Az elektromos autóakkumulátor hőpárnák – más néven akkumulátor hővezető párnák, hézagkitöltő párnák vagy hővezető párnák – lágy, összenyomható hővezető anyagból készült lapok, amelyeket az akkumulátorcellák vagy modulok és az alattuk lévő hűtőlemez közé helyeznek. Működésük egyszerűnek hangzik: hőt vezetnek az akkumulátorcellákból a hűtőrendszerbe. De az általuk megoldott mérnöki kihívás minden, csak nem triviális. Az akkumulátorcellákat olyan mérettűréssel gyártják, amelyek kis magasság- és felületi eltéréseket eredményeznek a modulon belül. Megfelelő közbülső réteg nélkül a keményfém-fém érintkezés a cellák és a hűtőlemez között csak az egyes felületek csúcsait fedné le, így a felület nagy része légrésként maradna – a levegő pedig rendkívül rossz hővezető.
A termikus párna kitölti ezeket a mikroszkopikus és makroszkopikus réseket azáltal, hogy mérsékelt nyomás alatt egyszerre alkalmazkodik mindkét felülethez. Ez az intim érintkezés drámaian csökkenti a hőkontaktus ellenállását az interfészen, és kis ellenállású hőutat hoz létre a cellaházból a párnán keresztül a folyadékhűtéses alaplemezbe. Gyakorlatilag a nem párnázott interfész és a megfelelően meghatározott hőpárna közötti különbség jelentheti a gyorstöltési ciklus alatt 35°C-on vagy 55°C-on működő cella közötti különbséget – ez a hőmérséklet-különbség komoly következményekkel jár az akkumulátor élettartamára, a töltési sebességre és a hőkifutás elleni biztonsági rátára.
A hőkezelésen túl EV akkumulátor hőpárnák másodlagos funkciókat is ellátnak, amelyek ugyanolyan fontosak a sorozatgyártású járművek akkumulátoraiban. Elektromos szigetelést biztosítanak a cellaház és a hűtőlemez között olyan kivitelekben, ahol a hűtőlemez földelt vagy eltérő potenciálon van. Elnyelik a tágulási feszültséget, amikor a cellák megduzzadnak a töltés és kisütés során – a lítium-ion cellák 2-5%-kal tágulhatnak töltési ciklusuk során, és megfelelő réteg nélkül ez a tágulás mechanikai feszültséget hoz létre a modul szerkezetében, amely károsíthatja a cellák burkolatát vagy leválaszthatja a gyűjtősíneket. A megfelelő hőpárna egyszerre hőátadó alkatrész, elektromos szigetelő és mechanikus puffer.
A hővezető képesség (W/m·K-ban kifejezve) minden hőpárna fő specifikációja, és az első számú vásárló összehasonlítja. A vezetőképesség önmagában azonban nem árulja el a teljes történetet arról, hogy egy betét hogyan fog teljesíteni az akkumulátorcsomagban – a vastagság, a kompressziós viselkedés és a felületi érintkezés minősége mind kölcsönhatásban áll, hogy meghatározzák a tényleges hőellenállást a felületen, amely az a paraméter, amely közvetlenül meghatározza, hogy adott hőterhelés mellett mennyivel emelkedik a cella hőmérséklete a hűtőközeg hőmérséklete fölé.
A hőfelületi ellenállás (cm²·K/W-ban vagy m²·K/W-ban mérve) egyesíti a betét ömlesztett vezetőképességét a vastagságával és a felületi érintkezési minőségével. Egy mérsékelt, 3 W/m·K vezetőképességű betét 0,5 mm vastagságra összenyomva felülmúlja a nagyobb, 6 W/m·K vezetőképességű betétet 2 mm vastagságra összenyomva, mivel a vastagabb párnában több anyag van a hővezetéshez. A kapcsolat a következő: hőellenállás = vastagság / (vezetőképesség × terület) . Ez azt jelenti, hogy egy olyan akkumulátorcsomagban, ahol az összeszerelési tűrések jól szabályozottak és a hézagok kicsik, a vékony, mérsékelten vezető betét gyakran jobb hőteljesítményt nyújt, mint egy vastag, erősen vezetőképes, ugyanakkor olcsóbb és kisebb súlyt ad.
A gyakorlati vezetőképességi értékek az elektromos autóakkumulátor-hőpárnák piacán 1,5 W/m·K az alacsony fogyasztású alkalmazásokban használt alapvető hézagkitöltő párnák esetében, a 3–6 W/m·K az általános gépjárműakkumulátor-csomagok esetében, és akár 8–15 W/m·K a nagy teljesítményű gyorstöltési és motorsport-alkalmazások esetében, ahol a tervezési költségkorlátozások minimálisra csökkentése a domináns. Körülbelül 10 W/m·K felett a hőpaszta vagy a fázisváltó anyagok versenyezni kezdenek, bár egyik sem kínálja ugyanazt a megfelelőségi, könnyű összeszerelési és újradolgozhatósági kombinációt, mint a szilárd hőpárna a gyártósoros környezetben.
Az EV akkumulátor hőpárna alapanyaga meghatározza annak hőmérsékleti tartományát, kémiai kompatibilitását, hosszú távú stabilitását, összenyomhatósági jellemzőit, valamint azt, hogy nem jelent-e szennyeződési kockázatot az akkumulátor-összeállítás környezetében. Három anyagcsalád uralja az autóakkumulátor-hőpárna piacát, amelyek mindegyike sajátos erősségekkel rendelkezik, amelyek alkalmassá teszik a különböző tervezési követelményeket.
A szilikon mátrix hőpárnák a legszélesebb körben használt típusok az autóiparban. A szilikon eredendően széles üzemi hőmérsékleti tartományt (általában –60°C és 200°C között), kiváló, hosszú távú rugalmasságot biztosít, amely megőrzi a kompressziós erőt és a hézagkitöltő teljesítményt az évekig tartó hőciklusok során, jó kémiai tehetetlenséget és kompatibilitást biztosít az akkumulátorcsomag anyagokra vonatkozó szabványos UL94 V-0 gyúlékonysági követelményekkel. A hővezető töltőanyagok - alumínium-oxid, bór-nitrid, alumínium-nitrid vagy ezek kombinációi - a szilikon mátrixban eloszlanak a kívánt vezetőképességi szint elérése érdekében. A szilikon mátrix puhasága és rugalmassága bensőséges felületi érintkezést biztosít még alacsony összeszerelési nyomás mellett is, így a szilikon párnák jól illeszkednek a legtöbb akkumulátormodul-konstrukcióban elérhető mérsékelt szorítóerőhöz.
Az elektromos járművekben használt szilikon alapú hőpárnák elsődleges korlátja a szilikon gázkibocsátás. A szilikon anyagok alacsony molekulatömegű sziloxánvegyületeket bocsátanak ki illékony szerves vegyületekként (VOC) emelt hőmérsékleten. Zárt akkumulátorcsomagban ezek a sziloxánvegyületek lerakódhatnak az elektromos érintkezőkön, az érzékelőelemeken és a cellakapcsokon, ami potenciálisan érintési ellenállási problémákat okozhat, vagy megzavarhatja a cella légtelenítő mechanizmusait. Ez az oka annak, hogy egyes autóipari OEM-ek – különösen azok, amelyek szigorú szilikonszennyeződés-ellenőrző programokkal rendelkeznek – szilikonmentes termikus interfész anyagokat írnak elő az akkumulátoregységek belső felületeihez.
A nem szilikon hőpárnák alternatív polimer mátrixokat – poliuretánt, akrilt, poliolefint vagy viaszalapú anyagokat – használnak a hővezető töltőanyag hordozására. Ezek az anyagok teljesen kiküszöbölik a szilikon gázkibocsátását, ezért az eredeti gyártók egyre gyakrabban írják elő őket szigorú szilikonmentes összeszerelési követelményekkel, köztük számos japán és európai autógyártó is. A poliuretán alapú hőpárnák jó összenyomhatóságot és mérsékelt hőmérsékleti tartományt kínálnak, amely alkalmas az akkumulátoregységek belsejébe (általában -40 °C és 130 °C között). Az akril alapú hőpárnák szilárdabb, méretstabilabb lapot biztosítanak, amely könnyebben kezelhető és kivágható a nagy mennyiségű akkumulátorcsomag összeszerelése során. A szilikonmentes kialakítások kompromisszuma általában a szűkebb hőmérsékleti tartomány és a csökkent hosszú távú rugalmasság a szilikonhoz képest, amelyet figyelembe kell venni a betét vastagságánál és a kompressziós kialakításnál.
A fázisváltó termikus interfész anyagok (PCM) egy speciális kategória, amely meghatározott átmeneti hőmérsékleten – jellemzően 50–70 °C – szilárdból folyékonyba, majd lehűtve vissza szilárd állapotba. Folyékony formában a PCM mikroszkopikus felületi jellemzőkbe áramlik, így közel tökéletes érintkezést ér el, drámaian minimalizálva az interfész ellenállását. A fázisváltó párnákat tömör lapokként szállítják az egyszerű összeszerelés érdekében, és az első üzemi hőciklus után termikusan optimalizálhatók. A szilárd formátumú termikus interfész anyagban elérhető legalacsonyabb interfész-ellenállási értékeket érik el, és nagy teljesítményű akkumulátorcsomagokban használják, ahol a gyorstöltés során bekövetkező hőmérséklet-emelkedés minimalizálása az elsődleges versenymegkülönböztető tényező. Korlátozásuk az, hogy a folyadékfázis megfelelő elszigetelési geometriát igényel, hogy megakadályozza az anyag kivándorlását a határfelületről ismételt hőciklus során.
| Anyag típusa | Tipikus vezetőképesség | Hőmérséklet tartomány | Szilikonmentes | Kulcselőny |
|---|---|---|---|---|
| Szilikon alapú betét | 1,5–10 W/m·K | -60°C és 200°C között | Nem | Széles hőmérséklet-tartomány, kiváló hosszú távú rugalmasság |
| Poliuretán betét | 1,5–6 W/m·K | -40°C és 130°C között | Igen | Nem outgassing, good compressibility |
| Akril alátét | 2–8 W/m·K | -40°C és 125°C között | Igen | Szilárd, könnyen kezelhető a gyártás során |
| Fázisváltó anyag | 3–12 W/m·K | -40°C és 150°C között | Változó | A legalacsonyabb interfész ellenállás az első ciklus után |
A hőpárna kompressziós viselkedése vitathatatlanul fontosabb, mint az ömlesztett vezetőképesség besorolása az akkumulátorcsomag hosszú távú teljesítménye szempontjából. Az adatlapon szereplő hővezetési érték egy adott próbanyomáson – jellemzően 10 psi (69 kPa) vagy nagyobb – van mérve, amely jelentősen eltérhet attól a tényleges nyomófeszültségtől, amelyet a betét az összeszerelt akkumulátormodulban tapasztal. A próbanyomás alá összenyomott betét lényegesen nagyobb hőellenállással rendelkezik, mint azt az adatlap sugallja; a túlzottan összenyomott betét csökkentheti a sejtduzzadáshoz való alkalmazkodási képességet.
Két tömörítéssel kapcsolatos tulajdonság kritikus fontosságú a helyes megadáshoz. Kompressziós készlet azt méri, hogy a betét mekkora maradandó alakváltozást halmoz fel tartós összenyomás után – az eredeti vastagság százalékában kifejezve, amely egy meghatározott terhelés alatti időtartam után elveszett. A magas kompressziós készlet azt jelenti, hogy a betét fokozatosan elvékonyodik használat közben, csökkentve mind a hézagkitöltő képességét, mind a sejtduzzadás nyomon követését. Azoknál az akkumulátorcsomagoknál, amelyek várhatóan 10–15 évig élnek több százezer töltési ciklus mellett, a kompressziós értéknek 20% alatt kell lennie a legrosszabb hőmérsékleti és terhelési feltételek mellett. Nyomóterhelés-elhajlás leírja az alkalmazott nyomás és a betétvastagság változása közötti összefüggést – ez a görbe azt határozza meg, hogy a modul szorítószerkezete túlzott feszültséget hoz-e létre a cellákon, vagy elégtelen érintkezési nyomást hoz-e létre a termikus betéten a tervezett kompressziós ponton.
Azok a hővezető párnák, amelyek nagy mennyiségű kemény kerámia töltőanyagot (például alumínium-nitridet vagy bór-nitridet) tartalmaznak a magas vezetőképességi értékek elérése érdekében, gyakran kisebb összenyomhatósággal rendelkeznek, mint az enyhén töltött szilikon párnák. Ez alapvető anyagcsere: több töltőanyag növeli a vezetőképességet, de csökkenti a mátrix deformálhatóságát. Az ezekkel a nagy vezetőképességű betétekkel dolgozó akkumulátorcsomag-tervezőknek gondoskodniuk kell arról, hogy a modul befogási kialakítása megfelelő szerelési nyomást generáljon a szükséges felületi érintkezés eléréséhez anélkül, hogy túllépné a cellák által elviselhető maximális nyomóterhelést – a cella gyártója általában a cella formátumától függően 100–500 kPa közötti maximális kötegnyomást határoz meg.
A legtöbb elektromos jármű akkumulátorcsomag-architektúrában a hűtőlemez testpotenciálon vagy egy meghatározott alváz referenciafeszültségen van, míg a cellák burkolata az akkumulátorcsomag magas feszültségén. A közöttük lévő hőpárnának megbízható elektromos szigetelést kell biztosítania, hogy megelőzze a szivárgó áramot, a rövidzárlatokat és a földzárlatokat, amelyek beindítanák az akkumulátor-kezelő rendszer leválasztásfigyelő funkcióját, vagy legrosszabb esetben áramütésveszélyt okoznának. Ez a kettős szerep – hővezető, de elektromosan szigetelő – a hőfelületi anyagok egyik kulcsfontosságú mérnöki paradoxona, mivel a legtöbb jó hővezető (fémek, grafit) egyben jó elektromos vezető is.
A megoldás a nem fém, hővezető töltőanyagok – különösen a hatszögletű bór-nitrid (hBN), az alumínium-oxid (Al2O3) és az alumínium-nitrid (AlN) – alkalmazásában rejlik, amelyek hővezető képessége ömlesztve 20–300 W/m·K, de elektromos szigetelők. A polimer mátrixban nagy térfogatú frakciókban diszpergálva ezek a töltőanyagok hővezető hálózatot hoznak létre, miközben a szigetelő polimer mátrix fenntartja az elektromos szigetelést. A jól összeállított EV akkumulátor hőpárna dielektromos szilárdságot ér el 10-30 kV/mm és térfogati ellenállása meghaladja a 10¹² Ω·cm-t, kényelmes sávot biztosítva a jelenlegi autóakkumulátorok maximális üzemi feszültsége felett (400 V és 800 V rendszerek).
A dielektromos szilárdságot a gyártás során előforduló minimális összenyomott betétvastagságnál kell ellenőrizni, nem pedig a névleges vastagságnál. Ha egy 2 mm-es betét 1,5 mm-re van összenyomva az összeszerelt modulban, az összenyomott betét dielektromos ellenállási feszültsége 25%-kal alacsonyabb, mint a teljes vastagságnál. Az éles fémélek közelében használt betéteket – hűtőlemezek jellemzői, cellavégsapkák, gyűjtősín élek – szintén meg kell vizsgálni a geometriai szakadásoknál fellépő helyi elektromos térerősödés szempontjából, amely lokális dielektromos törést okozhat az egyenletes térellenállási névleges érték alatti feszültségeknél.
A sorozatgyártású járművekben használt elektromos akkumulátor-akkumulátor hőpárnáinak átfogó anyagminősítési teszteken kell átmenniük, amelyek jóval túlmutatnak az alapvető hő- és elektromos előírásokon. Az autóipari OEM anyagszabványok lényegesen szigorúbbak, mint az általános ipari követelmények, tükrözve a személygépjárműbe szerelt akkumulátorcsomag anyagmeghibásodásának biztonsági következményeit.
Az akkumulátorcsomag belsejében lévő összes anyagnak meg kell felelnie az UL94 V-0 tűzveszélyességi osztálynak, mint minimális követelménynek. A V-0 azt jelenti, hogy a próbatestek a gyújtóláng eltávolítása után 10 másodpercen belül önkioltják, égő anyag csepegése nélkül. Sok OEM-nek további tesztelést kell végeznie az FMVSS 302 (a belső tér gyúlékonyságának szövetségi motorjármű-biztonsági szabványa) vagy az OEM-specifikus tűzvizsgálati protokollok szerint, amelyek jobban szimulálják az akkumulátor hőkezelésének körülményeit. Az UL94 V-0 szabványnak megfelelő hőpárnák normál körülmények között újraminősítést igényelhetnek, ha anyagösszetételüket módosítják a vezetőképesség vagy a kompressziós tulajdonságok megváltoztatása érdekében – a gyúlékonysági viselkedés érzékeny a töltőanyag-tartalomra és típusra, és a hőteljesítményt javító változtatások néha csökkentik az égésgátlást, ha nem gondosan kezelik.
Az akkumulátoregység belső anyagait illékony szerves vegyületek (VOC) kibocsátására tesztelték megemelt hőmérsékleti körülmények között, ami a legrosszabb üzemi hőelnyelést szimulálja. A probléma nemcsak a szilikon szennyeződése, hanem a szerves vegyületek is, amelyek lerakódhatnak a cellák szellőzőnyílásaira, blokkolhatják az elektrolit felszívódását, vagy éghető gőzkoncentrációt hozhatnak létre a zárt csomagolásban. A VDA 278 (termikus deszorpciós elemzés) és a VDA 270 (szagértékelés) a német autóipari ellátási láncban használt szabványos vizsgálati módszerek; A JASO M902 hasonló követelményeket fed le a japán OEM-ekkel szemben. A beszállítóknak harmadik féltől származó laboratóriumi vizsgálati adatokat kell szolgáltatniuk ezekhez a VOC-protokollokhoz a PPAP (Production Part Approval Process) dokumentáció részeként, amely szükséges a tömegtermelés beszerzése előtt.
Az elektromos autóakkumulátor hőpárnáinak hosszú távú megbízhatósági vizsgálata jellemzően a minimális hidegáztatási hőmérséklet (−40°C) és a maximális üzemi hőmérséklet (85°C és 105°C) között, 500–1000 cikluson keresztül történő termikus ciklust foglalja magában, miközben időközönként méri a hőellenállás változását és a nyomóterhelési reakciót. Az elfogadási kritériumok megkövetelik, hogy a hőellenállás legfeljebb 10–20%-kal növekedjen a kezdeti értékekhez képest a teljes vizsgálati időtartam alatt – ez a szigorú követelmény, amely kiküszöböli azokat az anyagokat, amelyek a töltőanyag-részecskék ülepedése, a polimer láncszakadása vagy az oxidatív keményedés következtében lebomlanak a jármű tervezett 10–15 éves élettartama alatt.
Az elektromos járművek akkumulátorának hőpárna új akkumulátorcsomag-konstrukcióhoz való meghatározása olyan szisztematikus megközelítést igényel, amely rögzíti a funkcionális követelmények teljes készletét a jelölt anyagok értékelése előtt. Ha csak a vezetőképességre összpontosítunk, és figyelmen kívül hagyjuk a kompressziós viselkedést, az elektromos szigetelést vagy a kémiai kompatibilitást, az olyan minősített anyagokhoz vezet, amelyek nem teljesítik az üzem közbeni követelményeket, vagy gyártási összeszerelési problémákat okoznak.
A hőpárna beszállítóinak bevonása az akkumulátorcsomag-fejlesztési program korai szakaszában – még a modulszerkezet méreteinek véglegesítése előtt – lehetővé teszi a párna vastagságának és a kompressziós kialakításnak a modulrögzítő architektúrával együtt optimalizálását. Ez a rendszerszintű megközelítés következetesen jobb hőteljesítményt és alacsonyabb összeszerelési költséget eredményez, mint ha a betét specifikációit utólag olyan modultervbe illesztik be, amelyet a betét mechanikai viselkedésének figyelembevétele nélkül véglegesítettek.
Kisalkalmazás
Call Center:
Tel:+86-0512-63263955
Email :[email protected]
Szerzői jog © Goode EIS (Suzhou) Corp. LTD
Szigetelő kompozit anyagok és alkatrészek a tiszta energiaipar számára
cn