Wie Boyd thermisches Durchgehen auf jeder Ebene von EV-Batteriebaugruppen verhindert
Die Nachfrage nach Elektrofahrzeugen ist in den letzten Jahren dramatisch gestiegen, und viele OEMs bemühen sich, den Produktionsbedarf zu decken. Das gilt nicht nur für die Automobilindustrie. Von Elektrorollern bis hin zu Nutzfahrzeugen, Freizeitfahrzeugen und mehr wächst die Produktion von Elektrofahrzeugen auf breiter Front.
Um die nächste Generation von Elektrofahrzeugen zu bauen, streben die Ingenieure danach, die Leistungsdichte zu erhöhen und die Batterien kleiner und leichter zu machen, um die Reichweite und Effizienz zu verbessern und mehr Designfreiheit zu bieten. Mit zunehmender Leistung steigt jedoch auch das Risiko von thermischem Durchgehen und Bränden. Daher müssen OEMs effektive Lösungen für den Schutz vor thermischem Durchgehen (TRP) entwickeln, um die wachsende Marktnachfrage zu befriedigen und gleichzeitig die Sicherheit der Benutzer zu gewährleisten.
Derzeit fehlt es an einer klaren Regelung der Normen für den Schutz vor thermischem Durchgehen. Aber in der gesamten Branche haben viele OEMs die "5-Minuten-Regel" als Standard übernommen, was bedeutet, dass die Passagiere im Falle eines thermischen Durchgehens fünf Minuten Zeit haben, das Fahrzeug zu verlassen, bevor es vollständig verschlungen wird.
Es wird erwartet, dass sich die regulatorischen Anforderungen mit der sich ändernden Batterietechnologie weiterentwickeln werden, aber OEMs und Batterielieferanten benötigen Technologiepartner mit Know-how im Bereich des thermischen Durchgehens, um zuverlässige, sichere TRP-Lösungen zu entwickeln und herzustellen, die den Anforderungen von heute und in Zukunft gerecht werden.
Boyd entwickelt robuste TRP-Lösungen für verschiedene Batterietypen, darunter Pouch-Zellen-, zylindrische und prismatische Zellbatterien. Unser TRP-Know-how erstreckt sich auf Batteriemodule und komplette Batteriepacks und schafft zuverlässige Lösungen für jede Art und jedes Niveau des EV-Batteriedesigns. Dieses Whitepaper befasst sich mit den verschiedenen Arten von Lösungen für thermisches Durchgehen, die Boyd anbietet, sowie mit den Materialien und Verarbeitungsdiensten, die zur Optimierung dieser Produkte für EV-Batterieanwendungen verwendet werden.
Lösungen für Batteriezellen
Es gibt drei Haupttypen von EV-Batteriezellen: Pouch-Zellen, zylindrische Zellen und prismatische Zellen. Jeder hat seine eigenen Vor- und Nachteile sowie Herstellungs- und Designüberlegungen. Der Schutz vor thermischem Durchgehen muss auf diese Konstruktionen zugeschnitten sein
Pouch-Zellen
Pouch-Zellen werden aus flexiblen Materialien hergestellt und haben keine starre Struktur. Stattdessen verwenden sie in der Regel Folienmaterialien, um einen Beutel herzustellen, der die Zelle enthält. Das reduziert das Gesamtgewicht des Akkus und sorgt für mehr Designfreiheit.
Kompressionspads - Kompressionspads sind wichtig für Pouch-Zellenbatterien, da Zellen dazu neigen, bei Batterietemperaturzyklen aufzuquellen und zu komprimieren. Kompressionspads passen zwischen die Zellen, um einen gleichmäßigen Druck auf die Zellen auszuüben, wenn sie anschwellen und sich komprimieren. Dies ist wichtig, da Batterien ohne konstanten Druck einen sogenannten "Vampir-Drain" entwickeln können, bei dem die Batterie in Zeiten der Inaktivität langsam an Leistung verliert, was sich negativ auf die Batterieeffizienz auswirkt. Kompressionspads helfen auch bei TRP, indem sie helfen, thermisches Durchgehen zu blockieren oder zu isolieren, wärmeerzeugende Reibung zu reduzieren und Zellen vor Stößen zu schützen, die sie beschädigen und Funken- oder Kurzschlussprobleme verursachen können.
Flammschutzmaterialien - Lösungen für den Schutz vor thermischem Durchgehen bestehen selten aus einer einzelnen Komponente oder einem einzigen Material. Häufig werden Rohstoffkombinationen verwendet, um die besten Eigenschaften jedes Materials zu nutzen, die Leistung zu optimieren und den erforderlichen Druckverformungsrest und die erforderliche Kraftablenkung zu erreichen. Boyd ist Experte für die Spezifizierung von Flammsperrmaterialien wie Glimmer und Keramikfasern mit komplementären Hochleistungsmaterialien, um mehrschichtige Lagenaufbauten zu erstellen. 3M™ Flammsperrpapier FRB ist ein weiteres Hochtemperaturmaterial, das in einer Vielzahl von EV-Batterieanwendungen verwendet wird. Sein verdichtetes Material bietet eine höhere Durchschlagsfestigkeit, eine glattere Oberfläche für eine verbesserte Klebebandhaftung und eine geschlossene Zellstruktur. Aerogele können auch in TRP-Lösungen eine entscheidende Rolle spielen.
Wie diese Materialien zusammenkommen, hängt von der jeweiligen Anwendung ab. Zum Beispiel könnten Boyd Ingenieure einfach ein Aerogel zwischen zwei Schichten druckempfindlicher Klebstoffe legen, um eine effektive Wärmebarriere zu schaffen. In anderen Fällen können wir doppelseitiges Klebeband auf beiden Seiten eines Aerogels anbringen und dann eine Schicht Keramik oder Kompressionspapier auf die obere und untere Schicht auftragen, um einen robusteren Aufbau zu schaffen. Die Lösungen müssen angepasst und optimiert werden, um die genauen Anwendungsspezifikationen zu erfüllen, um so zuverlässig, sicher und effektiv wie möglich zu sein.
Boyd Experten arbeiten eng mit OEMs zusammen, um die Anforderungen an Fahrzeuge und Batterien zu verstehen. Wir empfehlen dann optimale Materialien und konfigurieren sie individuell, um maßgeschneiderte, leistungsstarke TRP-Lösungen zu erstellen.
Zylindrische Zellen
Zylindrische Zellen bestehen aus Anoden, Separatoren und Kathoden, die gestapelt und aufgerollt werden, bevor sie in einen zylinderförmigen Behälter gelegt werden. Eine einzelne AA-Batterie ist ein gutes Beispiel für diese Art von Struktur.
Zell-zu-Zell-Klebelösungen - Boyd bietet eine breite Palette von druckempfindlichen Klebstoffen ab 3 M™ an, die keine Aushärtungszeit benötigen, um Zellen miteinander zu verbinden, wodurch die strukturelle Integrität von EV-Batteriepack-Baugruppen verbessert wird. Flammhemmende und dielektrische Klebebänder verbinden sich sofort und sind einfacher zu verarbeiten als flüssige Klebstoffe in Fertigungsumgebungen. Boyd spezifiziert und fertigt diese und andere Klebstoffe zu kundenspezifischen Lösungen, die für Batteriepacks mit engen Toleranz- und Sauberkeitskontrollen optimiert sind, um Verunreinigungen zu verhindern und die Präzision zu erreichen, die für die effektive Montage von TRP-Lösungen in Batteriemodulen und -packs erforderlich ist.
Flammensperrmaterialien - Genau wie bei Pouch-Zellen spezifiziert und konfiguriert Boyd Flammensperr- und Wärmedämmmaterialien, um Zellen zu umhüllen und Funkenspannungen zwischen internen kritischen Komponenten zu verhindern, die zu Kurzschlüssen oder Bränden des Geräts führen können. Wir entwickeln und spezifizieren auch Wärmeleitmaterialien zur Verbesserung von TRP-Lösungen, einschließlich Gap-Fillern, Wärmespachtelmassen, Wärmeleitblechen, Phasenwechselmaterialien und wärmeleitenden Isolatoren.
Prismatische Zellen
Prismatische Zellen ähneln zylindrischen Zellen insofern, als sie aus Anodenschichten, Kathoden und Separatoren bestehen, die alle miteinander verbunden sind. Anstatt zu einem Zylinder gewalzt zu werden, werden diese Materialien entweder in Schichten gestapelt oder gewalzt und dann so gepresst, dass sie in ein starres Gehäuse passen, das in der Regel entweder aus Kunststoff oder Metall besteht.
OEMs nutzen unser Know-how und unsere Fähigkeiten, um leistungsstarke TRP-Lösungen für Batterien mit prismatischen Zellen zu entwickeln. Viele der gleichen Arten von Kompressionspads und Flammsperrmaterialien, die auch bei anderen Batteriezellentypen verwendet werden, sind mit prismatischen Zellen ausgestattet, um den Schutz vor thermischem Durchgehen zu erhöhen.
Lösungen für Batteriemodule
Batteriemodule sind die nächste "Stufe" der Batteriekonstruktion und entstehen, wenn mehrere Zellen zusammengepackt werden. Dies gilt für alle Arten von Batteriezellen.
Kompressionspads - Ähnlich wie auf Zellebene isolieren Kompressionspads einzelne Batteriemodule. Kompressionspad-Technologien werden an der Außen- oder Innenseite des Moduls angebracht, um zu verhindern, dass sich das thermische Durchgehen auf ein anderes Modul ausbreitet, die Reibung zwischen den Modulen verringert und vor mechanischer Energie durch Stöße und Vibrationen geschützt wird. Dies ist wichtig, um thermische Ereignisse zu verhindern und einzudämmen, um sicherzustellen, dass ein lokales Problem bei einem Modul nicht die gesamte Batterie beeinträchtigt.
Dichtungen und Dichtungen - Ordnungsgemäße Dichtungen und Dichtungen sind wichtig für einen effektiven Schutz vor Eindringen, Stoßfestigkeit und Wärmemanagement in EV-Batteriebaugruppen. Wir sind darauf spezialisiert, optimale Materialien wie Haftklebstoffe (PSAs) und Hochleistungsschäume für die Herstellung von Dichtungen und Anschlussdichtungen für Batteriemodule zu spezifizieren. Zum Anbringen von Umweltdichtungen und Dichtungen an Batteriemodulen oder -anschlüssen und für die interne Verklebung von Komponente zu Komponente stellt Boyd kundenspezifische PSAs wie VHB-Klebeband, Transferklebeband und andere doppelseitige PSA-Bänder her. Diese flexiblen Klebstoffe sparen Platz, sind effizienter zu montieren und einfacher zu verarbeiten als flüssige Klebstoffe. Kundenspezifische Dichtungen und Dichtungen bestehen aus einer Vielzahl von Elastomer- und Polymermaterialien mit unterschiedlichen Härtegraden, um den Anforderungen der Anwendung in Bezug auf Kompressibilität, Druckverformungsrestfestigkeit, Wasserdichtigkeit usw. gerecht zu werden. Unsere Rapid-Prototyping-Services beschleunigen das Testen und die Validierung von Konzepten.
Flüssigkeitskühlplatten - Flüssigkeitskühlplatten erleichtern das Wärmemanagement von Batteriemodulen, indem sie Wärme von der Batterie auf die Kühlflüssigkeit übertragen, die in einem Flüssigkeitskühlsystem verwendet wird. Flüssigkeitskühlplatten arbeiten mit technischen Materialien zusammen, um einen effektiven, mehrschichtigen Schutz vor thermischem Durchgehen in EV-Batterien zu bieten. Zum Beispiel laminiert Boyd ein dielektrisches Polyesterband mit einer Trennfolie auf die Oberseite einer Kühlplatte, um die Montage zu erleichtern. Das Klebeband ist eine Alternative zur Pulverbeschichtung und bietet eine zusätzliche elektrische Isolationsschicht, sodass sich Produktentwickler keine Sorgen über Lichtbögen, Kurzschlüsse oder Funkenspannung machen müssen, die einen Brand auslösen könnten.
Batteriepack-Lösungen
Mehrere Batteriemodule werden zu einem Batteriepack zusammengefügt. Dies ist die höchste "Stufe" von Batteriekonstruktionen.
Elektrische Isolatoren - Boyd spezifiziert und fertigt eine breite Palette von elektrisch isolierenden Materialien mit wärmeleitenden Bändern, um Batteriepacks vor Funkenspannung zu schützen, Flammenbarrieren zu schaffen, um Feuer zu isolieren und Batteriepacks vor Überhitzung zu schützen. Jeder OEM und jeder Akku verwendet eine andere Art von elektrischem Isolator mit Klebesystem, basierend auf individuellen Design- und Leistungsanforderungen. Die meisten elektrischen Isolatoren basieren auf Dünnschichtpolymeren und bestehen aus Polycarbonat-, Polypropylen- oder Polyimid-Rohstoffen. Klebstoffe auf Epoxidbasis, verschiedene Polyurethan-Klebstoffe, Acrylschaumbänder und Strukturbänder werden auf elektrisch isolierende Folien laminiert, um den Montageprozess zu unterstützen, die Isolatoren an den Batteriepacks zu befestigen und einen wärmeleitenden Pfad durch oder um den elektrischen Isolator herum zu schaffen.
Kompressionspads - Kompressionspads werden nicht nur auf Zellen- und Modulebene verwendet, sondern schützen auch Akkupacks. Die gleichen Arten von Schaumstoffen und anderen Materialien werden der Struktur des Akkupacks hinzugefügt, um einen verbesserten Aufprall- und Wärmeschutz zu bieten. Diese Komponenten reduzieren die negativen Auswirkungen von Reibung, mechanischen Bewegungen und Quellkräften.
Dichtungen und Dichtungen - Die Abdichtung von EV-Batteriegehäusen oder -gehäusen ist entscheidend, um Batteriepacks, Module und Zellen vor dem Eindringen von Flüssigkeiten, Gasen und Partikeln zu schützen. Spezialmaterialien und intelligentes Dichtungsdesign machen die Batteriegehäuse von Elektrofahrzeugen wasserdicht und dichten ab, um empfindliche Batteriekomponenten vor Verunreinigungen und Straßenschmutz zu schützen. Sie tragen auch dazu bei, Probleme mit Geräuschen, Vibrationen und Rauheit (NVH) zu beseitigen, um Zuverlässigkeit, Leistung und das Fahrerlebnis zu optimieren. Boyd Ingenieure stellen sicher, dass alle Dichtungs- und Dichtungsmaterialien und ihre leistungsgerechten Klebstoffe langlebig genug sind, um Zyklentemperaturen in der Batterieumgebung und rauen Straßen- und Wetterbedingungen rund um das Batteriegehäuse standzuhalten, ohne die Leistung zu beeinträchtigen. Die Dichtungen der EV-Batteriegehäuse von Boyd wurden entwickelt, um die Kundenmontage, den DFM-Durchsatz (Design for Manufacturing) und die Materialoptimierung zu vereinfachen, und sind robust, um rauen Straßenbedingungen standzuhalten. Dadurch wird sichergestellt, dass der Akku eine optimale Betriebsumgebung beibehält, um ein thermisches Durchgehen über die gesamte Lebensdauer des Fahrzeugs zu verhindern.
Flüssigkeitskühlplatten - Ähnlich wie unsere Lösungen für die Modulebene entwickelt Boyd Lösungen für flüssige Kühlplatten, die optimal für EV-Batteriepacks geeignet sind. Kühlplatten können mit dielektrisch isolierenden Bändern laminiert werden, um elektrischen Schutz und starke Verbindungen mit anderen montierten Komponenten zu gewährleisten. Flüssigkühlplattendesigns, die maximale thermische Leistung freisetzen, erzeugen die thermisch effizienteste Wärmeübertragung vom Batteriepaket zum Flüssigkeitskühlsystem des Fahrzeugs. Das bedeutet, dass OEMs schnellere Ladezyklen und leistungsstärkere Batterien entwickeln und die Ladereichweite für Fahrzeugbesitzer erweitern können, während sie gleichzeitig das Risiko eines thermischen Durchgehens verringern und die Sicherheit der EV-Batteriepacks erhöhen.
Zusammenarbeit mit eMobility-Experten
Die Sicherheit und Leistung von EV-Batterien sind der Schlüssel, um ein Elektrofahrzeug zu differenzieren und Marktanteile in einem wachsenden Netzwerk von Wettbewerbern zu gewinnen. Thermisches Durchgehen ist ein wichtiger Schlüssel für ein sicheres Design von EV-Batterien. OEMs und Entwickler von Elektrofahrzeugen gehen bei der Lösung von Problemen des thermischen Durchgehens auf unterschiedliche Weise vor. Einige verwenden mechanische TRP-Produkte, die in die Batterie geschraubt werden, andere platzieren TRP-Materialien unter dem Deckel des Batteriepackgehäuses, während andere TRP-Lösungen zwischen Batteriezellen oder -modulen entwickeln. Es gibt keinen branchenüblichen Einheitsansatz für ein intelligentes Design des thermischen Durchgehens. Aber Boyd hat die TRP-Herausforderungen in einer Vielzahl unterschiedlicher Batteriedesigns und -ansätze gelöst, was bedeutet, dass wir in die TRP-Forschung und -Entwicklung mit praxiserprobten Technologien investiert haben, die Sie nutzen können, um TRP-Lösungen für Ihren einzigartigen Ansatz für das Batteriedesign zu optimieren.
Wenn sich Industriestandards, Produktionsanforderungen und Kundenanforderungen ändern, verbessern Sie Ihre Batterieleistung, Sicherheit, Effizienz und Zuverlässigkeit mit intelligenten TRP-Lösungen, die für Sie und Ihre Anwendungsanforderungen optimiert sind. Nutzen Sie einen vertrauenswürdigen Partner mit Innovationen, die sich weiterentwickeln können, um neue Anforderungen und Fertigungskapazitäten zu erfüllen, um mit Ihnen zu skalieren, wenn Sie neue Modelle einführen.
Boyd ist ein vertrauenswürdiger Berater für eMobility-OEMs und Tier-1-Zulieferer und hilft einigen der Top-Marken der Branche, das Batteriedesign zu verbessern und ein thermisches Durchgehen zu verhindern oder sich davor zu schützen. Unsere Technologien sind in über 2 Millionen eMobility-Fahrzeugen verbaut und wir verfügen über mehr als 60 Jahre praxiserprobte Erfahrung in der Automobilindustrie. Wir sind Trusted Innovation. Die innovativen Problemlösungen, das umfassende Material-Know-how, das Rapid Prototyping und die skalierbare Fertigung von Boyd, die in den globalen Regionen, in denen Sie tätig sind, repliziert werden, beschleunigen die Markteinführung und die Einführung neuer Modelle. Reinraumfertigung und nach ISO 16949 zertifizierte Einrichtungen für das Qualitätsmanagementsystem in der Automobilindustrie auf der ganzen Welt verbessern die Produktqualität, Zuverlässigkeit, Sicherheit und Wiederholbarkeit. Wir sind auch ein globaler 3M™ Preferred Converter, was bedeutet, dass wir den ersten Zugang zu führenden Materialinnovationen haben.
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