Podkładki termiczne do akumulatorów EV — zwane także podkładkami interfejsu termicznego akumulatora, podkładkami wypełniającymi szczeliny lub podkładkami przewodzącymi ciepło — to miękkie, ściśliwe arkusze materiału przewodzącego ciepło umieszczone pomiędzy ogniwami lub modułami akumulatora a płytą chłodzącą pod nimi. Ich funkcja wydaje się prosta: przewodzą ciepło z ogniw akumulatora do układu chłodzenia. Ale wyzwanie inżynieryjne, które rozwiązują, nie jest trywialne. Ogniwa akumulatorowe są produkowane z tolerancjami wymiarowymi, które powodują niewielkie różnice w wysokości i płaskości powierzchni modułu. Bez podatnej warstwy pośredniej kontakt twardego metalu z metalem między ogniwami a płytą chłodzącą pokryłby tylko szczyty każdej powierzchni, pozostawiając większość obszaru styku w postaci szczeliny powietrznej, a powietrze jest wyjątkowo słabym przewodnikiem ciepła.
Podkładka termiczna wypełnia te mikroskopijne i makroskopowe szczeliny, dopasowując się pod umiarkowanym naciskiem do obu powierzchni jednocześnie. Ten bliski kontakt radykalnie zmniejsza rezystancję styku termicznego na styku, tworząc ścieżkę cieplną o niskiej rezystancji z obudowy ogniwa przez podkładkę do chłodzonej cieczą płyty podstawowej. W praktyce różnica między interfejsem bez wypełnienia a odpowiednio dobraną podkładką termiczną może oznaczać różnicę między ogniwem pracującym w temperaturze 35°C a 55°C podczas cyklu szybkiego ładowania – różnica temperatur, która ma poważne konsekwencje dla żywotności baterii, szybkości ładowania i marginesu bezpieczeństwa przed niekontrolowaną temperaturą.
Oprócz zarządzania ciepłem, Podkładki termiczne do akumulatorów EV pełnią również funkcje drugorzędne, które są równie ważne w akumulatorze pojazdu produkcyjnego. Zapewniają izolację elektryczną pomiędzy obudową ogniwa a płytą chłodzącą w konstrukcjach, w których płyta chłodząca jest uziemiona lub ma inny potencjał. Pochłaniają naprężenia związane z rozszerzaniem, gdy ogniwa pęcznieją podczas ładowania i rozładowywania — ogniwa litowo-jonowe mogą rozszerzać się o 2–5% w trakcie cyklu ładowania, a bez podatnej warstwy rozszerzanie to powoduje naprężenia mechaniczne w strukturze modułu, które mogą uszkodzić obudowy ogniw lub rozłączyć szyny zbiorcze. Właściwa podkładka termiczna jest jednocześnie elementem przenoszącym ciepło, izolatorem elektrycznym i buforem mechanicznym.
Przewodność cieplna (wyrażona w W/m·K) to główna specyfikacja każdej podkładki termicznej i pierwsza liczba, którą kupujący porównują. Jednak przewodność sama w sobie nie mówi wszystkiego o tym, jak podkładka będzie działać w akumulatorze — grubość, zachowanie przy ściskaniu i jakość styku z powierzchnią współdziałają, aby określić rzeczywistą rezystancję cieplną na granicy faz, która jest parametrem bezpośrednio określającym, o ile temperatura ogniwa wzrośnie powyżej temperatury płynu chłodzącego przy danym obciążeniu cieplnym.
Rezystancja termiczna (mierzona w cm²·K/W lub m²·K/W) łączy przewodność masową podkładki z jej grubością i jakością kontaktu z powierzchnią. Podkładka o umiarkowanej przewodności 3 W/m·K skompresowana do grubości 0,5 mm będzie działać lepiej niż podkładka o wyższej przewodności 6 W/m·K skompresowana do grubości 2 mm, ponieważ grubsza podkładka ma więcej materiału, przez który może przewodzić ciepło. Związek jest następujący: opór cieplny = grubość / (przewodność × powierzchnia) . Oznacza to, że w akumulatorze, w którym tolerancje montażowe są dobrze kontrolowane, a szczeliny małe, cienka, średnio przewodząca podkładka często zapewnia lepszą wydajność cieplną niż gruba, silnie przewodząca podkładka, a jednocześnie kosztuje mniej i zwiększa wagę.
Praktyczne wartości przewodności na rynku podkładek termicznych do akumulatorów EV wahają się od 1,5 W/m·K dla podstawowych podkładek wypełniających szczeliny stosowanych w zastosowaniach o niskim poborze mocy, przez 3–6 W/m·K dla popularnych konstrukcji akumulatorów samochodowych, aż do 8–15 W/m·K dla wysokowydajnych zastosowań szybkiego ładowania i sportów motorowych, gdzie minimalizacja oporu cieplnego jest dominującym ograniczeniem projektowym niezależnie od kosztów. Powyżej około 10 W/m·K pasta termoprzewodząca lub materiały zmiennofazowe zaczynają konkurować, choć żaden z nich nie oferuje takiego samego połączenia zgodności, łatwości montażu i możliwości ponownej obróbki, jakie zapewnia solidna podkładka termiczna w środowisku linii produkcyjnej.
Materiał bazowy podkładki termicznej akumulatora EV określa jego zakres temperatur, zgodność chemiczną, długoterminową stabilność, charakterystykę ściśliwości oraz to, czy stwarza ryzyko zanieczyszczenia środowiska montażu akumulatora. Na rynku podkładek termicznych do akumulatorów samochodowych dominują trzy rodziny materiałów, każda o określonych mocach, dzięki czemu nadaje się do różnych wymagań projektowych.
Podkładki termiczne z matrycą silikonową są najczęściej stosowanym rodzajem w przemyśle motoryzacyjnym. Silikon zapewnia naturalnie szeroki zakres temperatur roboczych (zwykle od -60°C do 200°C), doskonałą długoterminową elastyczność, która utrzymuje siłę ściskającą i zdolność wypełniania szczelin przez lata cykli termicznych, dobrą obojętność chemiczną i zgodność ze standardowymi wymaganiami palności UL94 V-0 dla materiałów akumulatorów. Wypełniacze termoprzewodzące – tlenek glinu, azotek boru, azotek glinu lub ich kombinacje – są rozproszone w matrycy silikonowej, aby osiągnąć pożądany poziom przewodności. Miękkość i podatność matrycy silikonowej zapewniają dokładny kontakt powierzchniowy nawet przy niskich naciskach montażowych, dzięki czemu podkładki silikonowe są dobrze dopasowane do umiarkowanych sił mocowania dostępnych w większości konstrukcji modułów akumulatorowych.
Podstawowym ograniczeniem podkładek termicznych na bazie silikonu w zastosowaniach pojazdów elektrycznych jest odgazowywanie silikonu. Materiały silikonowe uwalniają w podwyższonych temperaturach związki siloksanowe o niskiej masie cząsteczkowej w postaci lotnych związków organicznych (LZO). W szczelnie zamkniętym akumulatorze te związki siloksanowe mogą osadzać się na stykach elektrycznych, elementach czujników i zaciskach ogniw, potencjalnie powodując problemy z rezystancją styków lub zakłócając mechanizmy wentylacyjne ogniwa. Z tego powodu niektórzy producenci OEM z branży motoryzacyjnej — szczególnie ci, którzy prowadzą rygorystyczne programy kontroli zanieczyszczenia silikonem — wybierają niezawierające silikonu materiały interfejsu termicznego na wewnętrzne powierzchnie akumulatorów.
Niesilikonowe podkładki termiczne wykorzystują alternatywne matryce polimerowe — poliuretan, akryl, poliolefinę lub materiały na bazie wosku — do przenoszenia wypełniacza przewodzącego ciepło. Materiały te całkowicie eliminują problem odgazowywania silikonu i dlatego są coraz częściej wybierane przez producentów OEM, którzy mają rygorystyczne wymagania dotyczące montażu bez silikonu, w tym wielu japońskich i europejskich producentów samochodów. Podkładki termiczne na bazie poliuretanu zapewniają dobrą ściśliwość i umiarkowany zakres temperatur odpowiedni do wnętrz akumulatorów (zwykle od -40°C do 130°C). Podkładki termiczne na bazie akrylu zapewniają mocniejszy, bardziej stabilny wymiarowo arkusz, który jest łatwiejszy w obsłudze i cięciu podczas montażu zestawu akumulatorów o dużej objętości. Kompromisem w przypadku konstrukcji niezawierających silikonu jest zazwyczaj węższy zakres temperatur i zmniejszona długoterminowa elastyczność w porównaniu z silikonem, co należy uwzględnić przy grubości podkładki i konstrukcji kompresji.
Materiały termoprzewodzące o przemianie fazowej (PCM) to wyspecjalizowana kategoria, która przechodzi ze stanu stałego w ciecz w określonej temperaturze przejścia — zwykle 50–70°C — i z powrotem w ciało stałe po schłodzeniu. W postaci płynnej PCM wnika w mikroskopijne elementy powierzchni, aby osiągnąć niemal idealny kontakt, radykalnie minimalizując rezystancję interfejsu. Podkładki zmieniające fazę są dostarczane w postaci pełnych arkuszy, co ułatwia montaż i stają się zoptymalizowane termicznie po pierwszym cyklu termicznym w eksploatacji. Osiągają jedne z najniższych wartości rezystancji interfejsu dostępnych w przypadku materiału interfejsu termicznego w formacie stałym i są stosowane w wysokowydajnych zestawach akumulatorów, w których minimalizacja wzrostu temperatury podczas szybkiego ładowania jest głównym wyróżnikiem konkurencyjnym. Ich ograniczeniem jest to, że faza ciekła wymaga odpowiedniej geometrii obudowy, aby zapobiec migracji materiału z granicy faz w wyniku powtarzających się cykli termicznych.
| Rodzaj materiału | Typowa przewodność | Zakres temperatur | Nie zawiera silikonu | Kluczowa zaleta |
|---|---|---|---|---|
| Podkładka na bazie silikonu | 1,5–10 W/m·K | −60°C do 200°C | Nie | Szeroki zakres temperatur, doskonała długoterminowa elastyczność |
| Podkładka poliuretanowa | 1,5–6 W/m·K | −40°C do 130°C | Tak | Nie outgassing, good compressibility |
| Podkładka akrylowa | 2–8 W/m·K | -40°C do 125°C | Tak | Mocne, łatwe w obsłudze w produkcji |
| Materiał zmiennofazowy | 3–12 W/m·K | −40°C do 150°C | Różnie | Najniższa rezystancja interfejsu po pierwszym cyklu |
Zachowanie podkładki termicznej pod wpływem ściskania jest prawdopodobnie ważniejsze niż jej ogólna przewodność, jeśli chodzi o długoterminową wydajność akumulatora. Wartość przewodności cieplnej podana w arkuszu danych jest mierzona przy określonym ciśnieniu testowym — zwykle 10 psi (69 kPa) lub wyższym — które może znacznie różnić się od rzeczywistego naprężenia ściskającego, któremu podlega podkładka w zmontowanym module akumulatora. Podkładka ściśnięta poniżej ciśnienia testowego będzie miała znacznie wyższą odporność termiczną, niż sugeruje to arkusz danych; nadmiernie ściśnięta podkładka może mieć zmniejszoną podatność pozostałą w celu akomodacji obrzęku komórek.
Prawidłowe określenie dwóch właściwości związanych z kompresją ma kluczowe znaczenie. Zestaw kompresyjny mierzy, ile trwałego odkształcenia gromadzi się podkładka po długotrwałym ściskaniu — wyrażone jako procent pierwotnej grubości utraconej po określonym czasie pod obciążeniem. Wysoki stopień kompresji oznacza, że podkładka stopniowo staje się cieńsza w trakcie użytkowania, zmniejszając zarówno zdolność wypełniania szczelin, jak i zdolność śledzenia pęcznienia komórek. W przypadku akumulatorów, które mają przetrwać 10–15 lat pracy przy setkach tysięcy cykli ładowania, stopień sprężania powinien wynosić poniżej 20% w najgorszych warunkach temperatury i obciążenia. Ugięcie obciążenia ściskającego opisuje zależność pomiędzy zastosowanym ciśnieniem a zmianą grubości podkładki — ta krzywa określa, czy struktura zaciskowa modułu będzie generować nadmierne naprężenia w komórkach lub niewystarczający nacisk kontaktowy na podkładkę termiczną w projektowym punkcie ściskania.
Podkładki termoprzewodzące, które zawierają duże ilości twardych wypełniaczy ceramicznych (takich jak azotek glinu lub azotek boru) w celu uzyskania wysokich wartości przewodności, często mają zmniejszoną ściśliwość w porównaniu z lekko wypełnionymi podkładkami silikonowymi. Jest to zasadniczy kompromis materiałowy: więcej wypełniacza zwiększa przewodność, ale zmniejsza odkształcalność matrycy. Projektanci akumulatorów pracujący z podkładkami o wysokiej przewodności muszą upewnić się, że konstrukcja mocowania modułu generuje odpowiedni nacisk montażowy, aby osiągnąć niezbędny kontakt powierzchniowy, bez przekraczania maksymalnego obciążenia ściskającego, jakie ogniwa mogą wytrzymać — zwykle określanego przez producenta ogniwa jako maksymalne ciśnienie stosu w zakresie 100–500 kPa w zależności od formatu ogniwa.
W większości konstrukcji zestawów akumulatorów pojazdów elektrycznych płyta chłodząca znajduje się pod potencjałem masy lub określonym napięciem odniesienia podwozia, natomiast obudowy ogniw znajdują się pod wysokim napięciem zestawu akumulatorów. Podkładka termiczna pomiędzy nimi musi zapewniać niezawodną izolację elektryczną, aby zapobiec prądom upływowym, zwarciom i zwarciom doziemnym, które mogłyby uruchomić funkcję monitorowania izolacji systemu zarządzania akumulatorem lub, w najgorszym przypadku, stworzyć ryzyko porażenia prądem. Ta podwójna rola — przewodząca ciepło, ale izolująca elektrycznie — jest jednym z kluczowych paradoksów inżynieryjnych materiałów interfejsu termicznego, ponieważ większość dobrych przewodników ciepła (metale, grafit) jest również dobrymi przewodnikami prądu elektrycznego.
Rozwiązanie polega na zastosowaniu niemetalowych wypełniaczy przewodzących ciepło — zwłaszcza sześciokątnego azotku boru (hBN), tlenku glinu (Al₂O₃) i azotku glinu (AlN) — które mają przewodność cieplną na poziomie 20–300 W/m·K w masie, ale są izolatorami elektrycznymi. Po zdyspergowaniu w matrycy polimerowej w dużych ilościach wypełniacze tworzą sieć przewodzącą ciepło, podczas gdy izolacyjna matryca polimerowa utrzymuje izolację elektryczną. Dobrze sformułowana podkładka termiczna akumulatora EV osiąga wytrzymałość dielektryczną 10–30 kV/mm i rezystywności skrośnej przekraczającej 10¹² Ω·cm, zapewniając wygodny margines powyżej maksymalnego napięcia roboczego obecnych akumulatorów samochodowych (systemy 400 V i 800 V).
Wytrzymałość dielektryczną należy weryfikować przy minimalnej grubości sprasowanej podkładki, która wystąpi w produkcji, a nie przy grubości nominalnej. Jeśli podkładka o grubości 2 mm zostanie ściśnięta w zmontowanym module do grubości 1,5 mm, napięcie wytrzymywane dielektryka skompresowanej podkładki będzie o 25% niższe niż przy pełnej grubości. Podkładki stosowane w pobliżu ostrych krawędzi metalowych — elementy płyt chłodzących, zaślepki ogniw, krawędzie szyn zbiorczych — należy również ocenić pod kątem lokalnego wzmocnienia pola elektrycznego, które występuje przy nieciągłościach geometrycznych, co może powodować miejscowe przebicie dielektryka przy napięciach znacznie niższych od wartości znamionowej wytrzymałości na jednolite pole.
Podkładki termiczne do akumulatorów pojazdów elektrycznych stosowane w pojazdach produkcyjnych muszą przejść kompleksowy zestaw testów kwalifikacji materiałów, które znacznie wykraczają poza podstawowe specyfikacje termiczne i elektryczne. Normy materiałowe OEM dla branży motoryzacyjnej są znacznie bardziej rygorystyczne niż ogólne wymagania przemysłowe i odzwierciedlają konsekwencje dla bezpieczeństwa awarii materiału w zestawie akumulatorów zainstalowanym w pojeździe osobowym.
Wszystkie materiały użyte we wnętrzu akumulatora muszą spełniać wymagania minimalne dotyczące palności UL94 V-0. V-0 oznacza, że próbki ulegają samogaśnięciu w ciągu 10 sekund od usunięcia płomienia zapłonowego, bez kapania palącego się materiału. Wielu producentów OEM wymaga dodatkowych testów zgodnie z FMVSS 302 (federalna norma bezpieczeństwa pojazdów silnikowych dotycząca palności wnętrza) lub protokołami testów ogniowych specyficznych dla OEM, które dokładniej symulują warunki niekontrolowanej temperatury akumulatora. Podkładki termiczne, które spełniają normę UL94 V-0 w standardowych warunkach, mogą wymagać ponownej kwalifikacji, jeśli skład ich materiału zostanie zmodyfikowany w celu zmiany właściwości przewodności lub ściskania — palność jest zależna od zawartości i rodzaju wypełniacza, a zmiany poprawiające właściwości termiczne czasami zmniejszają ognioodporność, jeśli nie są starannie zarządzane.
Materiały wewnętrzne akumulatorów są testowane pod kątem emisji lotnych związków organicznych (LZO) w warunkach podwyższonej temperatury, które symulują najgorszy przypadek przesiąkania ciepła podczas pracy. Problemem jest nie tylko zanieczyszczenie silikonem, ale także związki organiczne, które mogą osadzać się na otworach wentylacyjnych ogniw, blokować absorpcję elektrolitu lub tworzyć stężenia palnych oparów wewnątrz szczelnie zamkniętej obudowy opakowania. VDA 278 (analiza desorpcji termicznej) i VDA 270 (ocena zapachu) to standardowe metody badawcze stosowane w niemieckim łańcuchu dostaw motoryzacyjnych; JASO M902 spełnia podobne wymagania japońskich producentów OEM. Dostawcy muszą dostarczyć dane z testów laboratoryjnych stron trzecich dla tych protokołów LZO w ramach dokumentacji PPAP (proces zatwierdzania części do produkcji) wymaganej przed zaopatrzeniem w produkcję masową.
Długoterminowe testy niezawodności podkładek termicznych do akumulatorów pojazdów elektrycznych zazwyczaj obejmują cykle termiczne pomiędzy minimalną temperaturą wygrzewania na zimno (-40°C) a maksymalną temperaturą roboczą (85°C do 105°C) przez 500–1000 cykli, przy jednoczesnym pomiarze zmiany oporu cieplnego i reakcji na obciążenie ściskające w odstępach czasu. Kryteria akceptacji wymagają, aby opór cieplny wzrastał o nie więcej niż 10–20% w stosunku do wartości początkowych przez cały czas trwania testu – rygorystyczny wymóg, który eliminuje materiały ulegające degradacji w wyniku osiadania cząstek wypełniacza, rozerwania łańcucha polimeru lub utwardzania oksydacyjnego w ciągu planowanego okresu użytkowania pojazdu wynoszącego 10–15 lat.
Określenie podkładki termicznej do akumulatora EV dla nowego projektu zestawu akumulatorów wymaga systematycznego podejścia, które uwzględni pełen zestaw wymagań funkcjonalnych przed oceną materiałów kandydujących. Koncentrowanie się wyłącznie na przewodności i pomijanie zachowania podczas ściskania, izolacji elektrycznej lub kompatybilności chemicznej prowadzi do kwalifikowanych materiałów, które nie spełniają wymagań eksploatacyjnych lub powodują problemy z montażem produkcyjnym.
Zaangażowanie dostawców podkładek termicznych na wczesnym etapie programu rozwoju pakietu akumulatorów — przed ostatecznym określeniem wymiarów konstrukcji modułu — umożliwia optymalizację grubości podkładki i konstrukcji kompresji z architekturą mocowania modułu. To podejście na poziomie systemu konsekwentnie zapewnia lepszą wydajność cieplną i niższy całkowity koszt montażu niż dopasowywanie specyfikacji podkładki do projektu modułu, który został sfinalizowany bez uwzględnienia mechanicznego zachowania podkładki.
Aplet
Centrum telefoniczne:
Tel:+86-0512-63263955
Email :[email protected]
Prawa autorskie © Goode EIS (Suzhou) Corp LTD
Izolacyjne materiały kompozytowe i części dla przemysłu czystej energii
cn