Immagine

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 progettuale

Tendenze e proiezioni del mercato dei veicoli elettrici

Il mercato dei veicoli elettrici si aspetta una rapida crescita negli anni '2020 e oltre. Secondo il rapporto "Global EV Outlook 2021", pubblicato dall'Agenzia internazionale per l'energia, i veicoli elettrici dovrebbero costituire l'20% della flotta globale di 2030, con fino a 230 milioni di veicoli su strada. La produzione unitaria crescerà a livello globale a un CAGR del 34% da 2020-2030.

Diversi fattori correlati alimenteranno questo drammatico aumento.

  • Costi: i veicoli elettrici stanno diventando più convenienti. Ciò è dovuto a una riduzione del costo della tecnologia delle batterie e ad un aumento del costo della tecnologia ICE in relazione alle emissioni di carbonio e ai requisiti di efficienza del carburante.
  • Regolamenti: i responsabili politici negli Stati Uniti e all'estero stanno attuando misure per accelerare l'adozione dei veicoli elettrici. Ad esempio, la California ha annunciato un divieto di vendita di veicoli ICE nello stato entro il 2035. Diverse nazioni dell'UE, insieme al Regno Unito, hanno annunciato l'eliminazione graduale delle vendite di nuovi veicoli ICE. La maggior parte di queste iniziative è destinata a partire da 2025 o 2030.
  • Obiettivi OEM: sempre più OEM stanno fissando obiettivi limitati nel tempo per essere esclusivamente elettrici in risposta a vari fattori, tra cui il cambiamento dei gusti dei consumatori e l'attività normativa. General Motors ha in programma di essere completamente elettrica entro 2035. Volvo ora offre versioni elettrificate (comprese quelle ibride) di tutti i suoi modelli e mira a che il 100% del suo volume di vendite sia completamente elettrico di 2030. Tesla ha consegnato quasi 500.000 auto in tutto il mondo in 2020. L'azienda aspira a produrre 20 milioni di veicoli all'anno entro 2030. Questi impegni integrano investimenti significativi in ricerca e sviluppo, ingegneria e produzione. Ad esempio, il 2021 settembre, Ford ha annunciato un investimento di 11,4 miliardi di dollari nell'elettrificazione. Comprende due nuovi campus dedicati alla produzione di batterie e all'assemblaggio di veicoli elettrici.
  • Innovazione: la tecnologia delle batterie sta migliorando rapidamente. L'autonomia dei veicoli elettrici è in aumento - e si prevede che continuerà ad aumentare - mentre i tempi di ricarica diminuiscono. Altri fattori legati alle prime batterie EV, tra cui sicurezza e durata, sono stati affrontati dagli ingegneri.

 

Le preoccupazioni che in precedenza hanno limitato l'adozione dei veicoli elettrici sono state o vengono affrontate. Questi includono costi della batteria, sicurezza, affidabilità, disponibilità della stazione di ricarica e limitazioni tecnologiche. La capacità della batteria è raddoppiata negli ultimi cinque anni. Le batterie di oggi si caricano più velocemente che mai, l'alimentazione viene convertita in modo più efficiente e la velocità, la complessità, la connettività e la potenza di elaborazione dell'elettronica sono aumentate.

Tuttavia, le principali sfide ingegneristiche rimangono legate al componente più critico in un veicolo elettrico, il pacco batterie. I produttori di batterie per veicoli elettrici devono affrontare fattori come carenze elettriche, contaminazione da polvere e fluidi, urti e collisioni, gestione termica e altri. Affinché il mercato dei veicoli elettrici e dell'eMobility continui il suo percorso di crescita, i produttori devono produrre auto e camion che corrispondano o superino i veicoli ICE per sicurezza, affidabilità, durata e autonomia.

Per contribuire ad affrontare queste sfide, Boyd collabora a stretto contatto con i principali fornitori di materie prime per offrire la più ampia gamma di soluzioni di materiali convertiti e ingegnerizzati ad alte prestazioni per la protezione, la sigillatura e il raffreddamento del vano batteria. Con processi di produzione globali avanzati e decenni di esperienza nello sviluppo, le soluzioni Boyd affrontano problemi relativi all'infiammabilità, all'isolamento dielettrico, all'ammortizzazione delle celle e altro ancora.

Questa attenzione garantisce che le nostre soluzioni di batterie per veicoli elettrici aiutino gli OEM e i fornitori di livello ad affrontare queste sfide e a promuovere ulteriormente l'innovazione sul mercato. Progettiamo soluzioni personalizzabili e scalabili per prevenire il runaway termico, prolungare la durata della batteria, ottimizzare il consumo di energia, proteggere dalle collisioni, ridurre il peso e altro ancora.

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

Immagine

Piastre fredde liquide saldobrasate - Una piastra fredda trasferisce calore da superfici con elevati carichi di calore 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 - Guarnizioni e 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 resilienti proteggono le batterie dall'impatto di collisione, 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 delle celle - L'isolamento e l'avvolgimento impediscono la tensione di scintilla tra i componenti critici interni che possono 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 - Gli strati complessi di protezione dal raffreddamento e dall'assorbimento degli impatti soddisfano requisiti rigorosi per prevenire il deflusso termico.

Guarnizioni dell'alloggiamento della batteria e protezione dalle collisioni - Robuste guarnizioni, guarnizioni e cuscinetti ammortizzatori sono progettati 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.

Il vantaggio di Boyd

Boyd Corporation è un innovatore leader mondiale di tecnologie nella scienza dei materiali, nei materiali ingegnerizzati e nella gestione termica che sigillano, proteggono, si interfacciano e raffreddano le applicazioni più critiche dei nostri clienti. Abbracciamo la scienza per risolvere ambiziosi obiettivi di performance. Boyd progetta l'innovazione dei materiali, combinando le tecnologie in modi nuovi per ridefinire il possibile. La continua ridefinizione del possibile ha guidato oltre 90 anni di innovazione e successo dei clienti.

Hai domande? Siamo pronti ad aiutarti!