Termalni jastučići za EV bateriju — koji se nazivaju i jastučići za toplinsko sučelje baterije, jastučići za popunjavanje praznina ili toplinski vodljivi jastučići — mekani su, kompresibilni listovi toplinski vodljivog materijala postavljeni između baterijskih ćelija ili modula i rashladne ploče ispod njih. Njihova funkcija zvuči jednostavno: provođenje topline iz baterijskih ćelija u rashladni sustav. Ali inženjerski izazov koji rješavaju sve je samo ne trivijalan. Baterijske ćelije proizvode se s tolerancijama dimenzija koje proizvode male varijacije u visini i ravnosti površine preko modula. Bez podložnog međusloja, kontakt tvrdog metala na metal između ćelija i ploče za hlađenje pokrivao bi samo vrhove svake površine, ostavljajući većinu područja sučelja kao zračni raspor — a zrak je izuzetno loš vodič topline.
Termalni jastučić ispunjava te mikroskopske i makroskopske praznine prilagođavajući se pod umjerenom kompresijom na obje površine istovremeno. Ovaj intimni kontakt dramatično smanjuje toplinski kontaktni otpor na sučelju, stvarajući toplinski put niskog otpora od kućišta ćelije kroz jastučić do temeljne ploče hlađene tekućinom. U praktičnom smislu, razlika između neobloženog sučelja i pravilno specificirane termalne podloge može značiti razliku između ćelije koja radi na 35°C ili 55°C tijekom ciklusa brzog punjenja — temperaturna razlika koja ima duboke posljedice na trajanje baterije, sposobnost brzine punjenja i sigurnosnu marginu protiv toplinskog bijega.
Osim upravljanja toplinom, Termalne podloge za EV baterije također služe sekundarnim funkcijama koje su jednako važne u proizvodnom paketu baterija vozila. Oni pružaju električnu izolaciju između kućišta ćelije i rashladne ploče u izvedbama gdje je rashladna ploča uzemljena ili ima drugačiji potencijal. Oni apsorbiraju stres ekspanzije dok ćelije bubre tijekom punjenja i pražnjenja — litij-ionske ćelije mogu se proširiti za 2-5% kroz svoj ciklus punjenja, a bez usklađenog sloja, ovo širenje stvara mehanički stres u strukturi modula koji može oštetiti kućište ćelija ili odspojiti sabirnice. Desna toplinska podloga je istovremeno komponenta za prijenos topline, električni izolator i mehanički međuspremnik.
Toplinska vodljivost (izražena u W/m·K) je glavna specifikacija za bilo koju termalnu podlogu i prvi broj koji kupci uspoređuju. br vodljivost u izolaciji ne govori cijelu priču o tome kako će jastučić raditi u baterijskom paketu — debljina, ponašanje kompresije i kvaliteta kontakta s površinom međusobno djeluju kako bi se odredio stvarni toplinski otpor na sučelju, što je parametar koji izravno određuje koliko temperatura ćelije raste iznad temperature rashladne tekućine pod određenim toplinskim opterećenjem.
Otpor toplinskog sučelja (mjeren u cm²·K/W ili m²·K/W) kombinira veliku vodljivost jastučića s njegovom debljinom i kvalitetom kontakta s površinom. Jastučić s umjerenom vodljivošću od 3 W/m·K komprimiran na 0,5 mm debljine će nadmašiti jastučić s većom vodljivošću od 6 W/m·K komprimiran na 2 mm debljine, jer deblji jastučić ima više materijala za provođenje topline. Odnos je: toplinski otpor = debljina / (vodljivost × površina) . To znači da u paketu baterija gdje su tolerancije sklopa dobro kontrolirane i praznine su male, tanka, umjereno vodljiva podloga često daje bolju toplinsku izvedbu od debele, visoko vodljive - dok također košta manje i dodaje manju težinu.
Praktične vrijednosti vodljivosti na tržištu toplinskih jastučića za EV baterije kreću se od 1,5 W/m·K za osnovne jastučiće za popunjavanje praznina koje se koriste u aplikacijama male snage, preko 3-6 W/m·K za glavne dizajne baterijskih paketa za automobile, do 8-15 W/m·K za brzo punjenje visokih performansi i aplikacije u motosportu gdje je smanjivanje toplinskog otpora dominantno ograničenje dizajna bez obzira na cijenu. Iznad približno 10 W/m·K, termalna pasta ili materijali s faznom promjenom počinju se natjecati, iako nijedan ne nudi istu kombinaciju usklađenosti, lakoće sastavljanja i mogućnosti ponovne obrade koju pruža čvrsta termalna podloga u okruženju proizvodne linije.
Osnovni materijal toplinske podloge za EV bateriju određuje njezin temperaturni raspon, kemijsku kompatibilnost, dugotrajnu stabilnost, karakteristike kompresibilnosti i predstavlja li ikakav rizik od kontaminacije u okruženju sklopa baterije. Tri obitelji materijala dominiraju tržištem toplinskih jastučića za automobilske baterije, a svaka ima specifične snage koje je čine prikladnom za različite zahtjeve dizajna.
Termalni jastučići sa silikonskom matricom najrašireniji su tip u automobilskoj industriji. Silikon pruža inherentno širok raspon radne temperature (obično od −60°C do 200°C), izvrsnu dugotrajnu elastičnost koja održava silu kompresije i performanse popunjavanja praznina tijekom godina termičkog ciklusa, dobru kemijsku inertnost i kompatibilnost sa standardnim zahtjevima UL94 V-0 zapaljivosti za materijale baterijskog paketa. Toplinski vodljiva punila — aluminijev oksid, borov nitrid, aluminijev nitrid ili njihove kombinacije — raspršena su po silikonskoj matrici kako bi se postigla željena razina vodljivosti. Mekoća i prilagodljivost silikonske matrice osiguravaju intiman površinski kontakt čak i pri niskim pritiscima montaže, čineći silikonske jastučiće prikladnima za umjerene sile stezanja dostupne u većini dizajna baterijskih modula.
Primarno ograničenje toplinskih jastučića na bazi silikona u primjenama u električnim vozilima je oslobađanje plina od silikona. Silikonski materijali otpuštaju spojeve siloksana niske molekularne težine kao hlapljive organske spojeve (VOC) na povišenim temperaturama. U zatvorenoj bateriji, ovi spojevi siloksana mogu se taložiti na električnim kontaktima, elementima senzora i terminalima ćelija, potencijalno uzrokujući probleme s kontaktnim otporom ili ometajući mehanizme ventilacije ćelija. To je razlog zašto neki proizvođači originalne opreme za automobile - osobito oni sa strogim programima kontrole onečišćenja silikonom - određuju materijale toplinskog sučelja bez silikona za unutarnje površine baterije.
Termalni jastučići bez silikona koriste alternativne polimerne matrice — poliuretanske, akrilne, poliolefinske ili materijale na bazi voska — za nošenje toplinski vodljivog punila. Ovi materijali u potpunosti eliminiraju problem ispuštanja plinova iz silikona, zbog čega ih proizvođači originalne opreme sve više specificiraju sa strogim zahtjevima za sklapanje bez silikona, uključujući mnoge japanske i europske proizvođače automobila. Termalni jastučići na bazi poliuretana nude dobru kompresiju i umjeren temperaturni raspon prikladan za unutrašnjost baterije (obično od −40°C do 130°C). Termalni jastučići na bazi akrila pružaju čvršću, dimenzionalno stabilniju ploču kojom je lakše rukovati i rezati je tijekom sastavljanja velikog volumena baterijskog paketa. Kompromis za dizajne bez silikona obično je uži temperaturni raspon i smanjena dugoročna elastičnost u usporedbi sa silikonom, što se mora uzeti u obzir u debljini jastučića i dizajnu kompresije.
Materijali toplinskog sučelja s promjenom faze (PCM) specijalizirana su kategorija koja prelazi iz krutog u tekuće na definiranoj temperaturi prijelaza — obično 50–70°C — i vraća se u kruto kada se ohladi. U tekućem obliku, PCM ulazi u mikroskopske površine kako bi se postigao gotovo savršen kontakt, dramatično smanjujući otpor sučelja. Jastučići za promjenu faze isporučuju se kao čvrsti listovi za jednostavno sastavljanje i postaju toplinski optimizirani nakon prvog toplinskog ciklusa u upotrebi. Postižu neke od najnižih vrijednosti otpora sučelja dostupnih u materijalu toplinskog sučelja čvrstog formata i koriste se u baterijskim paketima visokih performansi gdje je minimaliziranje porasta temperature tijekom brzog punjenja primarni konkurentski diferencijator. Njihovo je ograničenje u tome što tekuća faza zahtijeva odgovarajuću geometriju zadržavanja kako bi se spriječila migracija materijala izvan sučelja tijekom ponavljanih toplinskih ciklusa.
| Vrsta materijala | Tipična vodljivost | Raspon temp | Bez silikona | Ključna prednost |
|---|---|---|---|---|
| Jastučić na bazi silikona | 1,5–10 W/m·K | −60°C do 200°C | No | Širok raspon temperatura, izvrsna dugotrajna elastičnost |
| Poliuretanski jastučić | 1,5–6 W/m·K | −40°C do 130°C | da | Bez ispuštanja plinova, dobra kompresibilnost |
| Akrilna podloga | 2–8 W/m·K | −40°C do 125°C | da | Čvrst, jednostavan za rukovanje u proizvodnji |
| Materijal s promjenom faze | 3–12 W/m·K | −40°C do 150°C | Varira | Najmanji otpor sučelja nakon prvog ciklusa |
Ponašanje toplinske podloge pod kompresijom vjerojatno je važnije od ocjene ukupne vodljivosti za dugoročne performanse baterije. Vrijednost toplinske vodljivosti na podatkovnoj tablici izmjerena je pri specifičnom ispitnom tlaku — obično 10 psi (69 kPa) ili višem — što se može prilično razlikovati od stvarnog tlačnog naprezanja koje jastučić doživljava u sklopljenom baterijskom modulu. Jastučić komprimiran ispod ispitnog tlaka imat će značajno veći toplinski otpor nego što to predlaže podatkovna tablica; jastučić koji je previše stisnut može imati smanjenu preostalu popustljivost za akomodaciju bubrenja stanica.
Dva svojstva povezana s kompresijom ključna su za ispravno navođenje. Kompresijski set mjeri koliko trajne deformacije jastučić akumulira nakon kontinuirane kompresije — izraženo kao postotak izvorne debljine izgubljene nakon definiranog razdoblja pod opterećenjem. Visoka kompresija znači da se jastučić postupno stanji tijekom rada, smanjujući i njegovu sposobnost popunjavanja praznina i njegovu sposobnost praćenja bubrenja stanica. Za baterije za koje se očekuje da će preživjeti 10-15 godina rada sa stotinama tisuća ciklusa punjenja, kompresija bi trebala biti ispod 20% u najgorem slučaju temperature i uvjeta opterećenja. Otklon tlačnog opterećenja opisuje odnos između primijenjenog pritiska i promjene debljine jastučića — ova krivulja određuje hoće li struktura stezanja modula generirati prekomjerno naprezanje na ćelije ili nedovoljan kontaktni pritisak na toplinski jastučić na projektiranoj točki kompresije.
Toplinski vodljivi jastučići koji sadrže visoke količine tvrdih keramičkih punila (kao što je aluminijev nitrid ili bor nitrid) za postizanje visokih vrijednosti vodljivosti često imaju smanjenu kompresibilnost u usporedbi s lagano punjenim silikonskim jastučićima. Ovo je temeljni materijalni kompromis: više punila povećava vodljivost, ali smanjuje deformabilnost matrice. Dizajneri paketa baterija koji rade s ovim jastučićima visoke vodljivosti moraju osigurati da dizajn stezanja modula generira odgovarajući pritisak sklopa kako bi se postigao potreban kontakt s površinom, bez prekoračenja maksimalnog tlačnog opterećenja koje ćelije mogu tolerirati - obično navodi proizvođač ćelija kao maksimalni pritisak u nizu u rasponu od 100–500 kPa, ovisno o formatu ćelije.
U većini arhitektura paketa baterija za EV, rashladna ploča je na potencijalu uzemljenja ili na definiranom referentnom naponu šasije, dok su kućišta ćelija na visokom naponu paketa baterija. Termalna podloga između njih mora osigurati pouzdanu električnu izolaciju kako bi se spriječilo curenje struje, kratki spojevi i spojevi na masu koji bi pokrenuli funkciju nadzora izolacije sustava upravljanja baterijom ili, u najgorem slučaju, stvorili opasnost od strujnog udara. Ova dvostruka uloga — toplinski vodljiva, ali električki izolacijska — jedan je od ključnih inženjerskih paradoksa materijala toplinskog sučelja, budući da su većina dobrih toplinskih vodiča (metali, grafit) također dobri električni vodiči.
Rješenje leži u korištenju nemetalnih toplinski vodljivih punila — posebno heksagonalnog borovog nitrida (hBN), aluminijeva oksida (Al₂O3) i aluminijeva nitrida (AlN) — koji imaju toplinsku vodljivost od 20–300 W/m·K u masi, ali su električni izolatori. Kada se rasprše u polimernoj matrici u velikim volumnim udjelima, ta punila stvaraju toplinski vodljivu mrežu dok izolacijska polimerna matrica održava električnu izolaciju. Dobro formuliran termalni jastučić za EV bateriju postiže dielektričnu čvrstoću od 10–30 kV/mm i volumenski otpor veći od 10¹² Ω·cm, pružajući udobnu marginu iznad maksimalnog radnog napona trenutnih automobilskih baterija (400V i 800V sustavi).
Dielektrična čvrstoća mora se provjeriti pri minimalnoj debljini komprimirane podloge koja će se pojaviti u proizvodnji, a ne pri nazivnoj debljini. Ako je jastučić od 2 mm komprimiran na 1,5 mm u sastavljenom modulu, dielektrični otporni napon komprimiranog jastučića je 25% niži nego kod pune debljine. Jastučići koji se koriste u blizini oštrih metalnih rubova - značajke ploče za hlađenje, čepovi ćelija, rubovi sabirnica - također se moraju procijeniti za lokalno pojačanje električnog polja koje se javlja na geometrijskim diskontinuitetima, što može uzrokovati lokalizirani dielektrični proboj na naponima znatno ispod ocjene otpornosti jednoličnog polja.
Termalni jastučići akumulatora EV koji se koriste u serijskim vozilima moraju proći sveobuhvatan skup testova kvalifikacije materijala koji daleko nadilaze osnovne toplinske i električne specifikacije. Standardi OEM materijala za automobile znatno su stroži od općih industrijskih zahtjeva, odražavajući sigurnosne posljedice kvara materijala u baterijskom paketu ugrađenom u putničko vozilo.
Svi materijali u unutrašnjosti baterije moraju ispunjavati UL94 V-0 klasifikaciju zapaljivosti kao minimalni zahtjev. V-0 znači da se ispitni uzorci sami gase unutar 10 sekundi nakon uklanjanja plamena paljenja, bez kapanja gorućeg materijala. Mnogi proizvođači originalne opreme zahtijevaju dodatna ispitivanja prema FMVSS 302 (Savezni sigurnosni standard motornih vozila za unutarnju zapaljivost) ili prema specifičnim protokolima za ispitivanje požara OEM-a koji pobliže simuliraju uvjete događaja toplinskog odlaska baterije. Termalni jastučići koji prolaze UL94 V-0 pod standardnim uvjetima mogu zahtijevati ponovnu kvalifikaciju ako je njihova formulacija materijala modificirana kako bi se promijenila svojstva vodljivosti ili kompresije — ponašanje zapaljivosti je osjetljivo na sadržaj i vrstu punila, a promjene koje poboljšavaju toplinsku izvedbu ponekad smanjuju otpornost na plamen ako se ne upravlja pažljivo.
Materijali unutrašnjosti paketa baterija testirani su na emisije hlapljivih organskih spojeva (VOC) u uvjetima povišene temperature koji simuliraju najgore moguće operativno zagrijavanje. Zabrinutost nije samo onečišćenje silikonom, već i organski spojevi koji bi se mogli taložiti na ventilacijskim otvorima ćelija, blokirati apsorpciju elektrolita ili stvoriti koncentracije zapaljivih para unutar zatvorenog kućišta pakiranja. VDA 278 (Analiza toplinske desorpcije) i VDA 270 (Procjena mirisa) standardne su metode ispitivanja koje se koriste u njemačkom lancu opskrbe automobilima; JASO M902 pokriva slične zahtjeve za japanske OEM proizvođače. Dobavljači moraju osigurati podatke o laboratorijskim ispitivanjima trećih strana za ove VOC protokole kao dio dokumentacije PPAP (Production Part Approval Process) koja je potrebna prije masovne proizvodnje.
Dugoročno ispitivanje pouzdanosti termalnih jastučića akumulatora za EV obično uključuje termičke cikluse između minimalne temperature hladnog namakanja (–40°C) i maksimalne radne temperature (85°C do 105°C), tijekom 500–1000 ciklusa, uz mjerenje promjene toplinskog otpora i odziva na tlačno opterećenje u intervalima. Kriteriji prihvatljivosti zahtijevaju povećanje toplinske otpornosti za najviše 10–20% u odnosu na početne vrijednosti tijekom cijelog trajanja ispitivanja — strogi zahtjev koji eliminira materijale koji se razgrađuju taloženjem čestica punila, kidanjem polimernog lanca ili oksidativnim stvrdnjavanjem tijekom predviđenog vijeka trajanja vozila od 10–15 godina.
Određivanje toplinske podloge za EV bateriju za novi dizajn paketa baterija zahtijeva sustavan pristup koji obuhvaća cijeli niz funkcionalnih zahtjeva prije procjene materijala kandidata. Fokusiranje samo na vodljivost i zanemarivanje ponašanja kompresije, električne izolacije ili kemijske kompatibilnosti dovodi do kvalificiranih materijala koji ne zadovoljavaju zahtjeve tijekom rada ili stvaraju probleme pri sklapanju proizvodnje.
Angažiranje dobavljača termalnih jastučića rano u razvojnom programu paketa baterija — prije finaliziranja dimenzija strukture modula — omogućuje kooptimiziranje debljine jastučića i dizajna kompresije s arhitekturom stezanja modula. Ovaj pristup na razini sustava dosljedno proizvodi bolju toplinsku izvedbu i niže ukupne troškove montaže od naknadne ugradnje specifikacije jastučića u dizajn modula koji je dovršen bez uzimanja u obzir mehaničkog ponašanja jastučića.
Applet
Pozivni centar:
Tel:+86-0512-63263955
Email :[email protected]
Autorska prava © Goode EIS (Suzhou) Corp LTD
Izolacijski kompozitni materijali i dijelovi za industriju čiste energije
cn