熱管理は,現代の電気自動車のバッテリー設計における最も重要な技術課題の一つです.

電気自動車の電池パックは エネルギー密度が高く 充電速度も速く 電力出力が高く コンパクトなアーキテクチャを備えるようになると セル温度を制御することは 難しくなります冷却システム自体は 解決策の一部分に過ぎませんセル,冷却構造,包装箱,その他の部品の間に置かれた材料が,熱がどれだけ効果的に移動するか,あるいはいかに効果的に遮断されるかを決定します.

蓄電池の熱管理は,冷却,熱伝達,隔熱,密封,熱伝播,アクティブヒート単一の冷却技術ではなく

適切に設計されたバッテリー熱管理システムは,通常,複数の材料技術を使用し,各材料はパック内の特定の位置と機能に応じて選択されます.

リチウムイオン電池は,動作温度に敏感である.電池の性能,老化行動,充電能力,安全性はすべて温度によって影響される.

制御された動作窓内でセル温度を維持することを目的としています.15°Cから40°C研究レビューでは,バッテリーの性能のために正確な温度制御の重要性が強調されています.安全性と使用寿命.

課題は冷却システムが温度を効果的に制御できるのは 熱が冷却媒間に届くときだけです

液体冷却プレート,冷却液チャネル,または空気の流れは冷却境界条件を確立します.しかし,セルと冷却システムの間のすべてのインターフェースは熱抵抗を導入します.

例えば:

セル → TIM → 冷たいプレート → 冷却剤

インターフェイスに微小な空気の隙間,不十分な圧縮,または結合線厚さが過剰な場合は,熱路は,冷却システム自体に十分な容量がある場合でもボトルネックになる可能性があります..

そのため,材料の選択はバッテリーの熱管理設計の不可欠な部分です.

現代のバッテリーパックには 複数の異なる熱帯と保護区域があります

各ゾーンが異なる機能を果たし,したがって異なる素材戦略が必要です

このゾーンベースのアプローチは,エンジニアが最初に定義できるので,材料の選択を容易にする各インターフェースが達成する必要があること適切な材料のクラスを選択します

液体冷却電池における 最も重要な熱経路の"つです

目的は単純です

熱を発生させる電池と冷却構造間の熱抵抗を最小限に抑える.

熱伝導性は約0.026 W/m·K制御されていない空気の隙間が インターフェース抵抗を大幅に増加させる

熱インターフェース材料はこれらの隙間を埋め,より連続的な熱経路を作り出します

最も一般的な3つのアプローチは以下の通りです.

• 熱パッド

• 散布された熱空白補填剤

• 熱伝導性のある接着剤

熱パッドは,電池部品と冷却構造の間に配置された適合性のある固形シートです.

シリコンと非シリコンの配合で入手可能で,カスタマイズされた形に切断することができます.

典型的な利点は以下の通りです.

• 硬化プロセスがない

• 簡単にインストール

• 精密な切断形状

• 絶縁品の良い電気隔熱

• 多くの用途で再処理可能

• 制御された厚さ

重要な選択パラメータは以下の通りである.

• 熱伝導性

• 熱阻力

• 厚さ

• 硬さ

• 圧縮行動

• 介電強度

• 圧縮セット

• 動作温度

高い熱伝導性だけでは,良い応用性能を保証できない.

例えば,非常に硬いパッドには優れた伝導性がありますが,表面に密接な接触を達成するには,過剰な組立圧力が必要です.柔らかい 材料 は,低圧 で より 適性 を 与える こと が でき ます.

設計者によって実際の組立圧力と結合線厚さの下での熱阻力W/m·K の値だけによって材料を選択する代わりに,

配送されたギャップフラーが特に有用なのは,インターフェースギャップが電池組全体で異なる場合です.

プリカットパッドとは異なり,液体またはゲルベースのギャップフィラーはインターフェースの実際の幾何学に適合することができます.

この技術が魅力的になるのは:

• セルと冷蔵板のインターフェース

• セル・トゥ・パック・アーキテクチャ

• 大面積の電池モジュール

• 複雑な容量スタック

• 自動生産ライン

1 部分と 2 部分の配列が利用できます.

一部材料は,製造者の指定条件に従って制御された固化のために設計され,二部システムは,配分後に混合および固化されます.

主な利点は以下の通りです.

• 優れた表面適合性

• 大量の空白を埋める能力

• 低機械的ストレス

• 自動配給の互換性

• プリカットパッドの幾何学への依存度が減る

主な製造上の考慮事項は以下のとおりです.

• 流出量

• 2 部分システムにおける混合比

• 容器の寿命

• 治る時間

• 設備の要件

• 債券ライン制御

• 改造戦略

大量の電池の生産においては,これらのプロセスの要因は熱伝導性と同じくらい重要です.

パッドと配給された隙間埋め器の選択は,主にインターフェースの幾何学と製造プロセスに依存します.

どちらの技術も普遍的に優れているわけではありません

適切な選択はギャップ範囲,許容量スタック,圧縮要件,生産量,熱目標.

バッテリーインターフェースには熱伝送と機械的な接続の両方が必要です.

熱伝導性接着剤は,部品から熱を伝導しながら,恒久的な結合を提供することができます.

考慮されるのは:

• 永久的な部品の固定

• 構造的な熱インターフェース

• バスバー関連アプリケーション

• 熱分散装置

• 機械式固定装置が望ましくない部品

熱伝導性テープは軽い部品の組み立て方法をよりシンプルにすることができます.

しかし,接着剤 とテープ は,通常,熱パッド より 再加工 する の は 簡単 で は あり ませ ん.それゆえ,接着剤 の 永久性 が 受け入れ られる 場合 に 選択 する べき です.

垂直的な熱伝達が不十分であるため 全ての熱問題は起こらない.

大きなプリズマ細胞やポックセル組も表面全体で温度グラデーションを経験する.

これらの状況では,熱を散布する材料は,主冷却インターフェースに到達する前に,熱を横向きに分散させることができます.

グラファイトとグラフェンベースの材料は,高平面熱伝導性を提供できるアニゾトロプ性熱材料の例である.

材料の構造によって,グラフィットベースの散熱器は非常に高い平面内伝導性値に達し,一部の商業用製品では1,000 W/m·K.

これらの材料は,主にTIMを直接置き換えるのではなく,通常,熱スタックの一部として使用されます.

簡素化された構造は次のようになる.

セル → 熱分散器 → TIM → 冷板

熱分散装置は局所温度濃度を低下させ,TIMは冷却構造に熱接触をします.

段階変化材料 (PCM) は,相移行中に熱を吸収する.

熱負荷が短期間ピークを伴うアプリケーションに便利である.

例えば,電池は,次の過程で,一時的な熱発生の増加を経験する可能性があります.

• 急速充電

• 高速加速

• 回復式ブレーキ

• 高電流放電

PCMは,この一時的な熱の一部を吸収し,温度上昇速度を減らすことができます.

しかし,PCMはアクティブ冷却システムの代替物として見なされるべきではない.

材料は有限の潜伏熱容量を有する.利用可能な相変化容量が尽きると,PCMはもはや同じバッファ効果を提供することはできません.

したがって,PCMは適切な熱排気システムと統合されたときに最も効果的です.

電気自動車電池の熱管理に関する2024年レビュー文献では,PCMベースのアプローチが重要な受動的またはハイブリッド熱管理技術の一つであると示されている.

バッテリーパックの一部は 効率的に熱を伝達する必要があるが 他の部分は 逆の働きをする必要があります

熱伝播を遅らせたり 電気隔熱を提供したりする材料が 細胞の間が必要かもしれません

一般的な材料技術には以下が含まれます.

エアゲル製の毛布は薄い構造で熱伝導性が非常に低いことが出来ます

その主な利点は 熱隔熱効率です

しかし,いくつかのエアゲル構造が圧縮,磨き,操作に敏感であるため,機械的保護が必要かもしれません.

シリコンフームは以下のような組み合わせを備えています

• 熱隔離

• クッション

• 圧縮復元

• 環境抵抗性

• 電気隔熱

• 炎阻害のオプション

例えば,ZIITEKのZ-FOAM800ファミリーは,熱伝導性が約0.06 W/m·KUL 94 V-0 評価と,特定のグレードに応じて,約200°Cまで温度を拡張する能力.

ミカとセラミックシートは 電気隔熱と高温保護を提供できます

材料が激しい熱にさらされても耐えられるか,電池部品間の物理的障壁を提供しなければならない場合,しばしば考慮されます.

適切な材料は,バッテリー構造,熱発生シナリオ,適用される安全要件に依存する.

熱隔熱だけでは 全ての電池安全事故を防ぐことはできません

完全な熱流失緩和戦略には,次のことが含まれる:

• バッテリー管理システムの制御装置

• 細胞監視

• 熱隔離

• 防火障害物

• 換気装置

• メカニカル・キャビネット設計

• 冷却システム

• 耐火材料

標準と試験方法,例えばUL 2596熱流を代表する条件下でバッテリーキャビネット材料の熱性能と機械性能を評価するために使用できる.

重要なことに,材料レベルでの試験結果は,システムレベルでのバッテリー安全性の直接の保証として解釈されるべきではありません.実際の性能は,材料,幾何学,厚さ,細胞設計と最終用途の構成.

バッテリーの熱管理は 環境保護と密接に関連しています

バッテリーキャビネットは,内部部品を水,塵,湿度,振動,温度サイクルから保護しなければならない.

密封材料は,したがって,必要な使用期間中,圧縮と密封力を維持する必要があります.

重要な仕様には,以下が含まれます.

• 圧縮セット

• 水吸収

• 温度範囲

• 炎阻害性

• 張力・破裂特性

• 介電強度

• 環境抵抗性

• 切断容量

炎阻害性を要求するアプリケーションでは,UL 94 V-0ULは,定義された試験条件に基づく材料の炎易性分類として UL 94 V 評価を記述します.

侵入防止の要求事項IP67 または IP68バッテリーキャビネットとOEM仕様によっても適用される.

シリコン泡は 密封,緩衝,隔熱機能を 1 つの材料で組み合わせることができます.

例えば,ZIITEK の Z-FOAM800 シリーズには,電池箱の密封と熱保護のために設計されたグレードが含まれています.UL 94 V-0 炎阻害性及び高温耐性準確な値はグレードによって異なります.

バッテリーの用途では,エンジニアは圧縮セットのみを基に密封材を選択するのではなく,密封設計全体を評価する必要があります.

材料,溝の幾何学,圧縮比,許容量,環境への曝露は,すべて長期的な密封性能に影響します.

電池の熱管理は 熱を取り除くことだけではありません

低温環境では,充電前または充電中にバッテリーを加熱する必要もあります.

低温では利用可能な電源と充電性能が低下する可能性があります.十分な低温でリチウムイオン電池を充電すると,リチウム塗装のリスクも増加します.細胞化学と充電条件に応じて.

柔軟なヒートエレメントをバッテリーパックに組み込み,適切な動作範囲にセル温度を上げることができます.

共通技術には以下のものがある.

ポリマイドヒーターは

• 薄い構造

• 軽量

• 高い柔軟性

• オーダーメイドの加熱パターン

• 耐熱性が良い

シリコンゴムのヒーターは:

• 柔軟な構造

• 環境に適した耐性

• 機械的な耐久性

• オーダーメイドの暖房地帯

• バッテリーパック構造との互換性

ZIITEKのKheatヒーターソリューションには,ポリマイドおよびシリコンベースのヒーター技術が含まれ,電力密度 1 〜 2 W/cm2設計と用途によって

加熱システムは,温度センサーと制御アルゴリズムとともに設計され,過剰な温度グラディエーションや過熱を避けるべきである.

セル・トゥ・パック (CTP) アーキテクチャは,いくつかの伝統的なモジュール構造を削減または排除する.

IDTechExは,CTP設計は,従来のモジュールに関連したインターフェースの一部を取り除くため,使用されるTIMの量を大幅に削減できると報告しています.

しかし,TIMレイヤの数を減らすことは,注意深くインターフェースエンジニアリングの必要性を排除するものではありません.

CTP設計では,残りのセルから冷却プレートへのインターフェースがさらに重要になります.

エンジニアは以下を管理する必要があります.

• インターフェース面積が大きい

• 大きさの変化

• 細胞拡大

• 圧縮要件

• 長期間の機械的安定性

• 熱阻力

• 自動化された申請

結果として,材料が少なくなる傾向は,残った材料に対する性能要求を実際に増加させる可能性があります.

材料の選択は 製品カタログではなく 熱構造から始めなければなりません

実践的な選定プロセスには,次のステップが含まれます.

熱を発生させる電池と冷却媒体の間のすべてのインターフェースを特定する.

例えば:

セル → TIM → 冷たいプレート → 冷却剤

次に,熱を遮断,拡散,密封,または積極的に発生させる必要がある他の領域を特定します.

決定する

• 容許される最大電池温度

• 細胞間の最大温度差

• 熱発生率

• 目標熱抵抗

• インターフェイスエリア

• 予期される温度範囲

熱伝導性を選択基準として使用してはならない.

措置:

• 最小差

• 最大格差

• 平らさ

• 表面の荒さ

• 構成要素の許容量

• 圧縮範囲

この情報は,熱パッド,隙間埋め物,接着物,または他のインターフェース技術が適切かどうかを決定します.

考える 方法

• 圧縮力

• 圧縮セット

• 細胞拡大

• 振動

• ショック

• 切断器の動き

• 長期的ストレス緩和

TIMは,バッテリーパックの機械的使用期間中,機能し続けなければならない.

材料の位置によって,次のことが必要になる可能性があります.

• 電気隔熱

• 介電強度

• 炎阻害性

• 低煙量

• 低排出量

• RoHS 準拠

• REACH 準拠

材料レベル評価は,常に実際のOEMおよびシステム要件と比較されるべきです.

技術的に優れた材料は,効率的に製造できない場合,まだ不適切である可能性があります.

評価する

• 切断能力

• 配給速度

• 混合要件

• 治る時間

• オートメーション互換性

• 材料の利用

• 再加工の要求事項

• 保存期間

電気自動車電池の大量生産については,製造プロセスの互換性が総コストに大きな影響を与えます.

最終的に,実際のバッテリースタックアップで材料をテストします.

関連評価には以下の内容が含まれます.

• 熱循環

• 振動

• 圧縮老化

• 湿度による老化

• 熱阻力

• 粘着性

• 圧縮セット

• 電気隔熱

• 火と拡散に関する試験

熱接口材料については,ASTM D5470は,熱伝導性のある電熱隔離材料の熱伝達特性を測定するために一般的に使用される方法の一つである.

圧力と厚さ,試験構成を含む試験条件は常に報告されるべきである.熱阻力は実際のインターフェース条件に大きく依存しているため.

電気自動車の電池プログラムのための材料を選択する前に,サプライヤーにいくつかの実践的な質問をしてみる価値があります.

広告されたW/m·K値だけに頼るな.

頼むこと

• 試験方法

• 圧力

• ボンドラインの厚さ

• 温度

• サンプル構成

圧縮曲線と実際のギャップ範囲のパフォーマンスを求めます

ギャップを埋めるものについては,以下について尋ねてください.

• 配給装置

• 混合比

• 容器の寿命

• 治療プロフィール

• 配送精度

要求するデータ:

• 熱循環

• 高温老化

• 湿度

• 圧縮セット

• ポンプアウトまたは移行

• 粘着性安定性

バッテリー設計には,通常,カスタマイズされた:

• 厚さ

• ジオメトリ

• 硬さ

• 熱伝導性

• 粘着性

• 炎阻害性

• 電気隔熱

開発時間を短縮できる サポートを組み立て,変換できるサプライヤー

EV電池の熱構造は 単一の材料で 解くことはめったにありません

典型的なパッケージには以下のものが含まれます.

熱パッド + 熱ゲル + 隔熱器 + 防火器 + 密封泡 + 熱分散器 + 熱フィルム

それぞれの材料は 異なる機能を果たします

例えば,ZIITEKは,電気自動車や新エネルギーアプリケーションのための熱インターフェース材料,シリコン泡密封材料,柔軟な加熱ソリューションを提供しています.現在のEVポートフォリオには,セルから冷蔵板へのインターフェースのための熱ジェルが含まれていますTIFシリーズ 熱パッド Z-FOAM800 シリコン泡とKheatヒート溶液

材料統合アプローチの価値は,単により多くの製品を持つことではなく,熱力,機械,電気,環境の蓄積装置一つのシステムとして

熱パッドは,制御されたギャップと単純な組み立てに適しており,分散した熱ギャップフイルは,変形ギャップと複雑な幾何学に有利です.正確な選択は,熱阻力に依存します, 隙間,圧縮,電熱隔離,製造プロセス,信頼性の要件

液体冷却電池には 熱を発生させる部品と冷却構造の間の 制御された熱インターフェースが必要です熱ジェル隙間補填剤 接着剤 その他のTIM技術

熱パッドは,固体インターフェース材料で,熱ゲルまたはギャップフィラーは液体またはゲル形式で配給され,実際のインターフェース幾何学に適合します.パッド は 一般 的 に 操作 が 簡単 ですゲルは変数またはより大きなギャップに対してよりよい適合性を提供することができる.

隔熱材料は,横向的な熱伝達を軽減し,隣接する細胞間の熱伝播を遅らせるのに役立ちます.アプリケーションに応じて,シリコン泡,エアゲル,ミカとセラミックシートも考慮できる..

一般的には,PCMは,段階移行中に有限量の熱を吸収し,したがって短期間の熱ピークを緩衝することができます.熱を継続的に取り除かないため,通常は適切な熱拒絶メカニズムで動作する必要があります..

熱膜 は,低温 の 動作 の 間 に 制御 さ れ て いる 熱 を 提供 し ます.特に 寒い 気候 の 場合,電池 を 充電 する 前 や 充電 する 間 に 適切な 温度 に 近づける こと に 役立ち ます.

普遍的なW/m·K目標はない.熱性能は熱伝導性,厚さ,接触抵抗,圧力,インターフェース幾何学および総熱経路に依存する.リアルな組み立て条件下では,熱阻力が導電性だけではより有用であることが多い.

重要なパラメータには,圧縮セット,温度範囲,水吸収,炎阻力,介電性,環境耐性,実際の収納物圧縮設計が含まれます.IP 要求はシステムレベルで評価されるべきです.

熱パッド,熱ゲル,シリコン泡,シリコンパッドなど材料の資格とシステム統合を簡素化できる熱分散器と熱フィルムしかし,各材料は,特定のバッテリー設計とOEM要件に対して検証されなければなりません.

電気自動車の電池の熱管理は材料工学の課題は 冷却システムの課題と同じくらい.

冷却構造は,熱がどこに流れるかを決定する.材料は,熱が目的地に到達する効率を決定し,代わりに熱がブロックされ,拡散され,密封され,生成される場所です.

現代のEV電池パックの場合,効果的な熱管理には,次の組み合わせが必要かもしれません.

熱インターフェース材料

• 熱を散布する材料

• 熱隔離

• 防火装置

• 密封材

• 熱フィルム

したがって,材料選択の最も信頼性の高い戦略は,単一の"ベスト"熱材料を探すことではなく,エンジニアはバッテリーの完全な熱経路を地図にする必要があります.各ゾーンの要件を定義するリアルな条件下で熱性能と機械性能を評価し,生産前に完全な組成を検証する.

蓄電池のアーキテクチャが セル・トゥ・パック,より高いエネルギー密度,より速い充電に 進化するにつれて この統合材料アプローチの重要性は 増え続けるでしょう