Soluzioni materiali nelle batterie dei veicoli elettrici
Panoramica
Per i veicoli elettrici e altre applicazioni di eMobility, le batterie sono fondamentali non solo per il funzionamento ma per l'adozione sul mercato. La continua crescita del mercato dei veicoli elettrici, quindi, dipende dallo sviluppo di batterie più sicure, più affidabili, con una ricarica più rapida e che forniscano una maggiore autonomia di carica. Questi fattori rendono la batteria e il vano batterie probabilmente la parte più integrante della progettazione e dello sviluppo dei veicoli elettrici. Diversi fattori, tuttavia, minacciano il funzionamento e le prestazioni della batteria. Questi includono ambienti difficili e imprevedibili, rumore, vibrazioni, urti, fuga termica, surriscaldamento, contaminazione da polvere e fluidi, interferenze elettromagnetiche e altri rischi. I vani batteria richiedono anche soluzioni di impatto collisione per migliorare la sicurezza dei consumatori e ridurre le spese di garanzia. Le soluzioni di materiali ingegnerizzati possono aiutare a mitigare questi fattori. Sviluppati correttamente, possono migliorare le prestazioni della batteria per una migliore autonomia, sicurezza e affidabilità. Questo documento affronta le tendenze e le proiezioni attuali per il mercato dei veicoli elettrici ed esplora le sfide di progettazione della scienza dei materiali per i veicoli elettrici, concentrandosi sulle batterie. Aiuterà gli ingegneri a comprendere il ruolo delle applicazioni dei materiali per migliorare lo sviluppo del sistema e promuovere la creatività del design.
Tendenze e proiezioni del mercato dei veicoli elettrici
I tipi di forze di eccitazione possono presentarsi in molte forme. Molti prodotti contengono motori rotanti, ventilatori, ingranaggi, ecc. in cui lo squilibrio dei componenti rotanti o il disallineamento degli alberi di trasmissione provocano forze di eccitazione indesiderate. Questi sono di natura discreta, di solito contengono un picco prominente alla velocità di rotazione fondamentale più multipli armonici di questo tono. Con una ventola operativa, ad esempio, si creeranno anche disturbi a multipli della velocità di rotazione fondamentale volte il numero di pale della ventola.
Altri fattori come i carichi dei cuscinetti o le fluttuazioni del carico (spesso azionati elettricamente) possono creare ulteriori input di eccitazione. Il comportamento operativo del movimento alternativo dei componenti, specialmente quando provoca un forte impatto tra le parti, può provocare sia l'eccitazione forzata alla frequenza reciproca sia un transitorio di impatto che immetterà energia su un ampio intervallo di frequenze. Sia il livello che la gamma di frequenza del livello di forza sono influenzati dalla massa dei componenti coinvolti e dalla durezza tra i punti di contatto (cioè il contatto metallo su metallo si tradurrà in energia distribuita su un intervallo di frequenze molto ampio). Il rapido movimento di avvio/arresto dei componenti durante le normali condizioni operative può anche essere una fonte di carichi transitori che tendono ad auto-eccitare la struttura.
Un esempio di questo è l'operazione di lettura/scrittura di un tipico disco rigido che subisce una rapida rotazione dell'assemblaggio del braccio mentre si sposta da una traccia all'altra sul supporto del disco durante le normali operazioni di lettura /scrittura. Ogni azione di avvio e arresto è come un martello da impatto in miniatura che colpisce la struttura ed energizza tutte le sue risonanze interne. Questo è problematico nella misura in cui non c'è uno smorzamento sufficiente nel sistema per dissipare rapidamente questo movimento indesiderato della testina di lettura / scrittura. In definitiva, possono verificarsi errori fuori traccia che rallentano le prestazioni del dispositivo.
Elaborando ulteriormente questo esempio, un tipico disco rigido è soggetto a una raccolta di sorgenti di eccitazione: il motore del mandrino rotante che fa girare i piatti del disco a 7500 o 10000 RPM, il motore della bobina vocale azionato rotativo che ruota il gruppo attuatore del braccio, gli effetti del cuscinetto del perno del braccio o del cuscinetto del mandrino che creano disturbi indesiderati, e l'eccitazione indotta dall'aria dal flusso d'aria turbolento dai dischi rotanti spingendo l'aria sopra i componenti del braccio / sospensione. L'obiettivo è controllare queste forze di eccitazione a livello di sorgente attraverso varie scelte di progettazione. Ad esempio, un miglioramento significativo del rumore al minimo creato dall'azionamento è stato ottenuto una volta che il settore degli azionamenti è passato a cuscinetti fluidodinamici più precisi. Componenti di migliore qualità fabbricati secondo standard di qualità più elevati hanno ridotto le variazioni stringendo ulteriormente le tolleranze dei componenti contribuendo a ridurre i livelli di eccitazione. La vibrazione indotta dall'aria è un sottoprodotto degli azionamenti ad alta velocità realizzati oggi, ma anche questa sorgente può essere controllata attraverso l'uso di dispositivi di raddrizzamento dell'aria che aiutano a ridurre al minimo il flusso d'aria turbolento, riducendo così questa fonte di eccitazione a banda larga ai piatti del disco e all'attuatore.
In generale, le strategie per ridurre al minimo i livelli di sorgente di eccitazione implicano cose come l'uso di componenti leggeri per ridurre i livelli di forza, riducendo al minimo lo squilibrio e il disallineamento tra i componenti e metodi di produzione più precisi che rimuovono le variazioni indesiderate. La riduzione dei carichi alternativi può essere ottenuta riducendo la massa dei componenti in movimento o l'uso di controbilanciatori inerziali. Per i componenti degli ingranaggi, la selezione di rapporti di contatto elevati (>2), la corretta lubrificazione, la selezione dei materiali degli ingranaggi, il profilo del dente e la finitura superficiale e l'allineamento dell'albero sono tutti fattori che influenzano la buona progettazione e il funzionamento degli ingranaggi. Altri metodi comportano la modifica del profilo operativo effettivo in base al quale vengono fatti sacrifici in termini di velocità o potenza a vantaggio di migliori caratteristiche NVH (ad esempio "modalità silenziosa" di una ventola di raffreddamento che funziona a una velocità più lenta spesso controllata attivamente per controllare la domanda di raffreddamento, o un condizionatore d'aria automobilistico che impiega più tempo a raffreddarsi a causa di componenti meno potenti, o un disco rigido che rallenta lentamente fino a smettere di ridurre al minimo i livelli di eccitazione a scapito di tempi di ricerca più lunghi).
Principali sfide ingegneristiche per le batterie EV ed Emobility
L'età media dei veicoli sulle strade degli Stati Uniti è di 12,1 anni, rispetto a meno di dieci anni in 2001. Le auto sono guidate più a lungo e forse più duramente che mai e devono resistere ad anni e anni di abusi da fattori ambientali come pioggia, luce UV, ghiaccio e sale stradale, traffico stop-and-go, strade mal tenute e altro ancora.
Ad aggravare questi fattori sono i veicoli stessi. Sono molto più complessi che mai, caricati con costosi dispositivi elettronici computerizzati, sensori e altre apparecchiature.
Sfida: protezione termica
I veicoli elettrici hanno una serie completamente diversa di esigenze di raffreddamento rispetto ai veicoli ICE, con un design del sistema completamente diverso. Per garantire la sicurezza e promuovere l'adozione da parte dei consumatori, i produttori di veicoli elettrici e batterie hanno requisiti rigorosi per prevenire e gestire il runaway termico, una sfida unica per le batterie agli ioni di litio. I produttori di batterie si affidano a mica, fibre ceramiche, altri materiali e design di sistemi intelligenti per prevenire questi eventi termici di fuga.
Sfida: carenze elettriche
L'applicazione di strati isolanti può prevenire la tensione di scintilla tra i componenti interni critici, prevenendo carenze elettriche o incendi.
Boyd offre prodotti a nastro adesivo, tra cui configurazioni di stack multistrato con stretto controllo della tolleranza che impediscono il cortocircuito in circuiti flessibili stampati e altri componenti ad alta tensione come i sottoassiemi di celle agli ioni di litio. La combinazione di nastri a doppio rivestimento elettricamente isolanti con cuscinetti di compressione e altri materiali crea soluzioni multifunzionali che prevengono le carenze elettriche e assorbono le vibrazioni stradali o l'energia da impatto collisionale. I nastri isolanti a rivestimento singolo applicati ai componenti del sistema di raffreddamento a liquido, come piastre fredde in alluminio e altre strutture metalliche, aggiungono prestazioni elettriche ai sistemi termici.
Sfida: contaminazione da polvere e fluidi
La sigillatura del pacco batteria protegge le celle agli ioni di litio dall'intrusione di liquidi, gas e particelle di polvere, contaminanti che potrebbero causare guasti catastrofici o ridurre la durata della batteria. Le guarnizioni dovrebbero ottimizzare le prestazioni e fornire impermeabilità considerando il set di compressione e la deflessione della forza, l'efficienza di assemblaggio, il rumore / vibrazioni / durezza (NVH) e altri fattori meccanici.
Le guarnizioni del display e le soluzioni di incollaggio non sono nel pacco batteria, ma sono comunque cruciali per l'esperienza di guida del consumatore. I Boyd sono progettati con innovativi adesivi sensibili alla pressione e schiume acriliche per proteggere il gruppo display per tutta la sua durata. Le loro tolleranze ultra strette possono raggiungere prestazioni "zero-gap", offrendo una protezione imbattibile contro la polvere e la contaminazione da liquidi. Progettiamo queste soluzioni per semplificare l'assemblaggio del cliente, la produttività DFM (Design for Manufacturing) e l'ottimizzazione dei materiali.
Il nostro portafoglio di guarnizioni e guarnizioni comprende centinaia di schiume, polimeri, adesivi e altre opzioni. Combiniamo questa esperienza nei materiali con le capacità di produzione di massa DFM per fornire progetti personalizzati che superano le condizioni operative ad alte prestazioni per la protezione dalla contaminazione del pacco batteria e del display.
Sfida: shock e collisione
I pacchi batteria devono essere protetti contro l'impatto di collisione, le condizioni stradali difficili e le temperature estreme. Il posizionamento di cuscinetti di compressione robusti e resilienti, stratificati tra le celle agli ioni di litio, compensa le forze di rigonfiamento dovute al ciclo di carica. Posizionati attorno al modulo batteria, questi cuscinetti fungono da barriera di protezione dagli impatti assorbendo l'energia meccanica dall'impatto di collisione, condizioni stradali estreme e vibrazioni estese per una maggiore sicurezza dei consumatori e costi di garanzia ridotti.
Boyd offre una gamma di schiume a celle chiuse e aperte. Questi forniscono caratteristiche prestazionali variabili per soddisfare le esigenze di un ampio spettro di applicazioni di temperatura e di esposizione ambientale. Le schiume possono essere combinate con nastri a rivestimento singolo e doppio che incorporano film dielettrici per l'isolamento elettrico nelle batterie EV.
Queste soluzioni in schiuma riducono il costo totale di proprietà risolvendo le sfide tecniche, promuovendo al contempo un facile assemblaggio e un'installazione efficiente.
Sfida: gestione termica
Con la progettazione e la funzionalità dei veicoli elettrici che si evolvono per incorporare pesantemente l'elettronica avanzata, gli ingegneri EV si rivolgono ai tradizionali leader di mercato della gestione termica dei sistemi elettronici per l'innovazione dei sistemi termici.
I progettisti di batterie EV cercano di mantenere temperature omogenee tra le celle della batteria. Devono farlo consentendo cicli di carica / scarica più rapidi, riducendo il surriscaldamento della batteria, isolando gli eventi catastrofici della batteria quando si verificano o, meglio ancora, impedendo che tali eventi si verifichino mai. I complessi gruppi di materiali di Boyd integrano il raffreddamento cella-cella della batteria agli ioni di litio con soluzioni di assorbimento degli impatti e di isolamento del calore/ della fiamma per affrontare i principali fattori meccanici, termici e ambientali che impediscono il runaway termico.
I materiali di interfaccia termica (TIM) facilitano il trasferimento di calore tra la piastra fredda del sistema di raffreddamento a liquido e il modulo batteria, riducendo la resistenza termica per massimizzare l'efficienza del sistema termico. Aiutano a ridurre al minimo la resistenza del flusso di calore dentro, attraverso e fuori da un'interfaccia. Allontanare il calore dai componenti sensibili favorisce una maggiore densità di potenza ed efficienza.
Le capacità produttive di Boyd combinano materie prime provenienti da più fornitori per creare stack-up multistrato ottimizzati di configurazioni dei materiali, aiutando gli ingegneri a ottenere una maggiore flessibilità di progettazione. Questi materiali possono essere combinati con adesivi ritardanti di fiamma che consentono ai compositi e ai materiali di soddisfare i requisiti UL® 94 V-0 e altri requisiti di ritardo di fiamma, insieme a nastri a rivestimento singolo e doppio con rivestimenti easyrelease e strati filmici con forti proprietà dielettriche.
Le nostre piastre fredde in alluminio liquido forniscono un robusto supporto strutturale (RSS) e un raffreddamento ad alta efficienza per i moduli e i pacchi batteria più performanti di oggi. Il loro basso profilo e il peso leggero creano spazio di progettazione extra per batterie più potenti e veicoli più affidabili con una maggiore autonomia.
Sfida: interferenze elettromagnetiche
Le cuciture e le aperture forniscono vie per le onde di energia canaglia per entrare o uscire da un dispositivo, causando interferenze elettromagnetiche (EMI). La schermatura EMI riduce la suscettibilità ai malfunzionamenti elettronici e migliora le prestazioni, la sicurezza e l'affidabilità della batteria bloccando o assorbendo queste onde indesiderate. Generalmente, questa schermatura devia prima le onde elettromagnetiche con superfici riflettenti. Questo riscalda lo schermo, rendendo la conduttività elettrica e termica moderata caratteristiche essenziali di uno scudo EMI / RFI.
Le pellicole metalliche LectroShield, le schiume conduttive, gli elastomeri e gli adesivi LectroShield di Boyd sono progettati per gestire l'energia di interferenza. Il risultato è una maggiore affidabilità ed efficienza.
Soluzioni boyd per la protezione della batteria EV
Piastre refrigeranti liquide saldobrasate - Una piastra fredda trasferisce il calore dalle superfici con elevati carichi termici al fluido in un sistema di raffreddamento a liquido. Le prestazioni della piastra fredda sono fondamentali per l'efficacia complessiva del sistema liquido.
Guarnizioni e guarnizioni - Le guarnizioni e le guarnizioni proteggono il modulo batteria e le celle dalla contaminazione da liquidi, gas e particelle per una maggiore durata della batteria, una maggiore sicurezza e costi di garanzia ridotti.
Cuscinetti di compressione - I cuscinetti di compressione robusti e resistenti proteggono le batterie dall'impatto di collisioni, dalle condizioni stradali difficili e dalle temperature estreme. I cuscinetti sono stratificati tra le cellule per compensare le forze di rigonfiamento o posizionati attorno al modulo come barriera di protezione dagli impatti.
Schermatura EMI - La schermatura riduce la suscettibilità ai malfunzionamenti elettronici e migliora le prestazioni della batteria bloccando le onde elettromagnetiche indesiderate, aumentando le prestazioni della batteria.
Isolamento elettrico e avvolgimento di celle - L'isolamento e l'avvolgimento impediscono la tensione di scintilla tra i componenti critici interni che può portare a cortocircuiti o incendi del dispositivo.
Materiali di interfaccia termica (TIM) - I TIM facilitano il trasferimento di calore tra la piastra fredda e il modulo batteria, riducendo al minimo la resistenza del flusso di calore in entrata, attraverso e fuori da un'interfaccia. Progettati specificamente per mantenere le batterie entro i loro intervalli di temperatura ottimali, specialmente in ambienti imprevedibili, i TIM riducono l'assorbimento dalla potenza della batteria necessaria per i sistemi di raffreddamento e riscaldamento.
Adesivi dielettrici per sbarre - I dielettrici proteggono i circuiti stampati flessibili nei gruppi batteria, contribuendo a prolungarne la durata.
Protezione termica multistrato - I complessi strati di raffreddamento e protezione dall'assorbimento degli urti soddisfano requisiti rigorosi per prevenire il runaway termico.
Guarnizioni dell'alloggiamento della batteria e protezione anticollisione - Le robuste guarnizioni, guarnizioni e ammortizzatori sono progettate per resistere e assorbire forza variabile ed energia meccanica da condizioni stradali estreme, impatti improvvisi o vibrazioni prolungate, riducendo al minimo l'effetto dannoso sulla batteria e riducendo i costi di garanzia.
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