยังต้องใช้ความต้านทานความร้อนที่ผ่านการตรวจสอบเพียงพอสำหรับเคมีของเซลล์จริง สถานะประจุ การบีบอัด และเรขาคณิตของโมดูล Airgel ควรได้รับการปฏิบัติเสมือนเป็นส่วนหนึ่งของระบบควบคุมการแพร่กระจายความร้อนโดยสมบูรณ์

การศึกษา ปี 2025 Journal of Energy Storage ทดสอบความรู้สึกของซิลิกาแอโรเจลเสริมแรงด้วยกลไกระหว่างเซลล์ของถุงแบบไตรภาค ในการกำหนดค่าการทดสอบนั้น รู้สึกว่าแอโรเจลขนาด 2 มม. สามารถป้องกันการส่งผ่านความร้อนที่ควบคุมไม่ได้ ในขณะที่ตัวอย่างขนาด 1 มม. ทำให้การแพร่กระจายล่าช้า แต่ไม่ได้ป้องกันภายใต้สภาวะที่ทดสอบ^[3]

นี่ ไม่ได้ หมายความว่าแบตเตอรี่ EV ทุกก้อนต้องใช้แผ่นรองขนาด 2 มม. มันแสดงให้เห็นว่าเหตุใดวิศวกรจึงไม่ควรเลือกความหนาของแอโรเจลจากแผนภูมิทั่วไปเพียงอย่างเดียว เซลล์ต่างๆ สามารถปล่อยความร้อนในปริมาณที่แตกต่างกันมากระหว่างการระบายความร้อน

โซลูชัน UL ประเมินการแพร่กระจายความร้อนของแบตเตอรี่ EV ที่ระดับเซลล์ โมดูล และแพ็ค และพิจารณาประสิทธิภาพของแผงกั้นป้องกันการแพร่กระจายและวัสดุฉนวนโดยเฉพาะ วิธีการทดสอบดังกล่าวสะท้อนถึงหลักการทางวิศวกรรมที่สำคัญ ข้อมูลวัสดุเพียงอย่างเดียวไม่สามารถพิสูจน์ความปลอดภัยของแบตเตอรี่ได้^[4]

ควรระบุแผ่นฉนวน EV Airgel อย่างไร

การซื้อแผ่นเจลแอโรเจลโดยการนำความร้อนและราคาเพียงอย่างเดียวอาจทำให้เกิดความล้มเหลวในการบีบอัด การป้องกันความร้อนไม่เพียงพอ ความไม่เสถียรของขนาด หรือความล้มเหลวในการตรวจสอบแบตเตอรี่ในขั้นตอนสุดท้าย

แนวทางแก้ไขที่ถูกต้องคือการระบุความหนา ความต้านทานความร้อน พฤติกรรมการบีบอัด สมรรถนะของไดอิเล็กทริก ความทนทานต่อมิติ ความทนทาน และข้อกำหนดในการบูรณาการเข้าด้วยกัน แผ่นสุดท้ายต้องได้รับการตรวจสอบภายใต้เงื่อนไขของโมดูลแบตเตอรี่จริง ไม่ใช่แค่ที่อุณหภูมิห้องเท่านั้น

SAE J2464 ให้คำแนะนำในการทดสอบในทางที่ผิดสำหรับระบบจัดเก็บพลังงานแบบชาร์จได้ของรถยนต์ไฟฟ้าและไฮบริดในระดับเซลล์ โมดูล และแพ็ค เป็นการตอกย้ำความจำเป็นในการประเมินพฤติกรรมของระบบแบตเตอรี่ภายใต้สภาวะที่อยู่นอกช่วงการทำงานปกติ แทนที่จะอาศัยเฉพาะข้อกำหนดเฉพาะของวัสดุ^[5]

นอกจากนี้ Airgel ยังไม่สามารถแทนที่การออกแบบช่องระบายอากาศ การระบายความร้อน การหลอมรวม การหยุดชะงักของกระแสไฟฟ้า การตรวจสอบ BMS การป้องกันโครงสร้าง หรือการแยกไฟฟ้าแรงสูง การหนีความร้อนสามารถถ่ายเทพลังงานผ่านพื้นผิวเซลล์ บัสบาร์ แผ่นทำความเย็น กรอบโมดูล ก๊าซร้อน เปลวไฟ และตัวนำไฟฟ้า

ต้องการตัวอย่างแผ่นฉนวน Airgel สำหรับโมดูลแบตเตอรี่ EV หรือไม่

ส่งคุณสมบัติทางเคมีของเซลล์ ขนาดเซลล์ ช่องว่างที่มีอยู่ ความหนาของเป้าหมาย ข้อกำหนดการบีบอัด การวาดโมดูล เป้าหมายการตรวจสอบการหนีความร้อน และปริมาณรายปีเพื่อตรวจสอบวัสดุและโครงสร้างเบื้องต้น

คำถามที่พบบ่อย

การใช้ข้อกำหนดจำเพาะของแอโรเจลทั่วไปโดยไม่มีการทดสอบโมดูลอาจสร้างความรู้สึกผิดๆ เกี่ยวกับความปลอดภัย และทำให้เกิดการออกแบบใหม่ซึ่งมีราคาแพงหลังการทดสอบการแพร่กระจายความร้อน

ใช้คำตอบเหล่านี้เป็นจุดเริ่มต้นทางวิศวกรรม จากนั้นตรวจสอบโครงสร้างฉนวนขั้นสุดท้ายในโมดูลแบตเตอรี่จริง

แผ่นแอโรเจลทำหน้าที่อะไรในแบตเตอรี่ EV

แผ่นแอโรเจลเพิ่มความต้านทานความร้อนระหว่างเซลล์ ชะลอการถ่ายเทความร้อนจากเซลล์ที่ล้มเหลว และช่วยลดความเสี่ยงของการแพร่กระจายความร้อนที่ไหลออกจากเซลล์สู่เซลล์

Aerogel สามารถหยุดการระบายความร้อนของแบตเตอรี่ EV ได้อย่างสมบูรณ์หรือไม่

ไม่ได้ แอโรเจลไม่สามารถป้องกันทุกเซลล์ที่เสียหายได้ แผงกั้นที่ได้รับการออกแบบอย่างเหมาะสมสามารถช่วยหยุดหรือชะลอการแพร่กระจายในโมดูลที่ได้รับการตรวจสอบแล้ว แต่ความปลอดภัยของแบตเตอรี่ยังคงขึ้นอยู่กับการระบายความร้อน การระบายอากาศ การป้องกันทางไฟฟ้า โครงสร้าง เซ็นเซอร์ และกลยุทธ์การควบคุม

แผ่นแบตเตอรี่ Aerogel ควรมีความหนาเท่าใด

ไม่มีความหนาสากล ค่าที่ถูกต้องขึ้นอยู่กับเคมีของเซลล์ พลังงาน สถานะประจุ ระยะห่าง การบีบอัด ความรุนแรงของการหนี พื้นที่บรรจุภัณฑ์ที่มีอยู่ และการทดสอบการแพร่กระจายที่จำเป็น

Aerogel ดีกว่าไมกาสำหรับแบตเตอรี่ EV หรือไม่

ไม่ใช่ในทุกแอปพลิเคชัน Airgel มีคุณสมบัติต้านทานความร้อนสูงในพื้นที่จำกัด ในขณะที่ไมกาสามารถเป็นฉนวนไฟฟ้าที่แข็งแกร่งและมีเสถียรภาพทางโครงสร้าง การออกแบบแบตเตอรี่ EV บางประเภทผสมผสานวัสดุหลายชนิดเข้าด้วยกันเพื่อให้เกิดทั้งการป้องกันความร้อนและอิเล็กทริก

แผ่นแอโรเจลเป็นฉนวนไฟฟ้าด้วยหรือไม่

สามารถทำได้ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับการก่อสร้างวัสดุที่สมบูรณ์ วิศวกรควรตรวจสอบความแข็งแรงของไดอิเล็กตริก ชั้นพื้นผิว สภาพของขอบ ความหนา การสัมผัสความชื้น และแรงดันไฟฟ้าที่ใช้งานจริง แทนที่จะคิดว่าแผ่นแอโรเจลทุกแผ่นมีฉนวนไฟฟ้าเหมือนกัน

คำแนะนำจากผู้เชี่ยวชาญขั้นสุดท้าย

จากประสบการณ์ 15 ปีในการทำงานชุดสายไฟรถยนต์และการรวมระบบไฟฟ้า EV ฉันแนะนำให้ประเมินแผ่นแอโรเจลร่วมกับเซลล์แบตเตอรี่ บัสบาร์ ชุดสายไฟแรงสูง เซ็นเซอร์อุณหภูมิ แผ่นทำความเย็น ขั้วต่อ ระบบฟิวส์ และกล่องหุ้ม การหนีความร้อนไม่ได้เดินตามเส้นทางเดียวเท่านั้น ดังนั้นโมดูลแบตเตอรี่ที่ปลอดภัยที่สุดจึงเป็นโมดูลที่ผ่านการตรวจสอบแล้วว่าเป็นระบบไฟฟ้า ความร้อน และเครื่องกลที่สมบูรณ์

สำหรับตัวอย่างแผ่นฉนวนแอโรเจล การตรวจสอบแผงกั้นความร้อนของแบตเตอรี่ การประเมินต้นแบบ หรือโครงการฉนวน EV แบบกำหนดเอง โปรดจัดเตรียมแบบร่างโมดูลและข้อกำหนดทางเทคนิคของคุณก่อนที่จะแช่แข็งข้อมูลจำเพาะของวัสดุ

การอ้างอิงที่เชื่อถือได้

[1]วิทยาศาสตร์ของนาซ่า — ตัวอย่างแอโรเจล

[2]ความปลอดภัยของกระบวนการและการคุ้มครองสิ่งแวดล้อม — ยับยั้งการแพร่กระจายความร้อนโดยใช้แผ่นซิลิกาแอโรเจล

[3]วารสารการจัดเก็บพลังงาน — ซิลิกาแอโรเจลเสริมแรงด้วยกลไกเพื่อยับยั้งการแพร่กระจายที่ควบคุมไม่ได้ด้วยความร้อน

[4]โซลูชัน UL — การทดสอบการใช้แบตเตอรี่ EV ในทางที่ผิด ไฟ และการแพร่กระจายความร้อน

[5]SAE International - SAE J2464 RESS การทดสอบความปลอดภัยและการละเมิด