Miếng đệm nhiệt pin EV - còn được gọi là miếng đệm giao diện nhiệt pin, miếng đệm lấp khoảng trống hoặc miếng dẫn nhiệt - là những tấm vật liệu dẫn nhiệt mềm, có thể nén được đặt giữa các tế bào hoặc mô-đun pin và tấm làm mát bên dưới chúng. Chức năng của chúng nghe có vẻ đơn giản: dẫn nhiệt từ pin vào hệ thống làm mát. Nhưng thách thức kỹ thuật mà họ giải quyết lại không hề tầm thường. Pin được sản xuất với dung sai kích thước tạo ra những thay đổi nhỏ về chiều cao và độ phẳng bề mặt trên mô-đun. Nếu không có lớp trung gian tuân thủ, sự tiếp xúc giữa kim loại cứng với kim loại giữa các tế bào và tấm làm mát sẽ chỉ bao phủ các đỉnh của mỗi bề mặt, khiến phần lớn diện tích giao diện trở thành khe hở không khí – và không khí là chất dẫn nhiệt cực kỳ kém.
Miếng đệm nhiệt lấp đầy những khoảng trống vi mô và vĩ mô này bằng cách tuân thủ đồng thời cả hai bề mặt dưới mức nén vừa phải. Sự tiếp xúc gần gũi này làm giảm đáng kể điện trở tiếp xúc nhiệt ở bề mặt, tạo ra đường dẫn nhiệt có điện trở thấp từ vỏ tế bào qua tấm đệm và đi vào tấm đế làm mát bằng chất lỏng. Trong thực tế, sự khác biệt giữa giao diện không có lớp đệm và miếng đệm nhiệt được chỉ định phù hợp có thể có nghĩa là sự khác biệt giữa một tế bào hoạt động ở 35°C hoặc 55°C trong chu kỳ sạc nhanh — sự chênh lệch nhiệt độ có hậu quả sâu sắc đối với tuổi thọ pin, khả năng tốc độ sạc và giới hạn an toàn chống lại hiện tượng thoát nhiệt.
Ngoài quản lý nhiệt, Miếng đệm nhiệt pin EV cũng phục vụ các chức năng phụ quan trọng không kém trong bộ pin xe sản xuất. Chúng cung cấp cách điện giữa vỏ tế bào và tấm làm mát trong các thiết kế trong đó tấm làm mát được nối đất hoặc có điện thế khác. Chúng hấp thụ ứng suất giãn nở khi tế bào phồng lên trong quá trình sạc và xả — tế bào lithium-ion có thể giãn nở từ 2–5% trong chu kỳ sạc và nếu không có lớp tuân thủ, sự giãn nở này sẽ tạo ra ứng suất cơ học trong cấu trúc mô-đun có thể làm hỏng vỏ tế bào hoặc ngắt kết nối thanh cái. Tấm tản nhiệt bên phải đồng thời là bộ phận truyền nhiệt, chất cách điện và bộ đệm cơ học.
Độ dẫn nhiệt (được biểu thị bằng W/m·K) là thông số kỹ thuật tiêu biểu cho bất kỳ tấm tản nhiệt nào và là con số đầu tiên mà người mua so sánh. Nhưng độ dẫn điện riêng biệt không thể hiện đầy đủ câu chuyện về cách hoạt động của miếng đệm trong bộ pin — độ dày, đặc tính nén và chất lượng tiếp xúc bề mặt, tất cả đều tương tác để xác định điện trở nhiệt thực tế tại bề mặt tiếp xúc, đây là thông số xác định trực tiếp mức độ nhiệt độ tế bào tăng lên trên nhiệt độ chất làm mát dưới một tải nhiệt nhất định.
Điện trở bề mặt nhiệt (được đo bằng cm²·K/W hoặc m²·K/W) kết hợp độ dẫn điện lớn của miếng đệm với độ dày và chất lượng tiếp xúc bề mặt của nó. Tấm đệm có độ dẫn điện vừa phải 3 W/m·K được nén đến độ dày 0,5 mm sẽ hoạt động tốt hơn tấm đệm có độ dẫn điện cao hơn 6 W/m·K được nén đến độ dày 2 mm, vì tấm đệm dày hơn có nhiều vật liệu hơn để nhiệt dẫn qua. Mối quan hệ là: điện trở nhiệt = độ dày / (độ dẫn × diện tích) . Điều này có nghĩa là trong một bộ pin có dung sai lắp ráp được kiểm soát tốt và các khe hở nhỏ, một miếng đệm mỏng, dẫn điện vừa phải thường mang lại hiệu suất nhiệt tốt hơn một miếng đệm dày, dẫn điện cao — đồng thời cũng có chi phí thấp hơn và tăng thêm trọng lượng ít hơn.
Các giá trị độ dẫn thực tế trên thị trường miếng đệm nhiệt pin EV nằm trong khoảng từ 1,5 W/m·K đối với miếng đệm lấp đầy khoảng trống cơ bản được sử dụng trong các ứng dụng năng lượng thấp, đến 3–6 W/m·K đối với các thiết kế bộ pin ô tô phổ thông, lên đến 8–15 W/m·K cho các ứng dụng sạc nhanh và đua xe thể thao hiệu suất cao trong đó giảm thiểu khả năng cản nhiệt là hạn chế thiết kế chủ yếu bất kể chi phí. Trên khoảng 10 W/m·K, keo tản nhiệt hoặc vật liệu thay đổi pha bắt đầu cạnh tranh, mặc dù cả hai đều không mang lại sự kết hợp giống nhau giữa sự tuân thủ, tính dễ lắp ráp và khả năng làm lại mà tấm tản nhiệt rắn mang lại trong môi trường dây chuyền sản xuất.
Vật liệu cơ bản của tấm tản nhiệt pin EV xác định phạm vi nhiệt độ, khả năng tương thích hóa học, độ ổn định lâu dài, đặc tính nén và liệu nó có gây ra bất kỳ rủi ro ô nhiễm nào vào môi trường lắp ráp pin hay không. Ba dòng vật liệu thống trị thị trường tấm tản nhiệt ắc quy ô tô, mỗi dòng có những thế mạnh riêng giúp phù hợp với các yêu cầu thiết kế khác nhau.
Miếng đệm nhiệt ma trận silicon là loại được sử dụng rộng rãi nhất trong ngành công nghiệp ô tô. Silicone vốn có phạm vi nhiệt độ hoạt động rộng (thường từ −60°C đến 200°C), độ đàn hồi lâu dài tuyệt vời giúp duy trì lực nén và hiệu suất lấp đầy khoảng trống qua nhiều năm chu trình nhiệt, độ trơ hóa học tốt và khả năng tương thích với các yêu cầu về tính dễ cháy tiêu chuẩn UL94 V-0 đối với vật liệu gói pin. Chất độn dẫn nhiệt - nhôm oxit, boron nitrit, nhôm nitrit hoặc kết hợp của chúng - được phân tán khắp ma trận silicon để đạt được mức độ dẫn điện mong muốn. Độ mềm và sự phù hợp của ma trận silicon đảm bảo tiếp xúc bề mặt chặt chẽ ngay cả ở áp suất lắp ráp thấp, làm cho miếng silicon rất phù hợp với lực kẹp vừa phải có sẵn trong hầu hết các thiết kế mô-đun pin.
Hạn chế chính của miếng đệm nhiệt gốc silicone trong các ứng dụng EV là thoát khí silicone. Vật liệu silicon giải phóng các hợp chất siloxane trọng lượng phân tử thấp dưới dạng hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOC) ở nhiệt độ cao. Trong bộ pin kín, các hợp chất siloxan này có thể đọng lại trên các điểm tiếp xúc điện, bộ phận cảm biến và cực tế bào, có khả năng gây ra các vấn đề về điện trở tiếp xúc hoặc cản trở cơ chế thông hơi của tế bào. Đây là lý do tại sao một số OEM ô tô - đặc biệt là những OEM có chương trình kiểm soát ô nhiễm silicon nghiêm ngặt - chỉ định vật liệu giao tiếp nhiệt không chứa silicone cho bề mặt bên trong bộ pin.
Miếng đệm nhiệt không silicon sử dụng ma trận polymer thay thế - vật liệu polyurethane, acrylic, polyolefin hoặc sáp - để mang chất độn dẫn nhiệt. Những vật liệu này loại bỏ hoàn toàn mối lo ngại về thoát khí silicone, đó là lý do tại sao chúng ngày càng được các OEM chỉ định với các yêu cầu nghiêm ngặt về lắp ráp không chứa silicone, bao gồm nhiều nhà sản xuất ô tô Nhật Bản và Châu Âu. Miếng đệm nhiệt làm từ polyurethane có khả năng nén tốt và phạm vi nhiệt độ vừa phải phù hợp với bên trong bộ pin (thường từ −40°C đến 130°C). Các miếng đệm nhiệt gốc acrylic cung cấp một tấm chắc chắn hơn, ổn định hơn về kích thước, dễ xử lý và cắt khuôn dễ dàng hơn trong quá trình lắp ráp bộ pin dung lượng lớn. Sự đánh đổi cho các thiết kế không có silicone thường là phạm vi nhiệt độ hẹp hơn và độ đàn hồi lâu dài giảm so với silicone, điều này phải được tính đến trong độ dày của miếng đệm và thiết kế nén.
Vật liệu giao diện nhiệt thay đổi pha (PCM) là một loại chuyên dụng chuyển từ chất rắn sang chất lỏng ở nhiệt độ chuyển tiếp xác định - thường là 50–70°C - và trở lại chất rắn khi được làm lạnh. Ở dạng lỏng, PCM chảy vào các đặc điểm bề mặt cực nhỏ để đạt được sự tiếp xúc gần như hoàn hảo, giảm thiểu đáng kể điện trở giao diện. Các miếng đệm thay đổi pha được cung cấp dưới dạng tấm cứng để lắp ráp dễ dàng và được tối ưu hóa về nhiệt sau chu kỳ nhiệt đầu tiên được đưa vào sử dụng. Chúng đạt được một số giá trị điện trở giao diện thấp nhất hiện có trong vật liệu giao diện nhiệt dạng rắn và được sử dụng trong các bộ pin hiệu suất cao trong đó việc giảm thiểu mức tăng nhiệt độ trong quá trình sạc nhanh là điểm khác biệt chính trong cạnh tranh. Hạn chế của chúng là pha lỏng yêu cầu hình dạng ngăn chặn thích hợp để ngăn chặn sự di chuyển vật liệu ra khỏi bề mặt trong chu trình nhiệt lặp đi lặp lại.
| Loại vật liệu | Độ dẫn điển hình | Phạm vi nhiệt độ | Không chứa silicone | Lợi thế chính |
|---|---|---|---|---|
| Miếng đệm bằng silicone | 1,5–10 W/m·K | −60°C đến 200°C | Không | Phạm vi nhiệt độ rộng, độ đàn hồi lâu dài tuyệt vời |
| Tấm polyurethane | 1,5–6 W/m·K | −40°C đến 130°C | Có | Không outgassing, good compressibility |
| Tấm acrylic | 2–8 W/m·K | −40°C đến 125°C | Có | Chắc chắn, dễ dàng xử lý trong sản xuất |
| Vật liệu chuyển pha | 3–12 W/m·K | −40°C đến 150°C | Khác nhau | Điện trở giao diện thấp nhất sau chu kỳ đầu tiên |
Hoạt động của miếng đệm nhiệt khi bị nén được cho là quan trọng hơn mức độ dẫn điện lớn của nó đối với hiệu suất của bộ pin lâu dài. Giá trị độ dẫn nhiệt trên biểu dữ liệu được đo ở áp suất thử nghiệm cụ thể — thường là 10 psi (69 kPa) trở lên — áp suất này có thể khá khác so với ứng suất nén thực tế mà tấm đệm trải qua trong mô-đun pin đã lắp ráp. Một miếng đệm được nén dưới áp suất thử nghiệm của nó sẽ có khả năng chịu nhiệt cao hơn đáng kể so với biểu dữ liệu gợi ý; một miếng đệm bị nén quá mức có thể làm giảm khả năng tuân thủ còn lại đối với chỗ ở của tế bào.
Hai thuộc tính liên quan đến nén rất quan trọng để xác định chính xác. Bộ nén đo mức độ biến dạng vĩnh viễn mà tấm đệm tích lũy sau khi nén liên tục - được biểu thị bằng phần trăm độ dày ban đầu bị mất sau một khoảng thời gian xác định dưới tải. Bộ nén cao có nghĩa là miếng đệm mỏng dần khi sử dụng, làm giảm cả khả năng lấp đầy khoảng trống và khả năng theo dõi độ phồng của tế bào. Đối với các bộ pin dự kiến có thể tồn tại sau 10–15 năm hoạt động với hàng trăm nghìn chu kỳ sạc, bộ nén phải ở mức dưới 20% trong điều kiện tải và nhiệt độ trong trường hợp xấu nhất. Độ lệch tải nén mô tả mối quan hệ giữa áp suất tác dụng và sự thay đổi độ dày của miếng đệm - đường cong này xác định liệu cấu trúc kẹp của mô-đun sẽ tạo ra ứng suất quá mức lên các tế bào hay áp suất tiếp xúc không đủ trên miếng đệm nhiệt tại điểm nén thiết kế.
Các miếng đệm dẫn nhiệt có chứa nhiều chất độn gốm cứng (chẳng hạn như nhôm nitrit hoặc boron nitrit) để đạt được giá trị dẫn nhiệt cao thường có độ nén giảm so với các miếng silicon chứa đầy nhẹ. Đây là sự đánh đổi cơ bản của vật liệu: nhiều chất độn hơn sẽ tăng độ dẫn điện nhưng làm giảm độ biến dạng của nền. Các nhà thiết kế bộ pin làm việc với các miếng đệm có độ dẫn cao này phải đảm bảo rằng thiết kế kẹp mô-đun tạo ra áp suất lắp ráp phù hợp để đạt được sự tiếp xúc bề mặt cần thiết mà không vượt quá tải nén tối đa mà các tế bào có thể chịu được - thường được nhà sản xuất tế bào quy định là áp suất ngăn xếp tối đa trong khoảng 100–500 kPa tùy thuộc vào định dạng tế bào.
Trong hầu hết các cấu trúc bộ pin EV, tấm làm mát có điện thế nối đất hoặc ở điện áp tham chiếu khung máy xác định, trong khi vỏ tế bào ở điện áp cao của bộ pin. Miếng đệm nhiệt giữa chúng phải cung cấp khả năng cách điện đáng tin cậy để ngăn chặn dòng điện rò rỉ, đoản mạch và sự cố chạm đất có thể kích hoạt chức năng giám sát cách ly của hệ thống quản lý pin hoặc trong trường hợp xấu nhất là tạo ra nguy cơ điện giật. Vai trò kép này - dẫn nhiệt nhưng cách điện - là một trong những nghịch lý kỹ thuật chính của vật liệu giao diện nhiệt, vì hầu hết các chất dẫn nhiệt tốt (kim loại, than chì) cũng là chất dẫn điện tốt.
Giải pháp nằm ở việc sử dụng các chất độn dẫn nhiệt phi kim loại — đặc biệt là boron nitrit lục giác (hBN), oxit nhôm (Al₂O₃) và nhôm nitrit (AlN) — có độ dẫn nhiệt 20–300 W/m·K với số lượng lớn nhưng là chất cách điện. Khi được phân tán trong nền polyme ở nồng độ thể tích lớn, các chất độn này tạo ra mạng lưới dẫn nhiệt trong khi nền polyme cách điện duy trì khả năng cách điện. Tấm tản nhiệt pin EV có công thức tốt đạt được độ bền điện môi 10–30 kV/mm và điện trở suất vượt quá 10¹² Ω·cm, mang lại biên độ thoải mái trên điện áp hoạt động tối đa của các bộ pin ô tô hiện tại (hệ thống 400V và 800V).
Độ bền điện môi phải được xác minh ở độ dày đệm nén tối thiểu sẽ xuất hiện trong sản xuất chứ không phải ở độ dày danh nghĩa. Nếu miếng đệm 2 mm được nén xuống còn 1,5 mm trong mô-đun đã lắp ráp thì điện áp chịu được điện môi của miếng đệm nén sẽ thấp hơn 25% so với độ dày tối đa. Các miếng đệm được sử dụng gần các cạnh kim loại sắc nhọn - đặc điểm của tấm làm mát, nắp đầu tế bào, cạnh thanh cái - cũng phải được đánh giá về khả năng tăng cường điện trường cục bộ xảy ra tại các điểm gián đoạn hình học, có thể gây ra sự cố điện môi cục bộ ở điện áp thấp hơn nhiều so với định mức chịu đựng trường đồng nhất.
Miếng đệm nhiệt pin EV được sử dụng trong xe sản xuất phải vượt qua một loạt các bài kiểm tra chất lượng vật liệu toàn diện vượt xa các thông số kỹ thuật cơ bản về nhiệt và điện. Tiêu chuẩn vật liệu OEM dành cho ô tô nghiêm ngặt hơn đáng kể so với các yêu cầu công nghiệp chung, phản ánh hậu quả an toàn của lỗi vật liệu trong bộ pin lắp trên xe chở khách.
Tất cả các vật liệu bên trong bộ pin phải đáp ứng yêu cầu tối thiểu về phân loại dễ cháy UL94 V-0. V-0 có nghĩa là mẫu thử tự dập tắt trong vòng 10 giây sau khi loại bỏ ngọn lửa bắt lửa mà không có vật liệu cháy nhỏ giọt. Nhiều OEM yêu cầu thử nghiệm bổ sung theo FMVSS 302 (Tiêu chuẩn an toàn phương tiện cơ giới liên bang về tính dễ cháy bên trong) hoặc các giao thức thử lửa dành riêng cho OEM để mô phỏng chặt chẽ hơn các điều kiện của sự cố thoát nhiệt do pin. Các miếng đệm nhiệt đạt tiêu chuẩn UL94 V-0 trong các điều kiện tiêu chuẩn có thể yêu cầu tái thẩm định nếu công thức vật liệu của chúng được sửa đổi để thay đổi đặc tính dẫn điện hoặc nén — hành vi dễ cháy rất nhạy cảm với hàm lượng và loại chất độn, đồng thời những thay đổi giúp cải thiện hiệu suất nhiệt đôi khi làm giảm khả năng chống cháy nếu không được quản lý cẩn thận.
Vật liệu bên trong bộ pin được kiểm tra khả năng phát thải hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOC) trong điều kiện nhiệt độ cao mô phỏng tình trạng ngấm nhiệt khi vận hành trong trường hợp xấu nhất. Mối lo ngại không chỉ là ô nhiễm silicon mà còn cả các hợp chất hữu cơ có thể lắng đọng trên các lỗ thông hơi của tế bào, ngăn chặn sự hấp thụ chất điện phân hoặc tạo ra nồng độ hơi dễ cháy bên trong vỏ gói kín. VDA 278 (Phân tích giải hấp nhiệt) và VDA 270 (Đánh giá mùi) là các phương pháp thử nghiệm tiêu chuẩn được sử dụng trong chuỗi cung ứng ô tô của Đức; JASO M902 đáp ứng các yêu cầu tương tự dành cho các OEM Nhật Bản. Nhà cung cấp phải cung cấp dữ liệu thử nghiệm trong phòng thí nghiệm của bên thứ ba cho các giao thức VOC này như một phần của tài liệu PPAP (Quy trình phê duyệt bộ phận sản xuất) bắt buộc trước khi tìm nguồn cung ứng sản xuất hàng loạt.
Thử nghiệm độ tin cậy dài hạn cho miếng đệm nhiệt của pin EV thường bao gồm chu kỳ nhiệt giữa nhiệt độ ngâm lạnh tối thiểu (−40°C) và nhiệt độ hoạt động tối đa (85°C đến 105°C), trong 500–1.000 chu kỳ, đồng thời đo sự thay đổi về điện trở nhiệt và phản ứng tải nén theo từng khoảng thời gian. Tiêu chí chấp nhận yêu cầu khả năng chịu nhiệt tăng không quá 10–20% so với giá trị ban đầu trong toàn bộ thời gian thử nghiệm - một yêu cầu chặt chẽ giúp loại bỏ các vật liệu bị phân hủy thông qua quá trình lắng hạt độn, phân cắt chuỗi polyme hoặc làm cứng oxy hóa trong thời gian sử dụng dự định 10–15 năm của xe.
Việc chỉ định miếng đệm nhiệt của pin EV cho thiết kế bộ pin mới đòi hỏi một cách tiếp cận có hệ thống để nắm bắt được đầy đủ các yêu cầu về chức năng trước khi đánh giá các vật liệu ứng cử viên. Chỉ tập trung vào độ dẫn điện mà bỏ qua đặc tính nén, cách điện hoặc khả năng tương thích hóa học sẽ dẫn đến các vật liệu đủ tiêu chuẩn không đạt yêu cầu khi sử dụng hoặc gây ra các vấn đề trong lắp ráp sản xuất.
Thu hút sớm các nhà cung cấp tấm tản nhiệt vào chương trình phát triển gói pin — trước khi hoàn thiện kích thước cấu trúc mô-đun — cho phép độ dày của tấm đệm và thiết kế nén được đồng tối ưu hóa với kiến trúc kẹp mô-đun. Cách tiếp cận cấp hệ thống này luôn tạo ra hiệu suất nhiệt tốt hơn và tổng chi phí lắp ráp thấp hơn so với việc trang bị thêm thông số kỹ thuật của tấm đệm vào một thiết kế mô-đun đã được hoàn thiện mà không tính đến hoạt động cơ học của tấm đệm.
ứng dụng
Trung tâm cuộc gọi:
Tel:+86-0512-63263955
Email :[email protected]
Bản quyền © Goode EIS (Suzhou) Corp LTD
Vật liệu và linh kiện composite cách nhiệt cho ngành năng lượng sạch
cn