Elektrikli araç aküsü termal pedleri (aynı zamanda akü termal arayüz pedleri, boşluk doldurma pedleri veya termal olarak iletken pedler olarak da adlandırılır), pil hücreleri veya modülleri ile bunların altındaki soğutma plakası arasına yerleştirilen yumuşak, sıkıştırılabilir termal iletken malzeme tabakalarıdır. İşlevleri kulağa basit geliyor: pil hücrelerindeki ısıyı soğutma sistemine iletmek. Ancak çözdükleri mühendislik sorunu hiç de önemsiz değil. Pil hücreleri, bir modül boyunca yükseklik ve yüzey düzlüğünde küçük değişiklikler yaratan boyut toleranslarıyla üretilir. Uyumlu bir ara katman olmadan, hücreler ile soğutma plakası arasındaki sert metal-metal teması, her bir yüzeyin yalnızca tepe noktalarını kaplayacak ve arayüz alanının çoğunu bir hava boşluğu olarak bırakacaktır - ve hava, son derece zayıf bir ısı iletkenidir.
Termal ped, orta derecede basınç altında aynı anda her iki yüzeye uyum sağlayarak bu mikroskobik ve makroskobik boşlukları doldurur. Bu yakın temas, arayüzdeki termal temas direncini önemli ölçüde azaltır ve hücre muhafazasından ped boyunca ve sıvı soğutmalı taban plakasına kadar düşük dirençli bir ısı yolu oluşturur. Pratik anlamda, dolgusuz bir arayüz ile uygun şekilde belirlenmiş bir termal ped arasındaki fark, hızlı şarj döngüsü sırasında 35°C veya 55°C'de çalışan bir hücre arasındaki fark anlamına gelebilir; bu, pil ömrü, şarj hızı kapasitesi ve termal kaçaklara karşı güvenlik marjı üzerinde derin sonuçlar doğuran bir sıcaklık farkıdır.
Termal yönetimin ötesinde, EV pil termal pedleri aynı zamanda seri üretim bir araç akü paketinde eşit derecede önemli olan ikincil işlevlere de hizmet eder. Soğutma plakasının topraklandığı veya farklı bir potansiyelde olduğu tasarımlarda hücre kasası ile soğutma plakası arasında elektriksel izolasyon sağlar. Şarj etme ve boşaltma sırasında hücreler şişerken genleşme stresini emerler; lityum iyon hücreleri şarj döngüleri boyunca %2-5 oranında genişleyebilir ve uyumlu bir katman olmadan bu genişleme, modül yapısında hücre muhafazalarına zarar verebilecek veya baraların bağlantısını kesebilecek mekanik stres oluşturur. Doğru termal ped aynı anda bir ısı transfer bileşeni, bir elektrik yalıtkanı ve bir mekanik tampondur.
Termal iletkenlik (W/m·K olarak ifade edilir), herhangi bir termal pad için en önemli özelliktir ve alıcıların karşılaştırdığı ilk rakamdır. Ancak izolasyondaki iletkenlik, bir pedin pil takımında nasıl performans göstereceğine dair tüm hikayeyi anlatmaz; kalınlık, sıkıştırma davranışı ve yüzey temas kalitesi, hepsi arayüzdeki gerçek termal direnci belirlemek için etkileşime girer; bu, belirli bir ısı yükü altında hücre sıcaklığının soğutucu sıcaklığının ne kadar üzerine çıktığını doğrudan belirleyen parametredir.
Termal arayüz direnci (cm²·K/W veya m²·K/W olarak ölçülür) pedin toplu iletkenliğini kalınlığı ve yüzey temas kalitesiyle birleştirir. 0,5 mm kalınlığa sıkıştırılmış 3 W/m·K orta iletkenliğe sahip bir ped, 2 mm kalınlığa sıkıştırılmış 6 W/m·K daha yüksek iletkenliğe sahip bir pedden daha iyi performans gösterecektir çünkü daha kalın ped, ısının iletilmesi için daha fazla malzemeye sahiptir. İlişki: termal direnç = kalınlık / (iletkenlik × alan) . Bu, montaj toleranslarının iyi kontrol edildiği ve boşlukların küçük olduğu bir pil paketinde, ince, orta derecede iletken bir pedin genellikle kalın, yüksek iletkenliğe sahip olandan daha iyi termal performans sağladığı ve aynı zamanda daha az maliyetli olduğu ve daha az ağırlık kattığı anlamına gelir.
EV akü termal ped pazarındaki pratik iletkenlik değerleri, düşük güçlü uygulamalarda kullanılan temel boşluk doldurma pedleri için 1,5 W/m·K'den ana akım otomotiv akü paketi tasarımları için 3–6 W/m·K'ye, maliyetten bağımsız olarak termal direncin en aza indirilmesinin baskın tasarım kısıtlaması olduğu yüksek performanslı hızlı şarj ve motor sporları uygulamaları için 8–15 W/m·K'ye kadar değişir. Yaklaşık 10 W/m·K'nin üzerinde termal macun veya faz değiştiren malzemeler rekabet etmeye başlar, ancak bunların hiçbiri üretim hattı ortamında katı bir termal pedin sağladığı uyum, montaj kolaylığı ve yeniden işlenebilirlik kombinasyonunun aynısını sunmaz.
Bir EV akü termal yastığının temel malzemesi, sıcaklık aralığını, kimyasal uyumluluğunu, uzun vadeli stabilitesini, sıkıştırılabilirlik özelliklerini ve akü montaj ortamında herhangi bir kirlenme riski oluşturup oluşturmadığını belirler. Otomotiv aküsü termal ped pazarına hakim olan üç malzeme ailesi, her biri onları farklı tasarım gereksinimlerine uygun hale getiren belirli güçlere sahiptir.
Silikon matrisli termal pedler, otomotiv endüstrisinde en yaygın kullanılan türdür. Silikon, doğası gereği geniş bir çalışma sıcaklığı aralığı (tipik olarak -60°C ila 200°C), yıllar süren termal döngü boyunca sıkıştırma kuvvetini ve boşluk doldurma performansını koruyan mükemmel uzun vadeli elastikiyet, iyi kimyasal inertlik ve pil paketi malzemeleri için standart UL94 V-0 yanıcılık gereksinimleriyle uyumluluk sağlar. İstenilen iletkenlik seviyesine ulaşmak için termal olarak iletken dolgu maddeleri (alüminyum oksit, bor nitrür, alüminyum nitrür veya bunların kombinasyonları) silikon matris boyunca dağıtılır. Silikon matrisin yumuşaklığı ve uyumluluğu, düşük montaj basınçlarında bile yakın yüzey teması sağlayarak silikon pedleri çoğu akü modülü tasarımında mevcut olan orta sıkma kuvvetlerine çok uygun hale getirir.
EV uygulamalarında silikon bazlı termal pedlerin birincil sınırlaması silikon gazının dışarı atılmasıdır. Silikon malzemeler, yüksek sıcaklıklarda uçucu organik bileşikler (VOC'ler) olarak düşük moleküler ağırlıklı siloksan bileşiklerini açığa çıkarır. Kapalı bir pil paketinde, bu siloksan bileşikleri elektrik kontakları, sensör elemanları ve hücre terminalleri üzerinde birikerek potansiyel olarak temas direnci sorunlarına neden olabilir veya hücre havalandırma mekanizmalarına müdahale edebilir. Bu nedenle bazı otomotiv OEM'leri (özellikle sıkı silikon kirliliği kontrol programlarına sahip olanlar) pil paketinin iç yüzeyleri için silikon içermeyen termal arayüz malzemeleri tercih ediyor.
Silikonsuz termal pedler, termal olarak iletken dolguyu taşımak için alternatif polimer matrisleri (poliüretan, akrilik, poliolefin veya balmumu bazlı malzemeler) kullanır. Bu malzemeler, silikon gaz çıkışı endişesini tamamen ortadan kaldırır; bu nedenle, birçok Japon ve Avrupalı otomobil üreticisi de dahil olmak üzere, katı silikonsuz montaj gereksinimlerine sahip OEM'ler tarafından giderek daha fazla tercih edilmektedir. Poliüretan bazlı termal pedler, iyi sıkıştırılabilirlik ve pil paketinin iç kısımlarına uygun orta dereceli bir sıcaklık aralığı (tipik olarak -40°C ila 130°C) sunar. Akrilik bazlı termal pedler, yüksek hacimli pil paketi montajı sırasında işlenmesi ve kalıpla kesilmesi daha kolay olan, daha sıkı, boyutsal olarak daha stabil bir tabaka sağlar. Silikonsuz tasarımların tercih edilmesi gereken şey, silikona kıyasla tipik olarak daha dar bir sıcaklık aralığı ve daha düşük uzun vadeli elastikiyettir; bu durumun ped kalınlığı ve sıkıştırma tasarımında dikkate alınması gerekir.
Faz değişimli termal arayüz malzemeleri (PCM'ler), tanımlanmış bir geçiş sıcaklığında (tipik olarak 50-70°C) katıdan sıvıya geçiş yapan ve soğutulduğunda tekrar katıya dönüşen özel bir kategoridir. Sıvı formda bir PCM, mükemmele yakın temas elde etmek için mikroskobik yüzey özelliklerine akar ve arayüz direncini önemli ölçüde azaltır. Faz değiştirme pedleri, kolay montaj için katı levhalar halinde sağlanır ve hizmetteki ilk termal döngüden sonra termal olarak optimize edilir. Katı formatlı bir termal arayüz malzemesinde mevcut olan en düşük arayüz direnci değerlerinden bazılarına ulaşırlar ve hızlı şarj sırasında sıcaklık artışını en aza indirmenin birincil rekabet avantajı olduğu yüksek performanslı pil paketlerinde kullanılırlar. Sınırlamaları, sıvı fazın, tekrarlanan termal döngü nedeniyle ara yüzeyden malzeme geçişini önlemek için yeterli muhafaza geometrisi gerektirmesidir.
| Malzeme Türü | Tipik İletkenlik | Sıcaklık Aralığı | Silikonsuz | Temel Avantaj |
|---|---|---|---|---|
| Silikon bazlı ped | 1,5–10 W/m·K | −60°C ila 200°C | Hayır | Geniş sıcaklık aralığı, mükemmel uzun vadeli esneklik |
| Poliüretan ped | 1,5–6 W/m·K | −40°C ila 130°C | Evet | Hayır outgassing, good compressibility |
| Akrilik ped | 2–8 W/m·K | −40°C ila 125°C | Evet | Sağlam, üretimde kullanımı kolay |
| Faz değiştiren malzeme | 3–12 W/m·K | −40°C ila 150°C | Değişir | İlk döngüden sonra en düşük arayüz direnci |
Bir termal pedin sıkıştırma altındaki davranışı, uzun vadeli pil takımı performansı açısından büyük iletkenlik derecesinden tartışmasız daha önemlidir. Veri sayfasındaki termal iletkenlik değeri, belirli bir test basıncında (tipik olarak 10 psi (69 kPa) veya daha yüksek) ölçülür; bu, pedin monte edilmiş akü modülünde yaşadığı gerçek basınç stresinden oldukça farklı olabilir. Test basıncının altında sıkıştırılan bir ped, veri sayfasında öne sürülenden anlamlı derecede daha yüksek termal dirence sahip olacaktır; aşırı sıkıştırılmış bir ped, hücre şişmesinin barınması için kalan kompliyansın azalmasına neden olabilir.
Sıkıştırmayla ilgili iki özelliğin doğru şekilde belirtilmesi kritik öneme sahiptir. Sıkıştırma seti Belirli bir süre yük altında kaldıktan sonra kaybedilen orijinal kalınlığın yüzdesi olarak ifade edilen, sürekli sıkıştırma sonrasında bir balatanın ne kadar kalıcı deformasyon biriktirdiğini ölçer. Yüksek sıkıştırma seti, pedin kullanım sırasında yavaş yavaş incelip hem boşluk doldurma kapasitesini hem de hücre şişmesini takip etme yeteneğini azalttığı anlamına gelir. Yüzbinlerce şarj döngüsüyle 10-15 yıl boyunca çalışmaya dayanması beklenen pil takımları için sıkıştırma ayarı, en kötü sıcaklık ve yük koşulları altında %20'nin altında olmalıdır. Basınç yükü sapması uygulanan basınç ile ped kalınlığı değişimi arasındaki ilişkiyi açıklar. Bu eğri, modülün kenetleme yapısının hücreler üzerinde aşırı gerilim oluşturup oluşturmayacağını veya tasarım sıkıştırma noktasında termal ped üzerinde yetersiz temas basıncı oluşturup oluşturmayacağını belirler.
Yüksek iletkenlik değerleri elde etmek için yüksek miktarda sert seramik dolgu maddesi (alüminyum nitrür veya bor nitrür gibi) içeren termal olarak iletken pedler, hafifçe doldurulmuş silikon pedlere kıyasla genellikle daha düşük sıkıştırılabilirliğe sahiptir. Bu temel bir malzeme değiş tokuşudur: daha fazla dolgu maddesi iletkenliği artırır ancak matrisin deforme olabilirliğini azaltır. Bu yüksek iletkenlikli pedlerle çalışan akü paketi tasarımcıları, modül sıkıştırma tasarımının, hücrelerin tolere edebileceği maksimum sıkıştırma yükünü (genellikle hücre üreticisi tarafından hücre formatına bağlı olarak 100–500 kPa aralığında maksimum yığın basıncı olarak belirtilir) aşmadan, gerekli yüzey temasını sağlamak için yeterli montaj basıncını oluşturduğundan emin olmalıdır.
Çoğu EV batarya paketi mimarisinde, soğutma plakası toprak potansiyelinde veya tanımlanmış bir şasi referans voltajındayken, hücre muhafazaları batarya paketinin yüksek voltajındadır. Aralarındaki termal ped, akü yönetim sisteminin izolasyon izleme işlevini tetikleyebilecek veya en kötü durumda elektrik çarpması tehlikesi yaratabilecek kaçak akımı, kısa devreleri ve topraklama arızalarını önlemek için güvenilir elektrik yalıtımı sağlamalıdır. Bu ikili rol - termal olarak iletken ancak elektriksel olarak yalıtkan - termal arayüz malzemelerinin temel mühendislik paradokslarından biridir, çünkü çoğu iyi termal iletken (metaller, grafit) aynı zamanda iyi elektrik iletkenleridir.
Çözüm, toplu olarak 20–300 W/m·K termal iletkenliğe sahip olan ancak elektrik yalıtkanları olan, özellikle altıgen bor nitrür (hBN), alüminyum oksit (Al₂O₃) ve alüminyum nitrür (AlN) gibi metalik olmayan termal iletken dolgu maddelerinin kullanılmasında yatmaktadır. Yüksek hacimli fraksiyonlarda bir polimer matris içinde dağıldığında, bu dolgu maddeleri termal olarak iletken bir ağ oluştururken, yalıtkan polimer matris elektriksel izolasyonu korur. İyi formüle edilmiş bir EV akü termal pedi, 10–30 kV/mm ve 10¹² Ω·cm'yi aşan hacim direnci, mevcut otomotiv akü paketlerinin (400V ve 800V sistemler) maksimum çalışma voltajının üzerinde rahat bir marj sağlar.
Dielektrik dayanım, nominal kalınlıkta değil, üretimde oluşacak minimum sıkıştırılmış ped kalınlığında doğrulanmalıdır. Birleştirilmiş modülde 2 mm'lik bir ped 1,5 mm'ye kadar sıkıştırılırsa, sıkıştırılmış pedin dielektrik dayanım voltajı tam kalınlığa göre %25 daha düşüktür. Keskin metal kenarların yakınında kullanılan pedler (soğutma plakası özellikleri, hücre uç kapakları, bara kenarları) aynı zamanda geometrik süreksizliklerde meydana gelen ve düzgün alan dayanım derecesinin çok altındaki voltajlarda lokal dielektrik bozulmaya neden olabilen yerel elektrik alanı artışı açısından da değerlendirilmelidir.
Üretim araçlarında kullanılan EV akü termal pedleri, temel termal ve elektriksel spesifikasyonların çok ötesine geçen kapsamlı bir dizi malzeme yeterlilik testinden geçmelidir. Otomotiv OEM malzeme standartları, genel endüstriyel gerekliliklerden önemli ölçüde daha sıkı olup, bir binek araca takılan akü paketindeki malzeme arızasının güvenlik sonuçlarını yansıtır.
Pil paketinin içindeki tüm malzemeler minimum gereksinim olarak UL94 V-0 yanıcılık sınıflandırmasını karşılamalıdır. V-0, test numunelerinin ateşleme alevi ortadan kalktıktan sonra 10 saniye içinde yanan malzeme damlamadan kendiliğinden söndüğü anlamına gelir. Birçok OEM, FMVSS 302'ye (İç mekan yanıcılığına yönelik Federal Motorlu Taşıt Güvenlik Standardı) veya akü termal kaçak olayının koşullarını daha yakından simüle eden OEM'e özgü yangın testi protokollerine göre ek testler gerektirir. Standart koşullar altında UL94 V-0'ı geçen termal pedler, malzeme formülasyonları iletkenlik veya sıkıştırma özelliklerini değiştirecek şekilde değiştirilirse yeniden yeterlilik gerektirebilir; yanıcılık davranışı dolgu içeriğine ve türüne duyarlıdır ve termal performansı artıran değişiklikler, dikkatli bir şekilde yönetilmediği takdirde bazen alev geciktiriciliği azaltır.
Pil takımının iç malzemeleri, en kötü durumdaki operasyonel ısı emmeyi simüle eden yüksek sıcaklık koşulları altında uçucu organik bileşik (VOC) emisyonları açısından test edilmiştir. Sorun yalnızca silikon kirliliği değil, aynı zamanda hücre havalandırmalarında birikebilecek, elektrolit emilimini engelleyebilecek veya kapalı paket muhafazası içinde yanıcı buhar konsantrasyonları oluşturabilecek organik bileşiklerdir. VDA 278 (Termal Desorpsiyon Analizi) ve VDA 270 (Koku Değerlendirmesi), Alman otomotiv tedarik zincirinde kullanılan standart test yöntemleridir; JASO M902, Japon OEM'ler için benzer gereksinimleri kapsar. Tedarikçiler, seri üretim kaynak kullanımından önce gereken PPAP (Üretim Parçası Onay Süreci) belgelerinin bir parçası olarak bu VOC protokolleri için üçüncü taraf laboratuvar test verilerini sağlamalıdır.
EV akü termal pedleri için uzun vadeli güvenilirlik testleri tipik olarak minimum soğukta bekletme sıcaklığı (-40°C) ile maksimum çalışma sıcaklığı (85°C ila 105°C) arasında 500-1.000 döngü için termal döngüyü içerir ve aralıklarla termal dirençteki ve sıkıştırma yük tepkisindeki değişimi ölçer. Kabul kriterleri, tüm test süresi boyunca termal direncin başlangıç değerlerinden %10-20'den fazla artmamasını gerektirir; bu, aracın amaçlanan 10-15 yıllık hizmet ömrü boyunca dolgu parçacıklarının çökelmesi, polimer zincirinin kesilmesi veya oksidatif sertleşme yoluyla bozunan malzemeleri ortadan kaldıran sıkı bir gerekliliktir.
Yeni bir pil paketi tasarımı için bir EV pil termal pedinin belirlenmesi, aday malzemeleri değerlendirmeden önce tüm işlevsel gereksinimleri karşılayan sistematik bir yaklaşım gerektirir. Yalnızca iletkenliğe odaklanmak ve sıkıştırma davranışını, elektrik yalıtımını veya kimyasal uyumluluğu gözden kaçırmak, hizmet içi gereklilikleri karşılayamayan veya üretimde montaj sorunları yaratan nitelikli malzemelere yol açar.
Pil paketi geliştirme programının başlarında termal ped tedarikçileriyle iletişime geçmek (modül yapısı boyutları kesinleşmeden önce), ped kalınlığının ve sıkıştırma tasarımının modül sıkıştırma mimarisiyle birlikte optimize edilmesine olanak tanır. Bu sistem düzeyindeki yaklaşım, pedin mekanik davranışı dikkate alınmadan sonlandırılan bir modül tasarımına ped spesifikasyonunun uyarlanmasından daha iyi bir termal performans ve daha düşük toplam montaj maliyeti sağlar.
Uygulama
Çağrı Merkezi:
Tel:+86-0512-63263955
Email :[email protected]
Telif hakkı © Goode EIS (Suzhou) Corp LTD
Temiz Enerji Endüstrisine Yönelik Yalıtım Kompozit Malzemeleri ve Parçaları
cn