Tepelné podložky baterie EV – také nazývané tepelné podložky baterie, podložky pro vyplnění mezer nebo tepelně vodivé podložky – jsou měkké, stlačitelné listy tepelně vodivého materiálu umístěné mezi články baterie nebo moduly a chladicí deskou pod nimi. Jejich funkce zní jednoduše: odvádějí teplo z článků baterie do chladicího systému. Ale inženýrská výzva, kterou řeší, je všechno, jen ne triviální. Bateriové články jsou vyráběny s rozměrovými tolerancemi, které vytvářejí malé odchylky ve výšce a rovinnosti povrchu napříč modulem. Bez vyhovující mezivrstvy by kontakt tvrdého kovu na kov mezi články a chladicí deskou pokrýval pouze vrcholy každého povrchu, přičemž by většina plochy rozhraní zůstala jako vzduchová mezera – a vzduch je extrémně špatným vodičem tepla.
Tepelná podložka vyplňuje tyto mikroskopické a makroskopické mezery tím, že se při mírném stlačení přizpůsobí oběma povrchům současně. Tento těsný kontakt dramaticky snižuje tepelný kontaktní odpor na rozhraní a vytváří nízkoodporovou tepelnou cestu z pouzdra článku přes podložku a do kapalinou chlazené základní desky. Z praktického hlediska může rozdíl mezi nepolstrovaným rozhraním a správně specifikovanou tepelnou podložkou znamenat rozdíl mezi článkem pracujícím při 35 °C nebo 55 °C během cyklu rychlého nabíjení – teplotní rozdíl, který má hluboké důsledky pro životnost baterie, rychlost nabíjení a bezpečnostní rezervu proti tepelnému úniku.
Kromě tepelného managementu, Tepelné podložky EV baterie slouží také sekundárním funkcím, které jsou stejně důležité u sériově vyráběného akumulátoru vozidla. Poskytují elektrickou izolaci mezi pláštěm článku a chladicí deskou v konstrukcích, kde je chladicí deska uzemněna nebo má jiný potenciál. Absorbují expanzní napětí při bobtnání článků během nabíjení a vybíjení – lithium-iontové články se mohou během nabíjecího cyklu roztáhnout o 2–5 % a bez vyhovující vrstvy toto rozpínání vytváří mechanické napětí ve struktuře modulu, které může poškodit pouzdra článků nebo odpojit přípojnice. Správná tepelná podložka je současně součástí přenosu tepla, elektrickým izolátorem a mechanickým nárazníkem.
Tepelná vodivost (vyjádřená ve W/m·K) je hlavní specifikace pro jakoukoli tepelnou podložku a první číslo, které kupující porovnávají. Ale vodivost v izolaci nevypráví celý příběh o tom, jak bude podložka fungovat v bateriovém bloku – tloušťka, kompresní chování a kvalita kontaktu s povrchem spolupůsobí při určování skutečného tepelného odporu na rozhraní, což je parametr, který přímo určuje, o kolik stoupne teplota článku nad teplotu chladicí kapaliny při daném tepelném zatížení.
Odpor tepelného rozhraní (měřený v cm²·K/W nebo m²·K/W) kombinuje objemovou vodivost podložky s její tloušťkou a kvalitou kontaktu s povrchem. Podložka se střední vodivostí 3 W/m·K stlačená na tloušťku 0,5 mm překoná podložku s vyšší vodivostí 6 W/m·K stlačená na tloušťku 2 mm, protože silnější podložka má více materiálu pro vedení tepla. Vztah je: tepelný odpor = tloušťka / (vodivost × plocha) . To znamená, že v bateriovém bloku, kde jsou montážní tolerance dobře kontrolovány a mezery jsou malé, tenká, středně vodivá podložka často poskytuje lepší tepelný výkon než tlustá, vysoce vodivá – a zároveň je levnější a zvyšuje hmotnost.
Praktické hodnoty vodivosti na trhu s tepelnými podložkami pro baterie EV se pohybují od 1,5 W/m·K pro základní podložky vyplňující mezery používané v aplikacích s nízkou spotřebou, přes 3–6 W/m·K pro běžné konstrukce autobaterií až po 8–15 W/m·K pro vysoce výkonné aplikace s rychlým nabíjením a aplikace v motorsportu, kde je minimalizace tepelného odporu dominantním konstrukčním omezením bez ohledu na náklady. Nad přibližně 10 W/m·K si začínají konkurovat tepelná pasta nebo materiály s fázovou změnou, i když ani jeden nenabízí stejnou kombinaci poddajnosti, snadné montáže a přepracovatelnosti, jakou poskytuje pevná tepelná podložka v prostředí výrobní linky.
Základní materiál tepelné podložky EV baterie určuje její teplotní rozsah, chemickou kompatibilitu, dlouhodobou stabilitu, charakteristiky stlačitelnosti a to, zda vnáší do prostředí sestavy baterie nějaké riziko kontaminace. Na trhu s tepelnými podložkami pro automobilové baterie dominují tři rodiny materiálů, z nichž každá má specifické silné stránky, díky nimž je vhodná pro různé požadavky na design.
Tepelné podložky se silikonovou matricí jsou nejrozšířenějším typem v automobilovém průmyslu. Silikon poskytuje přirozeně široký rozsah provozních teplot (typicky -60 °C až 200 °C), vynikající dlouhodobou elasticitu, která udržuje kompresní sílu a výkon při vyplňování mezer po celá léta tepelného cyklování, dobrou chemickou inertnost a kompatibilitu se standardními požadavky na hořlavost UL94 V-0 pro materiály bateriových sad. Tepelně vodivá plniva – oxid hlinitý, nitrid boru, nitrid hliníku nebo jejich kombinace – jsou rozptýlena v silikonové matrici, aby se dosáhlo požadované úrovně vodivosti. Měkkost a přizpůsobivost silikonové matrice zajišťuje těsný povrchový kontakt i při nízkém montážním tlaku, díky čemuž jsou silikonové podložky vhodné pro mírné upínací síly dostupné u většiny konstrukcí bateriových modulů.
Primárním omezením termálních podložek na bázi silikonu v aplikacích EV je odplyňování silikonu. Silikonové materiály uvolňují při zvýšených teplotách nízkomolekulární siloxanové sloučeniny jako těkavé organické sloučeniny (VOC). V utěsněné bateriové sadě se tyto siloxanové sloučeniny mohou usazovat na elektrických kontaktech, senzorových prvcích a vývodech článků, což může způsobit problémy s kontaktním odporem nebo narušit ventilační mechanismy článků. To je důvod, proč někteří výrobci OEM automobilů – zejména ti s přísnými programy kontroly kontaminace silikonem – specifikují materiály tepelného rozhraní bez silikonu pro vnitřní povrchy baterií.
Nesilikonové tepelné podložky používají alternativní polymerní matrice — polyuretanové, akrylové, polyolefinové nebo voskové materiály — k přenášení tepelně vodivého plniva. Tyto materiály zcela odstraňují problém s uvolňováním silikonu, a proto jsou stále častěji specifikovány výrobci OEM s přísnými požadavky na montáž bez silikonu, včetně mnoha japonských a evropských výrobců automobilů. Tepelné podložky na bázi polyuretanu nabízejí dobrou stlačitelnost a střední teplotní rozsah vhodný pro vnitřní prostory bateriových sad (typicky −40 °C až 130 °C). Tepelné podložky na akrylové bázi poskytují pevnější, rozměrově stabilnější list, se kterým se snadněji manipuluje a vysekává se při montáži velkoobjemové baterie. Kompromisem pro konstrukce bez silikonu je obvykle užší teplotní rozsah a snížená dlouhodobá elasticita ve srovnání se silikonem, což je třeba vzít v úvahu v tloušťce vložky a designu komprese.
Materiály s fázovou změnou tepelného rozhraní (PCM) jsou specializovanou kategorií, která přechází z pevné látky na kapalinu při definované přechodové teplotě – obvykle 50–70 °C – a po ochlazení zpět na pevnou látku. V kapalné formě protéká PCM do mikroskopických povrchových prvků, aby bylo dosaženo téměř dokonalého kontaktu, čímž se dramaticky minimalizuje odpor rozhraní. Podložky s fázovou změnou jsou dodávány jako pevné desky pro snadnou montáž a po prvním tepelném cyklu v provozu se tepelně optimalizují. Dosahují jedny z nejnižších hodnot odporu rozhraní, které jsou k dispozici u pevného materiálu tepelného rozhraní, a používají se ve vysoce výkonných bateriových sadách, kde je minimalizace nárůstu teploty během rychlého nabíjení primárním konkurenčním rozdílem. Jejich omezení spočívá v tom, že kapalná fáze vyžaduje adekvátní geometrii kontejnmentu, aby se zabránilo migraci materiálu z rozhraní během opakovaných tepelných cyklů.
| Typ materiálu | Typická vodivost | Teplotní rozsah | Bez silikonu | Klíčová výhoda |
|---|---|---|---|---|
| Podložka na silikonové bázi | 1,5–10 W/m·K | -60 °C až 200 °C | ne | Široký teplotní rozsah, vynikající dlouhodobá elasticita |
| Polyuretanová podložka | 1,5–6 W/m·K | −40 °C až 130 °C | Ano | ne outgassing, good compressibility |
| Akrylová podložka | 2–8 W/m·K | -40 °C až 125 °C | Ano | Pevný, snadno ovladatelný ve výrobě |
| Materiál se změnou fáze | 3–12 W/m·K | -40 °C až 150 °C | Liší se | Nejnižší odpor rozhraní po prvním cyklu |
Chování tepelné podložky při stlačení je pro dlouhodobý výkon baterie pravděpodobně důležitější než její objemová vodivost. Hodnota tepelné vodivosti na datovém listu je měřena při specifickém zkušebním tlaku – obvykle 10 psi (69 kPa) nebo vyšším – který se může zcela lišit od skutečného tlakového namáhání, kterému podložka čelí v sestaveném bateriovém modulu. Podložka stlačená pod zkušební tlak bude mít podstatně vyšší tepelný odpor, než uvádí datový list; nadměrně stlačená podložka může mít sníženou poddajnost zbývající pro přizpůsobení se otoku buněk.
Pro správné zadání jsou důležité dvě vlastnosti související s kompresí. Kompresní sada měří, jak velkou trvalou deformaci podložka nahromadí po trvalém stlačení – vyjádřeno jako procento původní tloušťky ztracené po definované době zatížení. Vysoká kompresní sada znamená, že podložka se během provozu postupně ztenčuje, čímž se snižuje jak její schopnost vyplňovat mezery, tak její schopnost sledovat otoky buněk. U bateriových sad, u kterých se očekává, že přežijí 10–15 let provozu se stovkami tisíc nabíjecích cyklů, by mělo být nastavení komprese nižší než 20 % za nejhorších podmínek teploty a zatížení. Kompresivní průhyb zatížení popisuje vztah mezi aplikovaným tlakem a změnou tloušťky podložky – tato křivka určuje, zda upínací struktura modulu bude generovat nadměrné namáhání buněk nebo nedostatečný kontaktní tlak na tepelnou podložku v místě konstrukčního stlačení.
Tepelně vodivé podložky, které obsahují velké množství tvrdých keramických plniv (jako je nitrid hliníku nebo nitrid boru), pro dosažení vysokých hodnot vodivosti, mají často sníženou stlačitelnost ve srovnání s lehce plněnými silikonovými podložkami. Toto je základní materiálový kompromis: více plniva zvyšuje vodivost, ale snižuje deformovatelnost matrice. Konstruktéři bateriových sad, kteří pracují s těmito vysoce vodivými podložkami, musí zajistit, aby konstrukce upnutí modulu generovala dostatečný montážní tlak pro dosažení potřebného povrchového kontaktu, aniž by došlo k překročení maximálního tlakového zatížení, které mohou články tolerovat – obvykle specifikované výrobcem článků jako maximální tlak v zásobníku v rozsahu 100–500 kPa v závislosti na formátu článku.
Ve většině architektur EV bateriových sad je chladicí deska na zemním potenciálu nebo na definovaném referenčním napětí podvozku, zatímco pouzdra článků jsou na vysokém napětí bateriové sady. Tepelná podložka mezi nimi musí poskytovat spolehlivou elektrickou izolaci, aby se zabránilo svodovému proudu, zkratům a zemním poruchám, které by spustily funkci monitorování izolace systému správy baterie nebo v nejhorším případě vytvořily nebezpečí úrazu elektrickým proudem. Tato dvojí role – tepelně vodivá, ale elektricky izolující – je jedním z klíčových technických paradoxů materiálů tepelného rozhraní, protože většina dobrých tepelných vodičů (kovy, grafit) jsou také dobrými elektrickými vodiči.
Řešení spočívá v použití nekovových tepelně vodivých plniv – zejména hexagonálního nitridu boru (hBN), oxidu hlinitého (Al₂O₃) a nitridu hliníku (AlN) – které mají tepelné vodivosti 20–300 W/m·K ve velkém, ale jsou elektrickými izolanty. Když jsou tato plniva dispergována v polymerní matrici ve vysokých objemových frakcích, vytvářejí tepelně vodivou síť, zatímco izolační polymerní matrice si zachovává elektrickou izolaci. Dobře formulovaná tepelná podložka EV baterie dosahuje dielektrické pevnosti 10–30 kV/mm a objemový odpor přesahující 10¹² Ω·cm, poskytující pohodlnou rezervu nad maximální provozní napětí současných automobilových bateriových sad (400V a 800V systémy).
Dielektrická pevnost musí být ověřena při minimální tloušťce stlačené podložky, ke které dojde ve výrobě, nikoli při jmenovité tloušťce. Pokud je 2mm podložka stlačena na 1,5 mm v sestaveném modulu, dielektrické výdržné napětí stlačené podložky je o 25 % nižší než při plné tloušťce. Podložky používané v blízkosti ostrých kovových hran – prvky chladicích desek, uzávěry článků, hrany přípojnic – musí být také posouzeny z hlediska místního zesílení elektrického pole, ke kterému dochází při geometrických nespojitostech, což může způsobit lokalizovaný dielektrický průraz při napětích hluboko pod jmenovitým odolností stejnoměrného pole.
Tepelné podložky baterií EV používané ve sériových vozidlech musí projít komplexní sadou testů materiálové kvalifikace, které jdou daleko za základní tepelné a elektrické specifikace. Materiálové normy OEM pro automobilový průmysl jsou podstatně přísnější než obecné průmyslové požadavky a odrážejí bezpečnostní důsledky selhání materiálu v bateriové sadě instalované v osobním vozidle.
Všechny materiály ve vnitřku sady baterií musí jako minimální požadavek splňovat klasifikaci hořlavosti UL94 V-0. V-0 znamená, že zkušební vzorky samy zhasnou do 10 sekund po odstranění zapalovacího plamene, aniž by docházelo k odkapávání hořícího materiálu. Mnoho výrobců OEM vyžaduje dodatečné testování podle FMVSS 302 (Federální bezpečnostní norma pro motorová vozidla pro vnitřní hořlavost) nebo protokolů požárních zkoušek specifických pro výrobce OEM, které přesněji simulují podmínky tepelného úniku baterie. Tepelné podložky, které splňují normu UL94 V-0 za standardních podmínek, mohou vyžadovat rekvalifikaci, pokud je jejich složení materiálu upraveno tak, aby se změnila vodivost nebo kompresní vlastnosti – chování v oblasti hořlavosti je citlivé na obsah a typ plniva a změny, které zlepšují tepelný výkon, někdy snižují zpomalení hoření, pokud nejsou pečlivě spravovány.
Vnitřní materiály baterie jsou testovány na emise těkavých organických sloučenin (VOC) za podmínek zvýšené teploty, které simulují nejhorší případ provozního přehřátí. Jde nejen o kontaminaci silikonem, ale také o organické sloučeniny, které by se mohly usazovat na ventilačních otvorech článků, blokovat absorpci elektrolytu nebo vytvářet koncentrace hořlavých par uvnitř uzavřeného obalu. VDA 278 (Thermal Desorption Analysis) a VDA 270 (Odour Evaluation) jsou standardní testovací metody používané v německém automobilovém dodavatelském řetězci; JASO M902 pokrývá podobné požadavky pro japonské výrobce OEM. Dodavatelé musí poskytnout laboratorní testovací data třetích stran pro tyto protokoly VOC jako součást dokumentace PPAP (Production Part Approval Process) požadované před hromadnou výrobou.
Dlouhodobé testování spolehlivosti tepelných podložek baterií EV obvykle zahrnuje tepelné cyklování mezi minimální teplotou namáčení za studena (-40 °C) a maximální provozní teplotou (85 °C až 105 °C) po 500–1 000 cyklů, přičemž se v intervalech měří změna tepelného odporu a odezva na tlakovou zátěž. Kritéria přijatelnosti vyžadují, aby se tepelný odpor během celého trvání testu nezvýšil o více než 10–20 % od původních hodnot – přísný požadavek, který eliminuje materiály, které se degradují usazováním částic plniva, štěpením polymerního řetězce nebo oxidativním tvrdnutím během zamýšlené životnosti vozidla 10–15 let.
Specifikace tepelné podložky EV baterie pro nový design bateriové sady vyžaduje systematický přístup, který zachycuje celou sadu funkčních požadavků před vyhodnocením kandidátských materiálů. Zaměření pouze na vodivost a přehlížení kompresního chování, elektrické izolace nebo chemické kompatibility vede ke kvalifikovaným materiálům, které nesplňují provozní požadavky nebo způsobují problémy s montáží ve výrobě.
Zapojení dodavatelů tepelných podložek v raných fázích programu vývoje sady baterií – před dokončením rozměrů struktury modulu – umožňuje optimalizaci tloušťky podložky a designu komprese s architekturou upínání modulu. Tento přístup na systémové úrovni trvale poskytuje lepší tepelný výkon a nižší celkové náklady na montáž než dodatečné vybavení specifikace podložky do návrhu modulu, který byl dokončen bez zohlednění mechanického chování podložky.
Applet
Call centrum:
Tel:+86-0512-63263955
Email :[email protected]
autorská práva © Goode EIS (Suzhou) Corp LTD
Izolační kompozitní materiály a díly pro průmysl čisté energie
cn