Якої товщини має бути ізоляція аерогелю між елементами акумулятора EV?

Якщо аерогелевий бар’єр надто тонкий, тепло від несправної клітини може надто швидко досягати сусідньої; якщо він невиправдано товстий, пакет втрачає цінний об’єм клітин, збільшує вартість і може змінити стиснення клітин.

Немає універсальної товщини аерогелю для акумуляторів електромобілів — правильне значення потрібно вибрати з хімічного складу елемента, теплової енергії витікання, доступного зазору, стиснення, допустимої температури захищеної сторони та результатів перевірки модуля. Для призматичних і пакетних елементів інженерні бар’єри часто мають товщину лише кілька міліметрів, але остаточне значення має бути підтверджено фактичною архітектурою батареї.

Чи існує стандартна товщина аерогелю для батарей електромобілів?

Використання фіксованого правила, наприклад «2 мм аерогелю достатньо для кожної батареї», може призвести до недостатнього захисту високоенергетичних елементів або втрати місця в модулі з меншим ризиком.

Правильним рішенням є визначення товщини за необхідним термічним опором у фактичному стиснутому стані. На результат впливають формат комірки, хімічний склад, накопичена енергія, відстань, напрямок вентиляційних отворів, сила стиснення, конструкція бар’єру та допустима температура на сусідній комірці.

Компанія Aspen Aerogels заявляє, що її автомобільні осередкові бар’єри розроблені для конкретних цілей, включаючи теплопровідність, товщину та реакцію на стиснення , підкреслюючи, що товщина бар’єру є параметром конструкції, що залежить від застосування, а не універсальним числом.^[1]

Чи може бути достатньо аерогелевого бар’єру товщиною 2–3 мм?

Наведення успішного результату тесту 2–3 мм без урахування розміру елемента, компресії, шляхів нагрівання та вентиляції може створити помилкову впевненість у зовсім іншому акумуляторі.

Кілька міліметрів можуть бути технічно життєздатними в деяких призматичних конструкціях або конструкціях із мішковими осередками, але лише тоді, коли повне випробування модуля підтвердить необхідну затримку поширення. Товщина не може бути відокремлена від складу матеріалу та стану стиснення.

Аспен опублікував один приклад міні-модуля з використанням бар’єру PyroThin товщиною 2,35 мм, стисненого приблизно до 50% деформації між двома призматичними осередками на 62 Ач. У цьому конкретному тесті сусідня комірка не потрапила в тепловий відтік, але Аспен також зазначає, що міні-модуль ізолював деякі вторинні теплові шляхи, які є в реальній упаковці.^[2]

Таким чином, результат 2,35 мм є корисним інженерним прикладом, а не універсальною специфікацією EV.

Як компресія змінює необхідну товщину?

Бар’єр, вибраний лише за його товщиною без стиснення, може працювати зовсім по-різному, коли клітини набухають, а модуль стискає матеріал протягом усього терміну служби автомобіля.

Рішення полягає в тому, щоб оцінити стиснуту товщину і теплові характеристики як на початку, так і в кінці терміну служби. Призматичні та мішечні комірки можуть змінювати розмір під час циклювання, тому бар’єр також може діяти як компресійна прокладка, зберігаючи термічний опір.

Аспен конкретно визначає механічні показники, втому від стиснення та теплопровідність під час стиснення як критичні фактори конструкції для міжклітинних бар’єрів.^[3]

Які фактори визначають товщину аерогелю?

Вибір товщини лише на основі теплопровідності ігнорує інші шляхи тепла та механічні обмеження, які можуть домінувати у справжньому поширенні тепла.

Інженери повинні оцінити повний міжстійний інтерфейс перед тим, як заморозити товщину бар’єру. Найважливіші вхідні дані показані нижче.

Чому б просто не використати більш товстий аерогелевий бар’єр?

Збільшення розмірів кожного бар’єру комірки може зменшити щільність енергії упаковки, збільшити розміри модулів і вартість, а також завадити призначеній системі стиснення комірок.

Правильним рішенням є використання мінімально валідованої конструкції, яка відповідає вимогам щодо розповсюдження тепла та механічним вимогам із належним запасом конструкції. У великих пакетах електромобілів навіть додаткова частка міліметра, що повторюється через десятки чи сотні інтерфейсів осередків, може істотно вплинути на розміри пакета.

Це одна з причин, чому аерогель привабливий для міжклітинних бар’єрів: виробники можуть створити дуже високий термічний опір у відносно тонких, легких структурах.^[4]

Чи змінює клітинна хімія необхідну товщину аерогелю?

Використовуючи однакову конструкцію бар’єру для LFP, NMC та інших хімічних елементів клітини, можна не помітити серйозних відмінностей у поведінці теплового відходу, енергії клітини, вентиляції та архітектурі упаковки.

Бар’єр має бути налаштований відповідно до фактичної хімії клітини та поведінки тригерних клітин. Aspen зазначає, що його клітинні бар’єри розроблені для багатьох хімічних речовин, включаючи LFP, NMC та нові твердотільні системи, з профілями товщини та жорсткості, оптимізованими для конкретних застосувань.^[5]

Хімія важлива, але це не єдиний параметр. Ємність елемента, геометрія, стан заряду, відстань, стиснення, охолодження та сусідні структури можуть істотно змінити поведінку розповсюдження.

Чи слід вибирати товщину аерогелю перед тестуванням модуля?

Заморожування виробничої товщини тільки з опису матеріалу може призвести до дорогого перепроектування, якщо випробування на рівні модуля виявляють провідні, радіаційні або теплові шляхи вентиляційних газів, які не були представлені випробуванням зразка.

Використовуйте обчислення матеріалів і тестування на рівні комірок, щоб визначити початкову товщину, а потім перевірте повну конструкцію на рівні модуля або упаковки перед серійним випуском. Справжня батарея містить виступи, шини, охолоджувальні пластини, компресійні конструкції, зазори, кріплення, ізоляцію та вентиляційні шляхи, які можуть обійти основний бар’єр на поверхні елемента.

Аспен також стверджує, що модулі та блоки акумуляторів є складними системами, і що не існує універсального тесту на ефективність клітинного бар’єру до кінця терміну служби.^[3]

Як товщина аерогелю впливає на збірні шини та проводку акумуляторів?

Збільшення товщини елементного бар’єру без перевірки навколишньої електричної упаковки може змінити розміри стека модулів і створити додаткове навантаження на шини, датчики, з’єднувачі або прокладку високовольтних джгутів.

Правильним рішенням є перегляд товщини аерогелю разом із системою електричного з’єднання. Зміни в інтервалі осередків можуть змінити геометрію шин, довжину дроту датчика BMS, положення роз’єму, ізоляційний зазор і прокладку високовольтних кабелів навколо модуля.

З цієї причини зміну теплового бар’єру не слід розглядати як ізольовану заміну матеріалу. Відстань між осередками, стиснення, слюдяну ізоляцію, шини, силіконові прокладки, проводку BMS та інтерфейси високовольтних джгутів слід перевірити разом перед заморожуванням інструменту.

Потрібно визначити аерогелевий клітинний бар’єр?

Для інженерного огляду підготуйте хімічний склад комірки, ємність, розміри комірки, доступний зазор, вимоги до стиснення, цільовий діапазон товщини, напрямок вентиляційного отвору, вимоги до поширення тепла, САПР модуля та навколишню шину чи схему проводки.

Оцінка зразка повинна підтвердити як термічну продуктивність, так і механічну поведінку під тиском до того, як буде видано кінцеву товщину продукції.

FAQ

Яка типова товщина аерогелю між елементами батареї EV?

Універсальної товщини не існує. Сконструйовані коміркові бар’єри можуть мати товщину лише кілька міліметрів, але кінцеве значення залежить від матеріалу, конструкції комірки, стиснення та необхідної ефективності розповсюдження тепла.

Чи достатньо 2 мм аерогелю між елементами батареї?

Це може бути достатнім в одних конструкціях і недостатнім в інших. Товщина повинна бути перевірена з використанням фактичної хімії клітини, енергії, стиснення, теплових шляхів і архітектури модуля.

Чи зменшує стиснення аерогелю його тепловий захист?

Це залежить від конструкції аерогелю. Автомобільні осередкові бар’єри слід характеризувати за їх фактичним станом стиснення, оскільки механічна деформація змінює товщину та може впливати на температурну поведінку.

Чи завжди більш товстий аерогель безпечніший?

Ні. Більша товщина може підвищити термічний опір, але може зменшити щільність енергії упаковки, змінити стиснення комірки, збільшити вартість і вплинути на шину або геометрію проводки.

Чи потрібно перевіряти аерогель на рівні клітини чи модуля?

Обидва можуть бути корисними. Випробування на рівні клітинок допомагають захистити бар’єр, але валідація на рівні модулів і блоків є важливою, оскільки додаткові шляхи теплообміну та вентиляційного газу існують у повній системі акумуляторів.

15-річна перспектива автомобільних акумуляторів і джгутів

Базуючись на 15-річному досвіді роботи з автомобільними компонентами та джгутами, я б ніколи не назвав аерогелевий бар’єр просто «2 мм» або «3 мм», доки не зрозумів принцип акумуляторної батареї.

Правильна товщина — це мінімально підтверджена конструкція, яка контролює передачу тепла між комірками, водночас дотримуючись вимог до стиснення, упаковки, шин, чутливого дроту та високовольтної траси. У акумуляторній батареї електромобіля теплові матеріали та електричні з’єднання повинні бути розроблені разом.

Авторитетні посилання

[1] Аерогелі Aspen — міжклітинні теплові бар’єри PyroThin Airgel

[2] Aspen Aerogels — Тестування міні-модуля поширення тепла від клітини до клітини

[3] Aspen Aerogels — дизайн теплового бар’єру, стиснення та валідація

[4] Аерогелі Аспен — теплове розповсюдження та міжклітинні бар’єри

[5] Aspen Aerogels — Застосування теплового бар’єру батареї електромобілів