Materiallösungen in Elektrofahrzeugbatterien

Übersicht

Für Elektrofahrzeuge und andere eMobility-Anwendungen sind Batterien nicht nur für die Funktion, sondern auch für die Marktakzeptanz von entscheidender Bedeutung. Das anhaltende Wachstum des EV-Marktes hängt daher von der Entwicklung von Batterien ab, die sicherer, zuverlässiger und schneller aufladbar sind und eine größere Ladereichweite bieten. Diese Faktoren machen die Batterie und das Batteriefach wohl zum wichtigsten Bestandteil des Designs und der Entwicklung von Elektrofahrzeugen. Mehrere Faktoren bedrohen jedoch die Funktion und Leistung der Batterie. Dazu gehören raue und unvorhersehbare Umgebungen, Lärm, Vibrationen, Schock, thermisches Durchgehen, Überhitzung, Staub- und Flüssigkeitskontamination, elektromagnetische Störungen und andere Risiken. Batteriefächer erfordern auch Kollisionslösungen, um die Sicherheit der Verbraucher zu erhöhen und die Garantiekosten zu senken. Technische Materiallösungen können dazu beitragen, diese Faktoren zu mildern. Richtig entwickelt, können sie die Batterieleistung für eine bessere Reichweite, Sicherheit und Zuverlässigkeit verbessern. Dieses Papier befasst sich mit aktuellen Trends und Prognosen für den EV-Markt und untersucht die Herausforderungen des materialwissenschaftlichen Designs für Elektrofahrzeuge, wobei der Schwerpunkt auf Batterien liegt. Es wird Ingenieuren helfen, die Rolle von Materialanwendungen zu verstehen, um die Systementwicklung zu verbessern und die Designkreativität zu fördern.

Trends und Prognosen für den Elektrofahrzeugmarkt

Ein Beispiel hierfür ist der Lese- / Schreibvorgang eines typischen Festplattenlaufwerks, das eine schnelle Drehbetätigung der Armbaugruppe durchläuft, während es sich während normaler Lese- / Schreibvorgänge von Spur zu Spur über das Festplattenmedium bewegt. Jede harte Start- und Stoppaktion ist wie ein Miniatur-Schlaghammer, der auf die Struktur trifft und alle ihre inneren Resonanzen unter Strom setzt. Dies ist insofern problematisch, als keine ausreichende Dämpfung im System vorhanden ist, um diese unerwünschte Bewegung des Schreib-/Lesekopfes schnell abzuleiten. Letztendlich können Off-Track-Fehler auftreten, die die Leistung des Geräts verlangsamen.

Um dieses Beispiel weiter auszuführen, unterliegt ein typisches Festplattenlaufwerk einer Sammlung von Anregungsquellen: dem rotierenden Spindelmotor, der die Scheibenplatten auf 7500 oder 10000 U / min dreht, dem drehbar betätigten Schwingspulenmotor, der die Armantriebsbaugruppe schwenkt, den Lagereffekten entweder des Armdrehpunkts oder des Spindellagers, die unerwünschte Störungen verursachen, und die luftinduzierte Anregung durch turbulenten Luftstrom aus den Spinnscheiben, die Luft über den Arm / die Aufhängungskomponenten drücken. Ziel ist es, diese Anregungskräfte auf Quellebene durch verschiedene Designentscheidungen zu steuern. So wurde beispielsweise eine deutliche Verbesserung der durch den Antrieb erzeugten Leerlaufgeräusche erreicht, als die Antriebsindustrie auf präzisere fluiddynamische Lager umstellte. Qualitativ bessere Komponenten, die nach höheren Qualitätsstandards hergestellt werden, reduzierten die Variation durch Verschärfung der Komponententoleranzen und trugen weiter zur Verringerung der Anregungsraten bei. Luftinduzierte Vibrationen sind ein Nebenprodukt der heute hergestellten Hochgeschwindigkeitsantriebe, aber selbst diese Quelle kann durch die Verwendung von Luftrichtvorrichtungen gesteuert werden, die dazu beitragen, turbulente Luftströmungen zu minimieren und so diese Quelle der Breitbandanregung zu den Scheibenplatten und dem Aktuator zu reduzieren.

Im Allgemeinen beinhalten Strategien zur Minimierung des Anregungsquellenniveaus die Verwendung von leichten Komponenten zur Reduzierung der Kraft, die Minimierung von Unwucht und Fehlausrichtung zwischen Komponenten sowie präzisere Fertigungsmethoden, die unerwünschte Variationen beseitigen. Die Reduzierung von Hubkolbenlasten kann durch die Reduzierung der Masse beweglicher Bauteile oder den Einsatz von Trägheitsgegengewichten erreicht werden. Bei Getriebekomponenten sind die Auswahl hoher Kontaktverhältnisse (>2), die richtige Schmierung, die Auswahl der Getriebematerialien, das Zahnprofil und die Oberflächenbeschaffenheit sowie die Wellenausrichtung Faktoren, die eine gute Getriebekonstruktion und -bedienung beeinflussen. Andere Methoden beinhalten die Änderung des tatsächlichen Betriebsprofils, wobei Abstriche bei Geschwindigkeit oder Leistung zugunsten besserer NVH-Eigenschaften gemacht werden (d. h. "leiser Modus" eines Lüfters, der mit einer langsameren Drehzahl läuft, die oft aktiv gesteuert wird, um den Kühlbedarf zu steuern, oder einer Kfz-Klimaanlage, deren Kühlung aufgrund weniger leistungsstarker Komponenten länger dauert. oder eine Festplatte, die langsam bis zum Stillstand verlangsamt und die Erregung auf Kosten längerer Suchzeiten minimiert).

Wichtige technische Herausforderungen für EV- und Emobility-Batterien

Das Durchschnittsalter der Fahrzeuge auf US-Straßen beträgt 12,1 Jahre, gegenüber weniger als zehn Jahren in 2001 Jahren. Autos werden länger und vielleicht härter als je zuvor gefahren und müssen jahrelang dem Missbrauch durch Umweltfaktoren wie Regen, UV-Licht, Eis und Streusalz, Stop-and-Go-Verkehr, schlecht gewartete Straßen und mehr standhalten.

Hinzu kommen die Fahrzeuge selbst. Sie sind weitaus komplexer als je zuvor und mit teurer computergestützter Elektronik, Sensoren und anderen Geräten beladen.

Herausforderung: Wärmeschutz

Elektrofahrzeuge haben einen völlig anderen Kühlbedarf als ICE-Fahrzeuge, mit einem völlig anderen Systemdesign. Um die Sicherheit zu gewährleisten und die Akzeptanz der Verbraucher zu fördern, haben EV- und Batteriehersteller strenge Anforderungen, um ein thermisches Durchgehen zu verhindern und zu bewältigen, eine einzigartige Herausforderung für Lithium-Ionen-Batterien. Batteriehersteller verlassen sich auf Glimmer, Keramikfasern, andere Materialien und intelligentes Systemdesign, um diese thermischen Blockadeereignisse zu verhindern.

Herausforderung: Stromausfälle

Das Aufbringen von Isolierschichten kann Funkenspannung zwischen kritischen internen Komponenten verhindern und elektrische Engpässe oder Brände verhindern.

Boyd bietet Klebebandprodukte an, einschließlich mehrschichtiger Stapelkonfigurationen mit strenger Toleranzkontrolle, die Kurzschlüsse in flexiblen, gedruckten Schaltungen und anderen Hochspannungskomponenten wie Lithium-Ionen-Zellbaugruppen verhindern. Durch die Kombination von elektrisch isolierenden doppelt beschichteten Bändern mit Kompressionspads und anderen Materialien entstehen multifunktionale Lösungen, die Stromausfälle verhindern und Straßenvibrationen oder Kollisionsaufprallenergie absorbieren. Einfach beschichtete Isolierbänder, die auf Komponenten von Flüssigkeitskühlsystemen wie Aluminium-Kühlplatten und anderen Metallstrukturen aufgebracht werden, verleihen thermischen Systemen elektrische Leistung.

Herausforderung: Staub- und Flüssigkeitskontamination

Die Versiegelung des Akkus schützt Lithium-Ionen-Zellen vor dem Eindringen von Flüssigkeiten, Gas- und Staubpartikeln - Verunreinigungen, die zu einem katastrophalen Ausfall führen oder die Lebensdauer der Batterie verkürzen könnten. Dichtungen sollten die Leistung optimieren und Abdichtung bieten, wobei Druckverformungsrest und Kraftumlenkung, Montageeffizienz, Geräusche / Vibrationen / Rauheit (NVH) und andere mechanische Faktoren berücksichtigt werden.

Display-Dichtungen und Klebelösungen sind nicht im Akkupack enthalten, aber dennoch entscheidend für das Fahrerlebnis der Verbraucher. Boyd's sind mit innovativen Haftklebstoffen und Acrylschäumen ausgestattet, um die Display-Baugruppe während ihrer gesamten Lebensdauer zu schützen. Ihre extrem engen Toleranzen können eine "Zero-Gap" -Leistung erreichen und bieten einen unschlagbaren Schutz vor Staub- und Flüssigkeitsverunreinigungen. Wir entwerfen diese Lösungen für eine vereinfachte Kundenmontage, einen DFM-Durchsatz (Design-for-Manufacturing) und eine vereinfachte Materialoptimierung.

Unser Portfolio an Dichtungen und Dichtungen umfasst Hunderte von Schaumstoffen, Polymeren, Klebstoffen und anderen Optionen. Wir kombinieren dieses Material-Know-how mit DFM-Massenproduktionskapazitäten, um kundenspezifische Designs zu liefern, die Ihre leistungsstarken Betriebsbedingungen für den Schutz vor Kontamination von Batteriepack- und Display-Baugruppen übertreffen.

Herausforderung: Schock und Kollision

Batteriepacks müssen vor Kollisionseinflüssen, rauen Straßenbedingungen und extremen Temperaturen geschützt werden. Die Platzierung von robusten und widerstandsfähigen Kompressionspads, die zwischen Lithium-Ionen-Zellen geschichtet sind, kompensiert Quellkräfte aufgrund von Ladungszyklen. Wenn sie um das Batteriemodul herum platziert werden, dienen diese Pads als Aufprallschutzbarriere, indem sie mechanische Energie aus Kollisionsaufprall, extremen Straßenbedingungen und verlängerten Vibrationen absorbieren, um die Sicherheit der Verbraucher zu erhöhen und die Garantiekosten zu senken.

Boyd bietet eine Reihe von geschlossenen und offenzelligen Schäumen an. Diese bieten unterschiedliche Leistungsmerkmale, um die Anforderungen eines breiten Spektrums von Temperatur- und Umgebungsexpositionsanwendungen zu erfüllen. Schäume können mit einfach und doppelt beschichteten Bändern kombiniert werden, die dielektrische Folien zur elektrischen Isolierung in EV-Batterien enthalten.

Diese Schaumstofflösungen senken Ihre Gesamtbetriebskosten, indem sie technische Herausforderungen lösen und gleichzeitig eine einfache Montage und effiziente Installation fördern.

Herausforderung: Thermomanagement

Da sich das Design und die Funktionalität von Elektrofahrzeugen weiterentwickeln, um fortschrittliche Elektronik stark zu integrieren, wenden sich EV-Ingenieure an traditionelle Marktführer für das Wärmemanagement elektronischer Systeme für thermische Systeminnovationen.

EV-Batterieentwickler versuchen, homogene Temperaturen in allen Batteriezellen aufrechtzuerhalten. Sie müssen dies tun, während sie schnellere Lade- / Entladezyklen ermöglichen, die Überhitzung der Batterie reduzieren, katastrophale Batterieereignisse isolieren, wenn sie auftreten - oder noch besser, verhindern, dass diese Ereignisse jemals eintreten. Die komplexen Materialbaugruppen von Boyd integrieren Lithium-Ionen-Batterie-Zell-zu-Zell-Kühlung mit stoßabsorbierenden und wärme-/flammisolierenden Lösungen, um die primären mechanischen, thermischen und Umweltfaktoren zu berücksichtigen, die ein thermisches Durchgehen verhindern.

Wärmeleitmaterialien (TIMs) erleichtern die Wärmeübertragung zwischen der Kühlplatte und dem Batteriemodul des Flüssigkeitskühlsystems und reduzieren den Wärmewiderstand, um die Effizienz des thermischen Systems zu maximieren. Sie tragen dazu bei, den Widerstand des Wärmeflusses in, durch und aus einer Schnittstelle zu minimieren. Das Ableiten von Wärme aus empfindlichen Komponenten fördert eine höhere Leistungsdichte und Effizienz.

Die Fertigungskapazitäten von Boyd kombinieren Rohstoffe von mehreren Anbietern, um optimierte mehrschichtige Stapelungen von Materialkonfigurationen zu erstellen und Ingenieuren dabei zu helfen, eine größere Designflexibilität zu erreichen. Diese Materialien können mit flammhemmenden Klebstoffen kombiniert werden, die es Verbundwerkstoffen und Materialien ermöglichen, UL® 94 V-0 und andere Flammschutzanforderungen zu erfüllen, sowie mit einfach und doppelt beschichteten Bändern mit Easyrelease-Linern und Filmschichten mit starken dielektrischen Eigenschaften.

Unsere Flüssigaluminium-Kühlplatten bieten Robust Structural Support (RSS) und hocheffiziente Kühlung für die leistungsstärksten Batteriemodule und -pakete von heute. Ihr niedriges Profil und ihr geringes Gewicht schaffen zusätzlichen Designraum für leistungsfähigere Batterien und zuverlässigere Fahrzeuge mit größerer Reichweite.

Herausforderung: Elektromagnetische Störungen

Nähte und Öffnungen bieten Möglichkeiten für bösartige Energiewellen, in ein Gerät einzudringen oder es zu verlassen, was zu elektromagnetischen Störungen (EMI) führt. Die EMI-Abschirmung reduziert die Anfälligkeit für elektronische Fehlfunktionen und verbessert die Leistung, Sicherheit und Zuverlässigkeit der Batterie, indem sie diese unerwünschten Wellen blockiert oder absorbiert. Im Allgemeinen lenkt diese Abschirmung zunächst elektromagnetische Wellen mit reflektierenden Oberflächen ab. Dies erwärmt die Abschirmung, was eine moderate elektrische und thermische Leitfähigkeit zu wesentlichen Merkmalen einer EMI/RFI-Abschirmung macht.

Boyds LectroShield Metallfolien, leitfähige Schäume, Elastomere und Klebstoffe wurden entwickelt, um die Störenergie zu verwalten. Das Ergebnis ist eine verbesserte Zuverlässigkeit und Effizienz.

Materiallösungen für den Schutz von Elektrofahrzeugbatterien von Boyd