پدهای حرارتی باتری EV - که به آنها پدهای رابط حرارتی باتری، پدهای پرکننده شکاف یا پدهای رسانای حرارتی نیز گفته می شود - ورقه های نرم و قابل تراکم مواد رسانای حرارتی هستند که بین سلول ها یا ماژول های باتری و صفحه خنک کننده زیر آنها قرار می گیرند. عملکرد آنها ساده به نظر می رسد: انتقال گرما از سلول های باتری به سیستم خنک کننده. اما چالش مهندسی که آنها حل می کنند چیزی جز پیش پا افتاده است. سلولهای باتری با تلورانسهای ابعادی تولید میشوند که تغییرات کوچکی در ارتفاع و صافی سطح در سراسر یک ماژول ایجاد میکنند. بدون یک لایه میانی سازگار، تماس سخت فلز به فلز بین سلولها و صفحه خنککننده فقط قلههای هر سطح را میپوشاند و بیشتر ناحیه مشترک را به عنوان یک شکاف هوا باقی میگذارد - و هوا یک رسانای بسیار ضعیف گرما است.
پد حرارتی این شکاف های میکروسکوپی و ماکروسکوپی را با انطباق تحت فشار متوسط به هر دو سطح به طور همزمان پر می کند. این تماس صمیمی به طور چشمگیری مقاومت تماس حرارتی را در رابط کاهش می دهد و یک مسیر حرارتی با مقاومت کم از پوشش سلول از طریق پد و به صفحه پایه خنک شده با مایع ایجاد می کند. از نظر عملی، تفاوت بین یک رابط بدون پد و یک پد حرارتی به درستی مشخص شده میتواند به معنای تفاوت بین سلولی باشد که در دمای 35 درجه سانتیگراد یا 55 درجه سانتیگراد در طول چرخه شارژ سریع کار میکند - اختلاف دمایی که پیامدهای عمیقی برای عمر باتری، قابلیت سرعت شارژ و حاشیه ایمنی در برابر فرار حرارتی دارد.
فراتر از مدیریت حرارتی، پد حرارتی باتری EV همچنین عملکردهای ثانویه ای را انجام می دهد که به همان اندازه در بسته باتری خودروی تولیدی مهم هستند. آنها عایق الکتریکی بین محفظه سلول و صفحه خنک کننده را در طرح هایی که صفحه خنک کننده به زمین متصل است یا با پتانسیل متفاوتی ارائه می کنند. آنها استرس انبساط را با متورم شدن سلول ها در حین شارژ و تخلیه جذب می کنند - سلول های لیتیوم یونی می توانند 2 تا 5٪ در طول چرخه شارژ خود منبسط شوند و بدون لایه سازگار، این انبساط باعث ایجاد استرس مکانیکی در ساختار ماژول می شود که می تواند به پوشش سلول آسیب برساند یا شینه ها را جدا کند. پد حرارتی سمت راست به طور همزمان یک جزء انتقال حرارت، یک عایق الکتریکی و یک بافر مکانیکی است.
هدایت حرارتی (بیان شده در W/m·K) مشخصات سرفصل هر پد حرارتی است و اولین عددی است که خریداران با هم مقایسه می کنند. اما رسانایی به صورت مجزا، داستان کامل عملکرد یک لنت در بسته باتری را بیان نمی کند – ضخامت، رفتار فشرده سازی و کیفیت تماس سطح، همه برای تعیین مقاومت حرارتی واقعی در رابط، که پارامتری است که مستقیماً تعیین می کند که دمای سلول تحت یک بار حرارتی معین، چقدر بالاتر از دمای مایع خنک کننده افزایش می یابد، تعامل دارند.
مقاومت رابط حرارتی (اندازه گیری شده در cm²·K/W یا m²·K/W) رسانایی حجیم پد را با ضخامت و کیفیت تماس سطح آن ترکیب می کند. یک لنت با رسانایی متوسط 3 W/m·K فشرده شده به ضخامت 0.5mm از لنت با رسانایی بالاتر 6 W/m·K فشرده به ضخامت 2 میلی متر بهتر عمل می کند، زیرا لنت ضخیم تر دارای مواد بیشتری برای انتقال گرما است. رابطه این است: مقاومت حرارتی = ضخامت / (رسانایی × مساحت) . این بدان معناست که در یک بسته باتری که تلرانس مونتاژ به خوبی کنترل می شود و شکاف ها کوچک هستند، یک پد نازک و با رسانایی متوسط اغلب عملکرد حرارتی بهتری را نسبت به یک بسته ضخیم و با رسانایی بالا ارائه می دهد - در حالی که هزینه کمتری دارد و وزن کمتری نیز اضافه می کند.
مقادیر رسانایی عملی در بازار پد حرارتی باتری EV از 1.5 W/m·K برای پدهای پرکننده اصلی شکاف مورد استفاده در کاربردهای کم مصرف، تا 3-6 W/m·K برای طرحهای بسته باتری خودروهای رایج، تا 8-15 W/m·K برای شارژ سریع با کارایی بالا و به حداقل رساندن مقاومت کم هزینه طراحی در موتورسواری است. بیش از حدود 10 W/m·K، خمیر حرارتی یا مواد تغییر فاز شروع به رقابت می کنند، اگرچه هیچ یک از آنها ترکیبی از انطباق، سهولت مونتاژ و قابلیت کار مجدد را ارائه نمی دهد که یک پد حرارتی جامد در یک محیط خط تولید فراهم می کند.
مواد پایه یک پد حرارتی باتری EV محدوده دمایی، سازگاری شیمیایی، پایداری طولانی مدت، ویژگیهای تراکمپذیری و اینکه آیا خطر آلودگی را در محیط مونتاژ باتری وارد میکند یا خیر را تعیین میکند. سه خانواده مواد بر بازار پد حرارتی باتری خودرو تسلط دارند که هر کدام دارای نقاط قوت خاصی هستند که آن را برای نیازهای طراحی مختلف مناسب میسازد.
پدهای حرارتی ماتریس سیلیکونی پرکاربردترین نوع در صنعت خودرو هستند. سیلیکون یک محدوده دمای عملیاتی ذاتاً گسترده (معمولاً -60 درجه سانتیگراد تا 200 درجه سانتیگراد)، خاصیت ارتجاعی طولانی مدت عالی را فراهم می کند که نیروی فشرده سازی و عملکرد پر کردن شکاف را در طول سالها چرخه حرارتی، بی اثری شیمیایی خوب و سازگاری با الزامات استاندارد UL94 V-0 اشتعال برای مواد بسته باتری حفظ می کند. پرکننده های رسانای حرارتی - اکسید آلومینیوم، نیترید بور، نیترید آلومینیوم یا ترکیبی از آنها - در سراسر ماتریس سیلیکون پراکنده می شوند تا به سطح رسانایی مطلوب دست یابند. نرمی و سازگاری ماتریس سیلیکونی تماس صمیمی با سطح را حتی در فشارهای کم مونتاژ تضمین می کند و باعث می شود پدهای سیلیکونی برای نیروهای گیره متوسط موجود در اکثر طرح های ماژول باتری مناسب باشند.
محدودیت اصلی پدهای حرارتی مبتنی بر سیلیکون در کاربردهای EV، خروج گاز سیلیکونی است. مواد سیلیکونی ترکیبات سیلوکسان با وزن مولکولی کم را به عنوان ترکیبات آلی فرار (VOCs) در دماهای بالا آزاد می کنند. در یک بسته باتری مهر و موم شده، این ترکیبات سیلوکسان می توانند روی کنتاکت های الکتریکی، عناصر حسگر و پایانه های سلولی رسوب کنند و به طور بالقوه باعث ایجاد مشکلات مقاومت در برابر تماس یا تداخل با مکانیسم های تخلیه سلول شوند. به همین دلیل است که برخی از OEM های خودرو - به ویژه آنهایی که برنامه های کنترل آلودگی سیلیکونی دقیق دارند - مواد رابط حرارتی بدون سیلیکون را برای سطوح داخلی بسته باتری مشخص می کنند.
پدهای حرارتی غیرسیلیکونی از ماتریس های پلیمری جایگزین - پلی اورتان، اکریلیک، پلی اولفین یا مواد مبتنی بر موم - برای حمل پرکننده رسانای حرارتی استفاده می کنند. این مواد به طور کامل نگرانی خروج سیلیکون را از بین می برند، به همین دلیل است که به طور فزاینده ای توسط OEM هایی با الزامات مونتاژ بدون سیلیکون، از جمله بسیاری از خودروسازان ژاپنی و اروپایی، مشخص می شوند. پدهای حرارتی مبتنی بر پلی یورتان تراکم پذیری خوب و محدوده دمایی متوسط مناسب برای فضای داخلی بسته باتری (معمولاً -40 درجه سانتیگراد تا 130 درجه سانتیگراد) را ارائه می دهند. پدهای حرارتی مبتنی بر اکریلیک ورق محکمتر و پایدارتری را ارائه میکنند که در هنگام مونتاژ بسته باتری با حجم بالا قابل حمل و برش آسانتر است. معاوضه برای طرحهای بدون سیلیکون معمولاً محدوده دمایی باریکتر و کاهش کشش طولانیمدت در مقایسه با سیلیکون است که باید در ضخامت لنت و طراحی فشردهسازی لحاظ شود.
مواد رابط حرارتی تغییر فاز (PCM) یک دسته تخصصی هستند که در دمای انتقال تعریف شده - معمولاً 50 تا 70 درجه سانتیگراد - از جامد به مایع تبدیل میشوند و وقتی سرد میشوند به جامد باز میگردند. در شکل مایع، یک PCM به ویژگیهای سطح میکروسکوپی جریان مییابد تا به تماس تقریباً کاملی دست یابد و مقاومت رابط را بهطور چشمگیری به حداقل برساند. پدهای تغییر فاز به صورت ورقه های جامد برای مونتاژ آسان عرضه می شوند و پس از اولین چرخه حرارتی در سرویس از نظر حرارتی بهینه می شوند. آنها به برخی از پایینترین مقادیر مقاومت رابط موجود در مواد رابط حرارتی فرمت جامد دست مییابند و در بستههای باتری با کارایی بالا استفاده میشوند که در آن به حداقل رساندن افزایش دما در طول شارژ سریع یک تمایز اصلی رقابتی است. محدودیت آنها این است که فاز مایع به هندسه محفظه کافی برای جلوگیری از مهاجرت مواد به خارج از فصل مشترک در طول چرخه حرارتی مکرر نیاز دارد.
| نوع مواد | رسانایی معمولی | محدوده دما | بدون سیلیکون | مزیت کلیدی |
|---|---|---|---|---|
| پد سیلیکونی | 1.5-10 W/m·K | 60- تا 200 درجه سانتی گراد | خیر | محدوده دمای گسترده، کشش طولانی مدت عالی |
| پد پلی اورتان | 1.5-6 W/m·K | -40 درجه سانتی گراد تا 130 درجه سانتی گراد | بله | خیر outgassing, good compressibility |
| پد اکریلیک | 2-8 W/m·K | -40 درجه سانتیگراد تا 125 درجه سانتیگراد | بله | محکم، آسان برای رسیدگی در تولید |
| مواد تغییر فاز دهنده | 3-12 W/m·K | 40- تا 150 درجه سانتی گراد | متفاوت است | کمترین مقاومت رابط پس از اولین چرخه |
رفتار پد حرارتی تحت فشردهسازی مسلماً مهمتر از رتبهبندی رسانایی حجیم آن برای عملکرد طولانیمدت بسته باتری است. مقدار هدایت حرارتی در برگه داده در یک فشار آزمایشی خاص - معمولاً 10 psi (69 کیلو پاسکال) یا بالاتر - اندازهگیری میشود که ممکن است کاملاً متفاوت از تنش فشاری واقعی باشد که پد در ماژول باتری مونتاژ شده تجربه میکند. یک پد فشرده شده در زیر فشار آزمایشی خود مقاومت حرارتی به طور معنیداری بالاتری نسبت به صفحه داده نشان میدهد. یک پد بیش از حد فشرده ممکن است باعث کاهش انطباق باقیمانده برای اقامت متورم سلولی شود.
دو ویژگی مرتبط با فشرده سازی برای تعیین صحیح ضروری است. مجموعه فشرده سازی اندازه گیری میزان تغییر شکل دائمی یک پد پس از فشرده سازی پایدار - که به عنوان درصدی از ضخامت اولیه از دست رفته پس از یک دوره مشخص تحت بار بیان می شود. مجموعه فشرده سازی بالا به این معنی است که پد به تدریج در حین کار نازک می شود و هم قابلیت پرکردن شکاف و هم توانایی آن برای ردیابی تورم سلولی را کاهش می دهد. برای بسته های باتری که انتظار می رود 10 تا 15 سال کارکرد با صدها هزار چرخه شارژ دوام بیاورند، مجموعه فشرده سازی باید در بدترین شرایط دما و بار کمتر از 20 درصد باشد. انحراف بار فشاری رابطه بین فشار اعمال شده و تغییر ضخامت لنت را توصیف می کند - این منحنی تعیین می کند که آیا ساختار گیره ماژول باعث ایجاد استرس بیش از حد بر روی سلول ها یا فشار تماس ناکافی بر روی پد حرارتی در نقطه فشرده سازی طراحی می شود.
پدهای رسانای حرارتی که حاوی بارهای زیادی از پرکنندههای سرامیکی سخت (مانند نیترید آلومینیوم یا نیترید بور) برای دستیابی به مقادیر رسانایی بالا هستند، اغلب در مقایسه با پدهای سیلیکونی با پر شدن کم، تراکمپذیری کمتری دارند. این یک مبادله اساسی مواد است: پرکننده بیشتر رسانایی را افزایش می دهد اما تغییر شکل ماتریس را کاهش می دهد. طراحان بسته باتری که با این پدهای رسانایی بالا کار می کنند باید اطمینان حاصل کنند که طراحی بست ماژول فشار مونتاژ کافی را برای دستیابی به تماس سطحی لازم ایجاد می کند، بدون اینکه از حداکثر بار فشاری که سلول ها می توانند تحمل کنند تجاوز کند - که معمولاً توسط سازنده سلول به عنوان حداکثر فشار پشته ای در محدوده 100 تا 500 کیلو پاسکال بسته به فرمت سلول مشخص می شود.
در اکثر معماری های بسته باتری EV، صفحه خنک کننده در پتانسیل زمین یا در یک ولتاژ مرجع شاسی تعریف شده است، در حالی که پوشش سلول در ولتاژ بالای بسته باتری قرار دارد. پد حرارتی بین آنها باید عایق الکتریکی قابل اعتمادی را برای جلوگیری از نشتی جریان، اتصال کوتاه و خطاهای زمینی که عملکرد نظارت بر جداسازی سیستم مدیریت باتری را فعال میکند یا در بدترین حالت، خطر شوک ایجاد میکند، فراهم کند. این نقش دوگانه - رسانای حرارتی اما عایق الکتریکی - یکی از پارادوکسهای مهندسی کلیدی مواد رابط حرارتی است، زیرا اکثر رساناهای حرارتی خوب (فلزات، گرافیت) رسانای الکتریکی خوبی نیز هستند.
راه حل در استفاده از پرکننده های رسانای حرارتی غیرفلزی است - به ویژه نیترید بور شش ضلعی (hBN)، اکسید آلومینیوم (Al2O3) و نیترید آلومینیوم (AlN) - که دارای رسانایی گرمایی 20 تا 300 W/m·K هستند اما عایق های الکتریکی هستند. هنگامی که در یک ماتریس پلیمری در بخش های با حجم بالا پراکنده می شوند، این پرکننده ها یک شبکه رسانای حرارتی ایجاد می کنند در حالی که ماتریس پلیمری عایق ایزوله الکتریکی را حفظ می کند. یک پد حرارتی باتری EV با فرمول مناسب استحکام دی الکتریک را بدست می آورد 10-30 کیلو ولت بر میلی متر و مقاومت حجمی بیش از 10¹² Ω·cm، حاشیه راحت بالاتر از حداکثر ولتاژ کاری بستههای باتری فعلی خودرو (سیستمهای 400 و 800 ولت) را فراهم میکند.
استحکام دی الکتریک باید در حداقل ضخامت لنت فشرده که در تولید اتفاق می افتد تأیید شود، نه در ضخامت اسمی. اگر یک پد 2 میلی متری به 1.5 میلی متر در ماژول مونتاژ شده فشرده شود، ولتاژ مقاومت دی الکتریک پد فشرده 25٪ کمتر از ضخامت کامل است. پدهای مورد استفاده در نزدیکی لبههای فلزی تیز - ویژگیهای صفحه خنککننده، درپوشهای انتهای سلول، لبههای شینه - نیز باید برای افزایش میدان الکتریکی محلی که در ناپیوستگیهای هندسی رخ میدهد، ارزیابی شوند، که میتواند باعث شکست دیالکتریک موضعی در ولتاژهای بسیار پایینتر از درجه مقاومت میدان یکنواخت شود.
پدهای حرارتی باتری EV که در خودروهای تولیدی استفاده میشوند باید مجموعهای جامع از آزمایشهای صلاحیت مواد را که فراتر از مشخصات اولیه حرارتی و الکتریکی است، پشت سر بگذارند. استانداردهای مواد OEM خودرو به طور قابل توجهی سختگیرانه تر از الزامات صنعتی عمومی است و منعکس کننده پیامدهای ایمنی خرابی مواد در بسته باتری نصب شده در یک وسیله نقلیه مسافربری است.
تمام مواد داخل بسته باتری باید طبقه بندی اشتعال پذیری UL94 V-0 را به عنوان حداقل نیاز رعایت کنند. V-0 به این معنی است که نمونه های آزمایشی در عرض 10 ثانیه پس از برداشتن شعله احتراق، بدون چکیدن مواد سوزاننده، خود خاموش می شوند. بسیاری از OEM ها نیاز به آزمایش اضافی برای FMVSS 302 (استاندارد فدرال ایمنی وسایل نقلیه موتوری برای اشتعال پذیری داخلی) یا پروتکل های تست آتش سوزی ویژه OEM دارند که شرایط یک رویداد فرار حرارتی باتری را با دقت بیشتری شبیه سازی می کند. پدهای حرارتی که تحت شرایط استاندارد از UL94 V-0 عبور می کنند، ممکن است در صورتی که فرمول مواد آنها برای تغییر خواص رسانایی یا تراکم اصلاح شود، نیاز به صلاحیت مجدد داشته باشند - رفتار اشتعال پذیری نسبت به محتوای پرکننده و نوع حساس است و تغییراتی که عملکرد حرارتی را بهبود می بخشد، گاهی اوقات اگر به دقت مدیریت نشود، تاخیر در شعله را کاهش می دهد.
مواد داخلی بسته باتری برای انتشار ترکیبات آلی فرار (VOC) تحت شرایط دمای بالا که در بدترین حالت خیساندن حرارت عملیاتی شبیهسازی میشود، آزمایش میشوند. نگرانی تنها آلودگی سیلیکونی نیست، بلکه ترکیبات آلی است که میتواند روی دریچههای سلولی رسوب کند، جذب الکترولیت را مسدود کند یا غلظت بخار قابل احتراق را در محفظه بسته مهر و موم شده ایجاد کند. VDA 278 (تحلیل دفع حرارتی) و VDA 270 (ارزیابی بو) روشهای تست استانداردی هستند که در زنجیره تامین خودرو آلمان استفاده میشوند. JASO M902 الزامات مشابهی را برای OEM های ژاپنی پوشش می دهد. تأمینکنندگان باید دادههای آزمایش آزمایشگاهی شخص ثالث را برای این پروتکلهای VOC به عنوان بخشی از مستندات PPAP (فرایند تأیید بخش تولید) مورد نیاز قبل از تولید انبوه ارائه دهند.
آزمایش قابلیت اطمینان طولانی مدت برای پدهای حرارتی باتری EV معمولاً شامل چرخه حرارتی بین حداقل دمای خیساندن سرد (-40 درجه سانتیگراد) و حداکثر دمای عملیاتی (85 درجه سانتیگراد تا 105 درجه سانتیگراد) برای 500 تا 1000 چرخه است، در حالی که تغییر در مقاومت حرارتی و پاسخ بار فشاری در فواصل زمانی اندازهگیری میشود. معیارهای پذیرش مستلزم آن است که مقاومت حرارتی بیش از 10 تا 20 درصد از مقادیر اولیه در طول مدت آزمایش کامل افزایش یابد - یک نیاز سخت که موادی را که از طریق ته نشین شدن ذرات پرکننده، بریدگی زنجیره پلیمری یا سخت شدن اکسیداتیو در طول عمر 10 تا 15 ساله مورد نظر خودرو تخریب می شوند حذف می کند.
تعیین یک پد حرارتی باتری EV برای طراحی بسته باتری جدید نیازمند یک رویکرد سیستماتیک است که مجموعه کاملی از الزامات عملکردی را قبل از ارزیابی مواد نامزد دریافت می کند. تمرکز فقط بر روی رسانایی و نادیده گرفتن رفتار تراکمی، عایق الکتریکی یا سازگاری شیمیایی منجر به تولید مواد واجد شرایطی می شود که الزامات حین کار را از بین می برند یا مشکلات مونتاژ تولید را ایجاد می کنند.
درگیر کردن تامینکنندگان پد حرارتی در اوایل برنامه توسعه بسته باتری - قبل از نهایی شدن ابعاد ساختار ماژول - به ضخامت پد و طراحی فشردهسازی اجازه میدهد تا با معماری بستن ماژول بهینه شود. این رویکرد در سطح سیستم به طور مداوم عملکرد حرارتی بهتر و هزینه کل مونتاژ کمتری را نسبت به مقاوم سازی مشخصات پد در طراحی ماژول که بدون در نظر گرفتن رفتار مکانیکی پد نهایی شده است، تولید می کند.
اپلت
مرکز تماس:
Tel:+86-0512-63263955
Email :[email protected]
حق چاپ © Goode EIS (Suzhou) Corp LTD
عایق مواد و قطعات کامپوزیتی برای صنعت انرژی پاک
cn