Pad haba bateri EV — juga dipanggil pad antara muka terma bateri, pad pengisi celah atau pad konduktif haba — ialah kepingan lembut dan boleh mampat bahan konduktif haba yang diletakkan di antara sel atau modul bateri dan plat penyejuk di bawahnya. Fungsi mereka kedengaran mudah: mengalirkan haba daripada sel bateri ke dalam sistem penyejukan. Tetapi cabaran kejuruteraan yang mereka selesaikan adalah sesuatu yang remeh. Sel bateri dihasilkan dengan toleransi dimensi yang menghasilkan variasi kecil dalam ketinggian dan kerataan permukaan merentas modul. Tanpa lapisan perantaraan yang mematuhi, sentuhan logam-ke-logam yang keras antara sel dan plat penyejuk akan meliputi hanya puncak setiap permukaan, meninggalkan sebahagian besar kawasan antara muka sebagai jurang udara — dan udara merupakan pengalir haba yang sangat lemah.
Pad terma mengisi jurang mikroskopik dan makroskopik ini dengan mematuhi pemampatan sederhana pada kedua-dua permukaan secara serentak. Sentuhan intim ini secara mendadak mengurangkan rintangan sentuhan terma pada antara muka, mewujudkan laluan haba rintangan rendah dari selongsong sel melalui pad dan ke dalam plat asas yang disejukkan cecair. Dari segi praktikal, perbezaan antara antara muka tidak berlapik dan pad haba yang ditentukan dengan betul boleh bermakna perbezaan antara sel yang beroperasi pada 35°C atau 55°C semasa kitaran pengecasan pantas — perbezaan suhu yang mempunyai kesan mendalam terhadap hayat bateri, keupayaan kelajuan pengecasan dan margin keselamatan terhadap pelarian haba.
Di luar pengurusan haba, pad haba bateri EV juga menyediakan fungsi sekunder yang sama pentingnya dalam pek bateri kenderaan pengeluaran. Ia menyediakan penebat elektrik antara selongsong sel dan plat penyejuk dalam reka bentuk di mana plat penyejuk dibumikan atau pada potensi yang berbeza. Mereka menyerap tekanan pengembangan apabila sel membengkak semasa pengecasan dan penyahcasan — sel litium-ion boleh mengembang sebanyak 2–5% melalui kitaran pengecasan mereka, dan tanpa lapisan yang mematuhi, pengembangan ini membina tekanan mekanikal dalam struktur modul yang boleh merosakkan selongsong sel atau memutuskan sambungan busbar. Pad haba yang betul adalah serentak komponen pemindahan haba, penebat elektrik dan penimbal mekanikal.
Kekonduksian terma (dinyatakan dalam W/m·K) ialah spesifikasi tajuk untuk mana-mana pad haba dan pembeli nombor pertama membandingkan. Tetapi kekonduksian dalam pengasingan tidak menceritakan kisah penuh tentang prestasi pad dalam pek bateri — ketebalan, gelagat mampatan dan kualiti sentuhan permukaan semuanya berinteraksi untuk menentukan rintangan haba sebenar pada antara muka, iaitu parameter yang secara langsung menentukan berapa banyak suhu sel meningkat melebihi suhu penyejuk di bawah beban haba tertentu.
Rintangan antara muka terma (diukur dalam cm²·K/W atau m²·K/W) menggabungkan kekonduksian pukal pad dengan ketebalan dan kualiti sentuhan permukaannya. Pad dengan kekonduksian sederhana 3 W/m·K yang dimampatkan kepada ketebalan 0.5mm akan mengatasi prestasi pad dengan kekonduksian yang lebih tinggi iaitu 6 W/m·K yang dimampatkan kepada ketebalan 2mm, kerana pad yang lebih tebal mempunyai lebih banyak bahan untuk mengalirkan haba. Hubungannya ialah: rintangan haba = ketebalan / (konduksi × luas) . Ini bermakna bahawa dalam pek bateri yang toleransi pemasangan dikawal dengan baik dan jurang adalah kecil, pad yang nipis dan sederhana konduktif selalunya memberikan prestasi terma yang lebih baik daripada yang tebal, sangat konduktif — sementara juga kos yang lebih rendah dan menambah berat yang lebih rendah.
Nilai kekonduksian praktikal dalam julat pasaran pad terma bateri EV daripada 1.5 W/m·K untuk pad pengisi celah asas yang digunakan dalam aplikasi kuasa rendah, melalui 3–6 W/m·K untuk reka bentuk pek bateri automotif arus perdana, sehingga 8–15 W/m·K untuk aplikasi pengecasan pantas berprestasi tinggi dan rintangan motor tanpa mengira kos yang meminimumkan. Melebihi lebih kurang 10 W/m·K, pes haba atau bahan perubahan fasa mula bersaing, walaupun kedua-duanya tidak menawarkan gabungan pematuhan, kemudahan pemasangan dan kebolehkerjaan semula yang sama seperti yang disediakan oleh pad haba pepejal dalam persekitaran barisan pengeluaran.
Bahan asas pad haba bateri EV menentukan julat suhu, keserasian kimia, kestabilan jangka panjang, ciri kebolehmampatan dan sama ada ia memperkenalkan sebarang risiko pencemaran ke dalam persekitaran pemasangan bateri. Tiga keluarga bahan menguasai pasaran pad haba bateri automotif, masing-masing dengan kekuatan khusus yang menjadikannya sesuai untuk keperluan reka bentuk yang berbeza.
Pad terma matriks silikon adalah jenis yang paling banyak digunakan di seluruh industri automotif. Silikon menyediakan julat suhu operasi yang sememangnya luas (biasanya -60°C hingga 200°C), keanjalan jangka panjang yang sangat baik yang mengekalkan daya mampatan dan prestasi mengisi jurang selama bertahun-tahun kitaran haba, lengai kimia yang baik dan keserasian dengan keperluan mudah terbakar UL94 V-0 standard untuk bahan pek bateri. Pengisi konduktif terma — aluminium oksida, boron nitrida, aluminium nitrida, atau gabungannya — tersebar di seluruh matriks silikon untuk mencapai tahap kekonduksian yang diingini. Kelembutan dan kesesuaian matriks silikon memastikan sentuhan permukaan yang intim walaupun pada tekanan pemasangan rendah, menjadikan pad silikon sangat sesuai dengan daya pengapit sederhana yang terdapat dalam kebanyakan reka bentuk modul bateri.
Had utama pad terma berasaskan silikon dalam aplikasi EV ialah gas keluar silikon. Bahan silikon membebaskan sebatian siloksan berat molekul rendah sebagai sebatian organik meruap (VOC) pada suhu tinggi. Dalam pek bateri yang dimeterai, sebatian siloksan ini boleh memendap pada sesentuh elektrik, elemen penderia dan terminal sel, yang berpotensi menyebabkan masalah rintangan sentuhan atau mengganggu mekanisme pengudaraan sel. Inilah sebabnya mengapa sesetengah OEM automotif - terutamanya yang mempunyai program kawalan pencemaran silikon yang ketat - menentukan bahan antara muka haba bebas silikon untuk permukaan dalaman pek bateri.
Pad haba bukan silikon menggunakan matriks polimer alternatif — poliuretana, akrilik, poliolefin atau bahan berasaskan lilin — untuk membawa pengisi pengalir haba. Bahan-bahan ini menghapuskan kebimbangan keluar gas silikon sepenuhnya, itulah sebabnya ia semakin dinyatakan oleh OEM dengan keperluan pemasangan bebas silikon yang ketat, termasuk banyak pembuat kereta Jepun dan Eropah. Pad haba berasaskan poliuretana menawarkan kebolehmampatan yang baik dan julat suhu sederhana sesuai untuk bahagian dalam pek bateri (biasanya -40°C hingga 130°C). Pad haba berasaskan akrilik memberikan helaian yang lebih teguh, lebih stabil dari segi dimensi yang lebih mudah dikendalikan dan dipotong semasa pemasangan pek bateri volum tinggi. Tukar ganti untuk reka bentuk bebas silikon lazimnya adalah julat suhu yang lebih sempit dan keanjalan jangka panjang yang berkurangan berbanding silikon, yang mesti diambil kira dalam ketebalan pad dan reka bentuk mampatan.
Bahan antara muka terma perubahan fasa (PCM) ialah kategori khusus yang beralih daripada pepejal kepada cecair pada suhu peralihan yang ditentukan — biasanya 50–70°C — dan kembali kepada pepejal apabila disejukkan. Dalam bentuk cecair, PCM mengalir ke dalam ciri permukaan mikroskopik untuk mencapai sentuhan hampir sempurna, secara mendadak meminimumkan rintangan antara muka. Pad perubahan fasa dibekalkan sebagai kepingan pepejal untuk pemasangan mudah dan dioptimumkan secara terma selepas kitaran terma pertama dalam perkhidmatan. Ia mencapai beberapa nilai rintangan antara muka terendah yang tersedia dalam bahan antara muka terma format pepejal dan digunakan dalam pek bateri berprestasi tinggi yang meminimumkan kenaikan suhu semasa pengecasan pantas merupakan pembeza daya saing utama. Had mereka ialah fasa cecair memerlukan geometri pembendungan yang mencukupi untuk mengelakkan penghijrahan bahan keluar dari antara muka melalui kitaran haba berulang.
| Jenis Bahan | Kekonduksian Biasa | Julat Suhu | Tanpa Silikon | Kelebihan Utama |
|---|---|---|---|---|
| Pad berasaskan silikon | 1.5–10 W/m·K | -60°C hingga 200°C | Tidak | Julat suhu yang luas, keanjalan jangka panjang yang sangat baik |
| Pad poliuretana | 1.5–6 W/m·K | −40°C hingga 130°C | ya | Tidak outgassing, good compressibility |
| Pad akrilik | 2–8 W/m·K | -40°C hingga 125°C | ya | Tegas, mudah dikendalikan dalam pengeluaran |
| Bahan perubahan fasa | 3–12 W/m·K | -40°C hingga 150°C | Berbeza-beza | Rintangan antara muka terendah selepas kitaran pertama |
Tingkah laku pad haba di bawah pemampatan boleh dikatakan lebih penting daripada penarafan kekonduksian pukalnya untuk prestasi pek bateri jangka panjang. Nilai kekonduksian terma pada lembaran data diukur pada tekanan ujian tertentu — biasanya 10 psi (69 kPa) atau lebih tinggi — yang mungkin agak berbeza daripada tegasan mampatan sebenar yang dialami pad dalam modul bateri yang dipasang. Pad yang dimampatkan di bawah tekanan ujiannya akan mempunyai rintangan haba yang lebih tinggi daripada lembaran data yang dicadangkan; pad yang terlalu mampat mungkin telah mengurangkan pematuhan yang tinggal untuk penginapan pembengkakan sel.
Dua sifat berkaitan mampatan adalah penting untuk ditentukan dengan betul. Set mampatan mengukur berapa banyak ubah bentuk kekal yang terkumpul pad selepas mampatan berterusan — dinyatakan sebagai peratusan ketebalan asal yang hilang selepas tempoh tertentu di bawah beban. Set mampatan tinggi bermakna pad secara beransur-ansur menipis dalam perkhidmatan, mengurangkan kedua-dua keupayaan mengisi jurang dan keupayaannya untuk mengesan pembengkakan sel. Untuk pek bateri yang dijangka bertahan selama 10–15 tahun beroperasi dengan ratusan ribu kitaran pengecasan, set mampatan hendaklah di bawah 20% di bawah keadaan suhu dan beban terburuk. Pesongan beban mampatan menerangkan hubungan antara tekanan yang dikenakan dan perubahan ketebalan pad — lengkung ini menentukan sama ada struktur pengapit modul akan menjana tekanan berlebihan pada sel atau tekanan sentuhan yang tidak mencukupi pada pad terma pada titik mampatan reka bentuk.
Pad konduktif terma yang mengandungi muatan tinggi pengisi seramik keras (seperti aluminium nitrida atau boron nitride) untuk mencapai nilai kekonduksian tinggi selalunya telah mengurangkan kebolehmampatan berbanding dengan pad silikon yang diisi ringan. Ini adalah pertukaran bahan asas: lebih banyak pengisi meningkatkan kekonduksian tetapi mengurangkan kebolehubah bentuk matriks. Pereka pek bateri yang bekerja dengan pad kekonduksian tinggi ini mesti memastikan bahawa reka bentuk pengapit modul menjana tekanan pemasangan yang mencukupi untuk mencapai sentuhan permukaan yang diperlukan, tanpa melebihi beban mampatan maksimum yang boleh diterima oleh sel — biasanya ditentukan oleh pengilang sel sebagai tekanan tindanan maksimum dalam julat 100–500 kPa bergantung pada format sel.
Dalam kebanyakan seni bina pek bateri EV, plat penyejuk berada pada potensi tanah atau pada voltan rujukan casis yang ditentukan, manakala selongsong sel berada pada voltan tinggi pek bateri. Pad haba di antara mereka mesti menyediakan penebat elektrik yang boleh dipercayai untuk mengelakkan kebocoran arus, litar pintas dan kerosakan tanah yang akan mencetuskan fungsi pemantauan pengasingan sistem pengurusan bateri atau, dalam kes yang paling teruk, mewujudkan bahaya kejutan. Peranan dwi ini — pengalir haba tetapi penebat elektrik — merupakan salah satu paradoks kejuruteraan utama bahan antara muka haba, kerana kebanyakan konduktor haba yang baik (logam, grafit) juga merupakan konduktor elektrik yang baik.
Penyelesaiannya terletak pada penggunaan pengisi pengalir haba bukan logam — terutamanya boron nitrida heksagon (hBN), aluminium oksida (Al₂O₃), dan aluminium nitrida (AlN) — yang mempunyai kekonduksian terma 20–300 W/m·K secara pukal tetapi merupakan penebat elektrik. Apabila tersebar dalam matriks polimer pada pecahan volum tinggi, pengisi ini mencipta rangkaian pengalir haba manakala matriks polimer penebat mengekalkan pengasingan elektrik. Pad haba bateri EV yang dirumus dengan baik mencapai kekuatan dielektrik 10–30 kV/mm dan kerintangan volum melebihi 10¹² Ω·cm, memberikan margin selesa melebihi voltan operasi maksimum pek bateri automotif semasa (sistem 400V dan 800V).
Kekuatan dielektrik mesti disahkan pada ketebalan pad termampat minimum yang akan berlaku dalam pengeluaran, bukan pada ketebalan nominal. Jika pad 2mm dimampatkan kepada 1.5mm dalam modul yang dipasang, voltan tahan dielektrik pad termampat adalah 25% lebih rendah daripada pada ketebalan penuh. Pad yang digunakan berhampiran tepi logam tajam — ciri plat penyejuk, penutup hujung sel, tepi bar bas — mesti juga dinilai untuk peningkatan medan elektrik tempatan yang berlaku pada ketakselanjaran geometri, yang boleh menyebabkan kerosakan dielektrik setempat pada voltan jauh di bawah penarafan tahan medan seragam.
Pad haba bateri EV yang digunakan dalam kenderaan pengeluaran mesti lulus set komprehensif ujian kelayakan bahan yang melampaui spesifikasi asas terma dan elektrik. Piawaian bahan OEM automotif adalah jauh lebih ketat daripada keperluan industri am, mencerminkan akibat keselamatan kegagalan bahan dalam pek bateri yang dipasang di dalam kenderaan penumpang.
Semua bahan dalam bahagian dalam pek bateri mesti memenuhi klasifikasi mudah terbakar UL94 V-0 sebagai keperluan minimum. V-0 bermakna bahawa spesimen ujian akan padam sendiri dalam masa 10 saat selepas penyingkiran nyalaan api, tanpa titisan bahan terbakar. Banyak OEM memerlukan ujian tambahan kepada FMVSS 302 (Piawaian Keselamatan Kenderaan Bermotor Persekutuan untuk kemudahbakaran dalaman) atau kepada protokol ujian kebakaran khusus OEM yang mensimulasikan keadaan kejadian lari haba bateri dengan lebih dekat. Pad terma yang melepasi UL94 V-0 di bawah keadaan standard mungkin memerlukan kelayakan semula jika rumusan bahannya diubah suai untuk menukar sifat kekonduksian atau mampatan — tingkah laku mudah terbakar adalah sensitif kepada kandungan dan jenis pengisi, dan perubahan yang meningkatkan prestasi haba kadangkala mengurangkan kalis nyalaan jika tidak diurus dengan teliti.
Bahan dalaman pek bateri diuji untuk pelepasan kompaun organik meruap (VOC) di bawah keadaan suhu tinggi yang menyerupai rendaman haba operasi kes terburuk. Kebimbangan bukan sahaja pencemaran silikon tetapi juga sebatian organik yang boleh memendap pada lubang sel, menyekat penyerapan elektrolit, atau mencipta kepekatan wap mudah terbakar di dalam kepungan pek tertutup. VDA 278 (Analisis Desorpsi Terma) dan VDA 270 (Penilaian Bau) ialah kaedah ujian standard yang digunakan dalam rantaian bekalan automotif Jerman; JASO M902 meliputi keperluan yang sama untuk OEM Jepun. Pembekal mesti menyediakan data ujian makmal pihak ketiga untuk protokol VOC ini sebagai sebahagian daripada dokumentasi PPAP (Proses Kelulusan Bahagian Pengeluaran) yang diperlukan sebelum penyumberan pengeluaran besar-besaran.
Ujian kebolehpercayaan jangka panjang untuk pad haba bateri EV biasanya termasuk kitaran haba antara suhu rendam sejuk minimum (-40°C) dan suhu operasi maksimum (85°C hingga 105°C), untuk 500–1,000 kitaran, sambil mengukur perubahan rintangan haba dan tindak balas beban mampatan pada selang waktu. Kriteria penerimaan memerlukan rintangan haba meningkat tidak lebih daripada 10–20% daripada nilai awal sepanjang tempoh ujian penuh — keperluan ketat yang menghapuskan bahan yang merosot melalui pengendapan zarah pengisi, pemotongan rantai polimer atau pengerasan oksidatif sepanjang hayat perkhidmatan kenderaan 10-15 tahun yang dimaksudkan.
Menentukan pad haba bateri EV untuk reka bentuk pek bateri baharu memerlukan pendekatan sistematik yang menangkap set lengkap keperluan fungsian sebelum menilai bahan calon. Memfokuskan hanya pada kekonduksian dan mengabaikan tingkah laku mampatan, penebat elektrik atau keserasian kimia membawa kepada bahan yang layak yang gagal dalam keperluan dalam perkhidmatan atau menimbulkan masalah pemasangan pengeluaran.
Melibatkan pembekal pad haba pada awal program pembangunan pek bateri — sebelum dimensi struktur modul dimuktamadkan — membolehkan ketebalan pad dan reka bentuk mampatan dioptimumkan bersama dengan seni bina penjepit modul. Pendekatan peringkat sistem ini secara konsisten menghasilkan prestasi terma yang lebih baik dan jumlah kos pemasangan yang lebih rendah daripada menyesuaikan semula spesifikasi pad ke dalam reka bentuk modul yang dimuktamadkan tanpa mengambil kira kelakuan mekanikal pad.
Applet
Pusat Panggilan:
Tel:+86-0512-63263955
Email :[email protected]
Hak Cipta © Goode EIS (Suzhou) Corp LTD
Bahan dan Bahagian Komposit Penebat untuk Industri Tenaga Bersih
cn