Manajemen termal adalah salah satu tantangan teknik terpenting dalam desain baterai kendaraan listrik modern.

Seiring baterai EV bergerak menuju kepadatan energi yang lebih tinggi, pengisian daya yang lebih cepat, output daya yang lebih tinggi dan arsitektur yang lebih kompak, mengendalikan suhu sel menjadi semakin sulit.Sistem pendingin itu sendiri hanyalah salah satu bagian dari solusiBahan yang ditempatkan di antara sel, struktur pendingin, kandang kemasan dan komponen lainnya menentukan seberapa efektif panas dapat bergerak atau seberapa efektif dapat diblokir.

Untuk alasan ini, manajemen termal baterai harus dilihat sebagai kombinasi daripendinginan, transfer panas, isolasi, penyegelan, penyebaran panas dan pemanasan aktifdaripada sebagai teknologi pendingin tunggal.

Sistem manajemen termal baterai yang dirancang dengan baik biasanya menggunakan beberapa teknologi bahan, dengan setiap bahan dipilih sesuai dengan lokasi dan fungsinya yang spesifik dalam paket.

Baterai lithium-ion sensitif terhadap suhu operasi. Kinerja baterai, perilaku penuaan, kemampuan pengisian dan keselamatan semuanya dapat dipengaruhi oleh suhu.

Banyak strategi manajemen termal baterai EV bertujuan untuk menjaga suhu sel dalam jendela operasi yang terkendali, biasanya sekitar15°40°C, tergantung pada kimia sel, kondisi operasi dan persyaratan OEM. Tinjauan penelitian juga telah menekankan pentingnya kontrol suhu yang tepat untuk kinerja baterai,keselamatan dan masa pakai.

Tantangannya adalah bahwa sistem pendingin hanya dapat mengendalikan suhu secara efektif ketika panas dapat mencapai media pendingin.

Plat dingin cair, saluran pendingin atau aliran udara menetapkan kondisi batas pendinginan.

Misalnya:

Sel → TIM → Piring dingin → pendingin

Jika antarmuka berisi celah udara mikroskopis, kompresi yang tidak cukup atau ketebalan garis ikatan yang berlebihan,jalur termal dapat menjadi kemacetan bahkan ketika sistem pendingin sendiri memiliki kapasitas yang cukup.

Oleh karena itu, pemilihan bahan merupakan bagian penting dari desain manajemen termal baterai.

Baterai modern memiliki beberapa zona termal dan perlindungan yang berbeda.

Setiap zona memiliki fungsi yang berbeda dan karenanya membutuhkan strategi material yang berbeda.

Pendekatan berbasis zona ini membuat pemilihan bahan lebih mudah karena insinyur dapat terlebih dahulu menentukanapa yang harus dicapai setiap antarmukadan kemudian pilih kelas material yang tepat.

Antarmuka sel-ke-piring dingin adalah salah satu jalur termal yang paling penting dalam baterai EV yang didinginkan cair.

Tujuannya sederhana:

Meminimalkan resistensi termal antara sel pembangkit panas dan struktur pendingin.

Udara memiliki konduktivitas termal hanya sekitar0.026 W/m·K, sehingga celah udara yang tidak terkendali dapat secara signifikan meningkatkan resistensi antarmuka.

Bahan antarmuka termal mengisi celah ini dan menciptakan jalur termal yang lebih berkelanjutan.

Tiga pendekatan yang paling umum adalah:

• Peti panas

• Pengisi celah termal yang disebar

• Perekat konduktif termal

Pad termal adalah lembaran padat yang sesuai yang ditempatkan di antara komponen baterai dan struktur pendingin.

Mereka tersedia dalam formulasi silikon dan non-silikon dan dapat dipotong mati menjadi bentuk yang disesuaikan.

Keuntungan khas meliputi:

• Tidak ada proses pengerasan

• Mudah dipasang

• Geometri die-cut yang tepat

• Isolasi listrik yang baik dalam kelas isolasi

• Kemampuan untuk diproses ulang dalam banyak aplikasi

• Ketebalan terkontrol

Parameter seleksi penting meliputi:

• Konduktivitas termal

• Impedansi termal

• Ketebalan

• Kekerasan

• Perilaku kompresi

• Kekuatan dielektrik

• Set kompresi

• Suhu operasi

Nilai konduktivitas termal yang tinggi saja tidak menjamin kinerja aplikasi yang baik.

Misalnya, bantalan yang sangat keras mungkin memiliki konduktivitas yang sangat baik tetapi membutuhkan tekanan perakitan yang berlebihan untuk mencapai kontak permukaan yang intim.Bahan yang lebih lembut dapat memberikan kesesuaian yang lebih baik pada tekanan yang lebih rendah.

Oleh karena itu, insinyur harus mengevaluasiimpedansi termal di bawah tekanan perakitan yang sebenarnya dan ketebalan garis ikatan, daripada memilih bahan hanya dengan rating W/m·K.

Penuh celah yang disalurkan sangat berguna ketika celah antarmuka bervariasi di seluruh perakitan baterai.

Tidak seperti pad yang sudah dipotong sebelumnya, pengisi celah berbasis cairan atau gel dapat sesuai dengan geometri yang sebenarnya dari antarmuka.

Hal ini membuat teknologi menarik untuk:

• Antarmuka sel-ke-piring dingin

• Arsitektur Cell-to-Pack

• Modul baterai area besar

• Tumpukan toleransi kompleks

• Garis produksi otomatis

Formulasi satu bagian dan dua bagian tersedia.

Bahan satu bagian dirancang untuk pengeras terkontrol sesuai dengan kondisi yang ditentukan oleh produsen, sementara sistem dua bagian dicampur dan dikeras setelah disalurkan.

Keuntungan utama meliputi:

• Kesesuaian permukaan yang sangat baik

• Kapasitas pengisian celah yang besar

• Tekanan mekanik rendah

• Kompatibilitas dispensasi otomatis

• Mengurangi ketergantungan pada geometri pad pra-potong

Pertimbangan manufaktur utama adalah:

• Volume pemberian

• Rasio pencampuran untuk sistem dua bagian

• Umur panci

• Waktu penyembuhan

• Persyaratan peralatan

• Pengendalian obligasi

• Strategi pengerjaan ulang

Untuk produksi baterai bervolume tinggi, faktor proses ini bisa sama pentingnya dengan konduktivitas termal.

Pilihan antara bantalan dan pengisi celah yang didistribusikan terutama tergantung pada geometri antarmuka dan proses manufaktur.

Tidak ada satu pun teknologi yang lebih baik secara universal.

Pilihan yang benar tergantung padakisaran celah, tumpukan toleransi, persyaratan kompresi, volume produksi dan target termal.

Beberapa antarmuka baterai membutuhkan transfer panas dan pemasangan mekanis.

Perekat konduktif termal dapat memberikan ikatan permanen sambil melakukan panas dari komponen.

Mereka dapat dipertimbangkan untuk:

• Perlengkapan komponen permanen

• Antarmuka termal struktural

• Aplikasi terkait busbar

• Perlengkapan penyebar panas

• Komponen dimana pengikat mekanik tidak diinginkan

Pita konduktif termal dapat menyediakan metode perakitan yang lebih sederhana untuk komponen yang lebih ringan.

Namun, perekat dan pita umumnya kurang nyaman untuk diolah kembali daripada bantalan termal.

Tidak semua masalah panas disebabkan oleh transfer panas vertikal yang buruk.

Sel prismatik besar dan perakitan sel kantong juga dapat mengalami gradien suhu di permukaan mereka.

Dalam situasi ini, bahan penyebaran panas dapat mendistribusikan panas secara lateral sebelum mencapai antarmuka pendingin utama.

Grafit dan bahan berbasis graphene adalah contoh bahan termal anisotropik yang dapat memberikan konduktivitas termal dalam bidang yang tinggi.

Tergantung pada arsitektur material, pemanasan berbasis grafit dapat mencapai nilai konduktivitas dalam bidang yang sangat tinggi, dalam beberapa produk komersial melebihi1,000 W/m·K.

Bahan-bahan ini umumnya digunakan sebagai bagian dari tumpukan termal daripada sebagai pengganti langsung untuk TIM utama.

Struktur yang disederhanakan dapat:

Sel → Penyebar Panas → TIM → Plat Dingin

Pemancar panas membantu mengurangi konsentrasi suhu lokal, sementara TIM menyediakan kontak termal ke struktur pendingin.

Bahan perubahan fase (PCM) menyerap panas saat mengalami transisi fase.

Hal ini membuat mereka berguna untuk aplikasi di mana beban termal mengandung puncak jangka pendek.

Misalnya, baterai dapat mengalami peningkatan sementara dalam produksi panas selama:

• Pengisian cepat

• Akselerasi daya tinggi

• Pengerem regeneratif

• Pengeluaran arus tinggi

PCM dapat menyerap sebagian dari panas sementara ini dan mengurangi tingkat kenaikan suhu.

Namun, PCM tidak boleh dianggap sebagai pengganti sistem pendingin aktif.

Bahan ini memiliki kapasitas panas laten terbatas. Setelah kapasitas perubahan fase yang tersedia habis, PCM tidak dapat lagi memberikan efek penyangga yang sama.

Oleh karena itu, PCM paling efektif bila diintegrasikan dengan sistem penolakan panas yang tepat.

Literatur tinjauan 2024 tentang manajemen termal baterai EV mengidentifikasi pendekatan berbasis PCM sebagai salah satu teknologi manajemen termal pasif atau hibrida yang penting.

Sementara beberapa bagian dari baterai perlu mentransfer panas secara efisien, bagian lain perlu melakukan kebalikan.

Antara sel, bahan mungkin diperlukan untuk memperlambat perpindahan panas dan memberikan isolasi listrik.

Teknologi material yang umum termasuk:

Selimut berbasis aerogel dapat memberikan konduktivitas termal yang sangat rendah dalam struktur tipis.

Keuntungan utama mereka adalah efisiensi isolasi termal.

Namun, perlindungan mekanis mungkin diperlukan karena beberapa struktur aerogel dapat sensitif terhadap kompresi, abrasi dan penanganan.

busa silikon memberikan kombinasi dari:

• Isolasi termal

• Pengisian bantal

• Pemulihan kompresi

• Ketahanan lingkungan

• Isolasi listrik

• Opsi tahan api

Sebagai contoh, keluarga Z-FOAM800 ZIITEK mencakup kelas dengan konduktivitas termal sekitar00,06 W/m·K, UL 94 V-0 rating dan kemampuan suhu yang meluas hingga sekitar 200°C, tergantung pada kelas tertentu.

Mica dan lembaran keramik dapat memberikan isolasi listrik dan perlindungan suhu tinggi.

Mereka sering dianggap untuk aplikasi di mana bahan harus menahan paparan panas yang parah atau menyediakan penghalang fisik antara komponen baterai.

Bahan yang tepat tergantung pada arsitektur baterai, skenario peristiwa termal dan persyaratan keselamatan yang berlaku.

Isolasi termal saja tidak dapat mencegah setiap peristiwa keamanan baterai.

Strategi mitigasi termal yang lengkap dapat mencakup:

• Kontrol sistem manajemen baterai

• Pemantauan sel

• Isolasi termal

• Penghalang tahan api

• Struktur ventilasi

• Desain kandang mekanik

• Sistem pendingin

• Bahan tahan api

Standar dan metode pengujian sepertiUL 2596dapat digunakan untuk mengevaluasi kinerja termal dan mekanik dari bahan kandang baterai di bawah kondisi yang mewakili termal runaway.

Penting, hasil uji tingkat material tidak harus ditafsirkan sebagai jaminan langsung keselamatan baterai tingkat sistem.Desain sel dan konfigurasi penggunaan akhir.

Pengelolaan termal baterai terkait erat dengan perlindungan lingkungan.

Kotak baterai harus melindungi komponen internal dari air, debu, kelembaban, getaran dan siklus suhu.

Oleh karena itu, bahan penyegelan perlu mempertahankan kekuatan kompresi dan penyegelan selama masa pakai yang diperlukan.

Spesifikasi penting termasuk:

• Set kompresi

• Penyerapan air

• Kisaran suhu

• Kemampuan tahan api

• Sifat tarik dan robek

• Kekuatan dielektrik

• Ketahanan lingkungan

• Toleransi pemotongan die

Untuk aplikasi yang membutuhkan tahan api,UL 94 V-0UL menggambarkan UL 94 V rating sebagai bahan flammability klasifikasi berdasarkan kondisi uji yang ditentukan.

Persyaratan perlindungan masuk seperti:IP67 atau IP68juga dapat berlaku tergantung pada kandang baterai dan spesifikasi OEM.

Bubuk silikon dapat menggabungkan fungsi penyegelan, bantalan dan isolasi dalam satu bahan.

Seri Z-FOAM800 ZIITEK, misalnya, mencakup kelas yang dirancang untuk penyegelan kandang baterai dan perlindungan termal.UL 94 V-0 tahan api dan ketahanan suhu yang luas, dengan nilai yang tepat tergantung pada kelas.

Untuk aplikasi baterai, insinyur harus mengevaluasi desain penyegelan lengkap daripada memilih bahan gasket berdasarkan kompresi set saja.

Bahan, geometri alur, rasio kompresi, toleransi dan paparan lingkungan semuanya mempengaruhi kinerja penyegelan jangka panjang.

Pengelolaan termal baterai bukan hanya tentang menghilangkan panas.

Dalam lingkungan suhu rendah, baterai mungkin juga perlu dipanaskan sebelum atau selama pengisian.

Suhu rendah dapat mengurangi daya yang tersedia dan kinerja pengisian.tergantung pada kimia sel dan kondisi pengisian.

Oleh karena itu, elemen pemanas yang fleksibel dapat diintegrasikan ke dalam baterai untuk meningkatkan suhu sel ke kisaran operasi yang sesuai.

Teknologi umum termasuk:

Pemanas poliamida menawarkan:

• Konstruksi tipis

• Berat rendah

• Fleksibilitas tinggi

• Pola pemanasan khusus

• Ketahanan suhu yang baik

Pemanas karet silikon menawarkan:

• Konstruksi yang fleksibel

• Ketahanan lingkungan yang baik

• Daya tahan mekanik

• Zona pemanasan khusus

• Kompatibilitas dengan struktur baterai

Solusi pemanas Kheat ZIITEK termasuk teknologi pemanas berbasis poliamida dan silikon, dengan desain khusus yang mampuKapadatan daya 1 ′2 W/cm2, tergantung pada desain dan aplikasi.

Sistem pemanasan harus dirancang bersama dengan sensor suhu dan algoritma kontrol untuk menghindari gradien suhu yang berlebihan atau pemanasan berlebihan.

Arsitektur Cell-to-Pack (CTP) mengurangi atau menghilangkan beberapa struktur modul tradisional.

IDTechEx telah melaporkan bahwa desain CTP dapat secara substansial mengurangi jumlah TIM yang digunakan karena arsitekturnya menghilangkan beberapa antarmuka yang terkait dengan modul konvensional.

Namun, mengurangi jumlah lapisan TIM tidak menghilangkan kebutuhan untuk rekayasa antarmuka yang cermat.

Dalam beberapa desain CTP, antarmuka sel-ke-piring dingin yang tersisa menjadi lebih penting.

Insinyur mungkin perlu mengelola:

• Area antarmuka yang lebih besar

• Variasi dimensi yang lebih besar

• Ekspansi sel

• Persyaratan kompresi

• Stabilitas mekanik jangka panjang

• Impedansi termal

• Aplikasi otomatis

Akibatnya, kecenderungan menuju lebih sedikit bahan sebenarnya dapat meningkatkan persyaratan kinerja yang ditempatkan pada bahan yang tersisa.

Pemilihan bahan harus dimulai dengan arsitektur termal daripada dengan katalog produk.

Proses seleksi praktis mencakup langkah-langkah berikut.

Identifikasi setiap antarmuka antara sel pemicu panas dan media pendingin.

Misalnya:

Sel → TIM → Piring dingin → pendingin

Kemudian tentukan area lain di mana panas harus diblokir, menyebar, disegel atau dihasilkan secara aktif.

Tentukan:

• Suhu sel maksimum yang diizinkan

• Perbedaan suhu maksimum antara sel

• Tingkat produksi panas

• Resistensi termal target

• Area antarmuka

• Kisaran suhu yang diharapkan

Jangan menggunakan konduktivitas termal sebagai satu-satunya kriteria seleksi.

Pengukuran:

• Celah minimum

• Celah maksimum

• Permukaan rata

• Keruwetan permukaan

• Toleransi komponen

• Jangkauan kompresi

Informasi ini menentukan apakah bantalan termal, pengisi celah, perekat atau teknologi antarmuka lainnya sesuai.

Perhatikan:

• Kekuatan kompresi

• Set kompresi

• Ekspansi sel

• Getaran

• Kejutan

• Gerakan geser

• Relaksasi stres jangka panjang

TIM harus tetap berfungsi sepanjang umur mekanis baterai.

Tergantung pada lokasinya, bahan mungkin membutuhkan:

• Isolasi listrik

• Kekuatan dielektrik

• Kemampuan tahan api

• Asap rendah

• Pengeluaran gas rendah

• Kepatuhan RoHS

• Kepatuhan REACH

Rating tingkat material harus selalu diperiksa terhadap persyaratan OEM dan sistem yang sebenarnya.

Bahan yang sangat baik secara teknis mungkin masih tidak cocok jika tidak dapat diproduksi secara efisien.

Evaluasi:

• Kemampuan pemotongan die

• Kecepatan pemberian

• Persyaratan pencampuran

• Waktu penyembuhan

• Kompatibilitas Otomasi

• Penggunaan bahan

• Persyaratan pengolahan ulang

• Waktu simpan

Untuk produksi baterai EV bervolume tinggi, kompatibilitas proses manufaktur dapat berdampak besar pada total biaya.

Akhirnya, uji bahan dalam baterai yang sebenarnya.

Evaluasi yang relevan dapat mencakup:

• Siklus termal

• Getaran

• Penuaan kompresi

• Penuaan karena kelembaban

• Impedansi termal

• Adhesi

• Set kompresi

• Isolasi listrik

• Pengujian terkait api dan penyebaran

Untuk bahan antarmuka termal, ASTM D5470 adalah salah satu metode yang umum digunakan untuk mengukur sifat transmisi termal dari bahan isolasi listrik konduktif termal.

Kondisi pengujian, termasuk tekanan, ketebalan dan konfigurasi pengujian, harus selalu dilaporkan karena impedansi termal sangat tergantung pada kondisi antarmuka yang sebenarnya.

Sebelum memilih bahan untuk program baterai EV, ada baiknya mengajukan beberapa pertanyaan praktis kepada pemasok.

Jangan hanya mengandalkan nilai W/m·K yang diiklankan.

Mintalah:

• Metode pengujian

• Tekanan

• Ketebalan garis ikatan

• Suhu

• Konfigurasi sampel

Mintalah kurva kompresi dan kinerja di rentang celah yang sebenarnya.

Untuk mengisi kekosongan, tanyakan tentang:

• Peralatan penyampaian

• Rasio pencampuran

• Umur panci

• Profil penyembuhan

• Keakuratan penyampaian

Permintaan data untuk:

• Siklus termal

• Penuaan suhu tinggi

• Kelembaban

• Set kompresi

• Pump-out atau migrasi

• Stabilitas adhesi

Desain baterai sering membutuhkan kustomisasi:

• Ketebalan

• Geometri

• Kekerasan

• Konduktivitas termal

• Adhesi

• Kemampuan tahan api

• Isolasi listrik

Penyedia yang mampu merumuskan dan mengkonversi dukungan dapat mengurangi waktu pengembangan.

Arsitektur termal baterai EV jarang diselesaikan dengan satu bahan.

Sebuah kemasan tipikal dapat menggabungkan:

Bantal panas + Gel panas + Isolasi + Penghalang kebakaran + busa penyegelan + pemanasan pemanasan + film pemanasan

Setiap bahan memiliki fungsi yang berbeda.

ZIITEK, misalnya, menyediakan bahan antarmuka termal, bahan penyegelan busa silikon dan solusi pemanas fleksibel untuk aplikasi EV dan energi baru.Portofolio EV saat ini mencakup gel termal untuk antarmuka sel-ke-plak dingin, bantalan termal seri TIF, busa silikon Z-FOAM800 dan solusi pemanas Kheat.

Nilai dari pendekatan bahan terpadu bukan hanya memiliki lebih banyak produk.seluruh tumpukan termal, mekanik, listrik dan lingkungansebagai satu sistem.

Tidak ada TIM terbaik yang universal. Pad termal sering cocok untuk celah terkontrol dan perakitan sederhana, sementara pengisi celah termal yang disemprotkan menguntungkan untuk celah variabel dan geometri yang kompleks.Pilihan yang benar tergantung pada impedansi termal, celah, kompresi, isolasi listrik, proses manufaktur dan persyaratan keandalan.

Baterai yang didinginkan cair membutuhkan antarmuka termal yang terkontrol antara komponen yang menghasilkan panas dan struktur pendingin, tetapi antarmuka itu bisa menjadi bantalan termal,Gel termal, pengisi celah, perekat atau teknologi TIM lainnya.

Sebuah bantalan termal adalah bahan antarmuka padat yang telah dipadatkan sebelumnya, sedangkan gel termal atau pengisi celah disalurkan dalam bentuk cair atau gel dan sesuai dengan geometri antarmuka yang sebenarnya.Pad umumnya lebih mudah ditangani, sedangkan gel dapat memberikan kesesuaian yang lebih baik untuk celah variabel atau yang lebih besar.

Bahan isolasi dapat mengurangi perpindahan panas lateral dan membantu memperlambat perpindahan panas antara sel-sel yang berdekatan.mica dan lembaran keramik dapat dipertimbangkan.

Secara umum, tidak. PCM dapat menyerap sejumlah panas yang terbatas selama transisi fase dan oleh karena itu buffer puncak termal jangka pendek.Ini tidak terus menghilangkan panas dan biasanya perlu bekerja dengan mekanisme penolakan panas yang sesuai.

Film pemanas memberikan panas yang terkontrol selama operasi suhu rendah. Mereka dapat membantu membawa sel ke suhu yang tepat sebelum atau selama pengisian, terutama di iklim dingin.

Tidak ada target universal W/m·K. Kinerja termal tergantung pada konduktivitas termal, ketebalan, resistensi kontak, tekanan, geometri antarmuka dan total jalur panas.Impedansi termal dalam kondisi perakitan yang realistis sering lebih berguna daripada konduktivitas saja.

Parameter penting termasuk set kompresi, kisaran suhu, penyerapan air, retardansi api, sifat dielektrik, ketahanan lingkungan dan desain kompresi kandang yang sebenarnya.Persyaratan IP harus dievaluasi di tingkat sistem.

Beberapa pemasok bahan menawarkan berbagai teknologi, termasuk bantalan termal, gel termal, busa silikonpemisah panas dan film pemanas yang dapat menyederhanakan kualifikasi material dan integrasi sistemNamun, setiap bahan masih perlu divalidasi terhadap desain baterai tertentu dan persyaratan OEM.

Manajemen termal baterai EV semakin menjaditantangan teknik bahan sebanyak tantangan sistem pendingin.

Arsitektur pendingin menentukan ke mana panas dapat pergi. Bahan menentukan seberapa efisien panas mencapai tujuan itu dan di mana panas harus diblokir, menyebar, disegel atau dihasilkan.

Untuk paket baterai EV modern, manajemen termal yang efektif mungkin memerlukan kombinasi terkoordinasi dari:

Bahan antarmuka termal

• Bahan Penyebaran Panas

• Isolasi Termal

• Penghalang Api

• Bahan Penyegelan

• Film Pemanas

Oleh karena itu, strategi seleksi bahan yang paling dapat diandalkan bukanlah mencari bahan termal "terbaik" tunggal.menentukan persyaratan setiap zona, mengevaluasi kinerja termal dan mekanik dalam kondisi yang realistis, dan memvalidasi perakitan lengkap sebelum produksi.

Karena arsitektur baterai berkembang menuju sel-to-pack, kepadatan energi yang lebih tinggi dan pengisian daya yang lebih cepat, pentingnya pendekatan bahan terpadu ini hanya akan terus tumbuh.