La gestione termica è una delle sfide ingegneristiche più importanti nella progettazione moderna delle batterie dei veicoli elettrici.

Poiché i pacchi batteria dei veicoli elettrici si muovono verso una maggiore densità energetica, una ricarica più rapida, una maggiore potenza in uscita e architetture più compatte, il controllo della temperatura delle celle diventa sempre più difficile. Il sistema di raffreddamento stesso è solo una parte della soluzione. I materiali posti tra le celle, le strutture di raffreddamento, gli involucri del pacco e altri componenti determinano quanto efficacemente il calore può muoversi—o quanto efficacemente può essere bloccato.

Per questo motivo, la gestione termica delle batterie dovrebbe essere vista come una combinazione di raffreddamento, trasferimento di calore, isolamento, sigillatura, diffusione del calore e riscaldamento attivo piuttosto che come una singola tecnologia di raffreddamento.

Un sistema di gestione termica delle batterie ben progettato utilizza tipicamente diverse tecnologie di materiali, con ogni materiale selezionato in base alla sua posizione e funzione specifica all'interno del pacco.

Le batterie agli ioni di litio sono sensibili alla temperatura operativa. Le prestazioni della batteria, il comportamento di invecchiamento, la capacità di ricarica e la sicurezza possono essere influenzati dalla temperatura.

Molte strategie di gestione termica delle batterie dei veicoli elettrici mirano a mantenere le temperature delle celle all'interno di una finestra operativa controllata, comunemente intorno a 15–40°C, a seconda della chimica della cella, delle condizioni operative e dei requisiti dell'OEM. Le revisioni della ricerca hanno anche sottolineato l'importanza di un controllo preciso della temperatura per le prestazioni, la sicurezza e la durata di servizio della batteria.

La sfida è che un sistema di raffreddamento può controllare efficacemente la temperatura solo quando il calore può raggiungere il mezzo di raffreddamento.

Una piastra fredda liquida, un canale del refrigerante o un flusso d'aria stabiliscono la condizione al contorno di raffreddamento. Tuttavia, ogni interfaccia tra la cella e il sistema di raffreddamento introduce resistenza termica.

Ad esempio:

Cella → TIM → Piastra fredda → Refrigerante

Se l'interfaccia contiene micro-vuoti d'aria, compressione insufficiente o spessore eccessivo della linea di adesione, il percorso termico può diventare un collo di bottiglia anche quando il sistema di raffreddamento stesso ha una capacità sufficiente.

Ecco perché la selezione dei materiali è una parte essenziale della progettazione della gestione termica delle batterie.

Un moderno pacco batteria contiene diverse zone termiche e di protezione.

Ogni zona svolge una funzione diversa e richiede quindi una strategia di materiale diversa.

Questo approccio basato sulle zone rende più facile la selezione dei materiali perché l'ingegnere può prima definire cosa deve realizzare ogni interfaccia e poi selezionare la classe di materiale appropriata.

L'interfaccia cella-piastra fredda è uno dei percorsi termici più importanti in un veicolo elettrico raffreddato a liquido.

L'obiettivo è semplice:

Minimizzare la resistenza termica tra la cella che genera calore e la struttura di raffreddamento.

L'aria ha una conducibilità termica di soli circa 0,026 W/m·K, quindi i vuoti d'aria incontrollati possono aumentare significativamente la resistenza dell'interfaccia.

I materiali per interfacce termiche riempiono questi vuoti e creano un percorso termico più continuo.

I tre approcci più comuni sono:

• Tampone termico

• Riempitivi per vuoti termici dispensati

• Adesivi termicamente conduttivi

I tamponi termici sono fogli solidi conformabili che vengono posizionati tra il componente della batteria e la struttura di raffreddamento.

Sono disponibili in formulazioni siliconiche e non siliconiche e possono essere fustellati in forme personalizzate.

I vantaggi tipici includono:

• Nessun processo di polimerizzazione

• Facile installazione

• Geometria precisa fustellata

• Buon isolamento elettrico nei gradi isolanti

• Rielaborabilità in molte applicazioni

• Spessore controllato

I parametri di selezione importanti includono:

• Conducibilità termica

• Impedenza termica

• Spessore

• Durezza

• Comportamento alla compressione

• Resistenza dielettrica

• Set di compressione

• Temperatura operativa

Un alto valore di conducibilità termica da solo non garantisce buone prestazioni applicative.

Ad esempio, un tampone molto duro può avere un'eccellente conducibilità ma richiedere una pressione di assemblaggio eccessiva per ottenere un contatto superficiale intimo. Un materiale più morbido può fornire una migliore conformità a bassa pressione.

Pertanto, gli ingegneri dovrebbero valutare l'impedenza termica sotto la pressione di assemblaggio effettiva e lo spessore della linea di adesione, piuttosto che selezionare un materiale solo in base al suo valore nominale W/m·K.

I riempitivi per vuoti dispensati sono particolarmente utili quando il vuoto dell'interfaccia varia nell'assemblaggio della batteria.

A differenza di un tampone pretagliato, un riempitivo per vuoti a base liquida o gel può conformarsi alla geometria effettiva dell'interfaccia.

Ciò rende la tecnologia attraente per:

• Interfacce cella-piastra fredda

• Architetture cella-pacco

• Moduli batteria di grandi dimensioni

• Tolleranze complesse

• Linee di produzione automatizzate

Sono disponibili formulazioni monocomponente e bicomponente.

I materiali monocomponente sono progettati per una polimerizzazione controllata secondo le condizioni specificate dal produttore, mentre i sistemi bicomponente vengono miscelati e polimerizzati dopo l'erogazione.

I principali vantaggi includono:

• Eccellente conformità superficiale

• Ampia capacità di riempimento dei vuoti

• Basso stress meccanico

• Compatibilità con erogazione automatizzata

• Minore dipendenza dalla geometria del tampone pretagliato

Le principali considerazioni di produzione sono:

• Volume di erogazione

• Rapporto di miscelazione per sistemi bicomponente

• Tempo di vita in vaso

• Tempo di polimerizzazione

• Requisiti delle attrezzature

• Controllo della linea di adesione

• Strategia di rielaborazione

Per la produzione di batterie ad alto volume, questi fattori di processo possono essere importanti quanto la conducibilità termica.

La scelta tra un tampone e un riempitivo per vuoti dispensato dipende principalmente dalla geometria dell'interfaccia e dal processo di produzione.

Nessuna delle due tecnologie è universalmente migliore.

La scelta corretta dipende dal intervallo di vuoto, tolleranza, requisito di compressione, volume di produzione e obiettivo termico.

Alcune interfacce batteria richiedono sia il trasferimento di calore che l'attacco meccanico.

Gli adesivi termicamente conduttivi possono fornire un legame permanente conducendo contemporaneamente il calore lontano dal componente.

Possono essere considerati per:

• Fissaggio permanente del componente

• Interfacce termiche strutturali

• Applicazioni relative alle barre di distribuzione

• Fissaggio del dissipatore di calore

• Componenti in cui i fissaggi meccanici non sono desiderabili

I nastri termicamente conduttivi possono fornire un metodo di assemblaggio più semplice per componenti più leggeri.

Tuttavia, adesivi e nastri sono generalmente meno convenienti da rielaborare rispetto ai tamponi termici. Pertanto, dovrebbero essere selezionati quando la natura permanente del giunto è accettabile.

Non tutti i problemi termici sono causati da un inefficiente trasferimento di calore verticale.

Grandi celle prismatiche e assemblaggi di celle a sacchetto possono anche sperimentare gradienti di temperatura sulla loro superficie.

In queste situazioni, i materiali per la diffusione del calore possono distribuire il calore lateralmente prima che raggiunga l'interfaccia di raffreddamento principale.

I materiali a base di grafite e grafene sono esempi di materiali termici anisotropi che possono fornire un'elevata conducibilità termica nel piano.

A seconda dell'architettura del materiale, i dissipatori di calore a base di grafite possono raggiungere valori di conducibilità nel piano molto elevati, in alcuni prodotti commerciali superando 1.000 W/m·K.

Questi materiali sono generalmente utilizzati come parte di uno stack termico piuttosto che come sostituzione diretta del TIM primario.

Una struttura semplificata può essere:

Cella → Dissipatore di calore → TIM → Piastra fredda

Il dissipatore di calore aiuta a ridurre la concentrazione di temperatura locale, mentre il TIM fornisce il contatto termico alla struttura di raffreddamento.

I materiali a cambiamento di fase (PCM) assorbono calore durante una transizione di fase.

Ciò li rende utili per applicazioni in cui il carico termico contiene picchi di breve durata.

Ad esempio, una batteria può sperimentare un aumento temporaneo della generazione di calore durante:

• Ricarica rapida

• Accelerazione ad alta potenza

• Frenata rigenerativa

• Scarica ad alta corrente

Un PCM può assorbire parte di questo calore transitorio e ridurre il tasso di aumento della temperatura.

Tuttavia, il PCM non dovrebbe essere considerato un sostituto di un sistema di raffreddamento attivo.

Il materiale ha una capacità di calore latente finita. Una volta esaurita la capacità di cambiamento di fase disponibile, il PCM non può più fornire lo stesso effetto di buffering.

Pertanto, il PCM è più efficace quando integrato con un appropriato sistema di dissipazione del calore.

La letteratura di revisione del 2024 sulla gestione termica delle batterie dei veicoli elettrici identifica gli approcci basati su PCM come una delle importanti tecnologie di gestione termica passive o ibride.

Mentre alcune parti del pacco batteria devono trasferire il calore in modo efficiente, altre aree devono fare esattamente il contrario.

Tra le celle, i materiali possono essere richiesti per rallentare la propagazione termica e fornire isolamento elettrico.

Le tecnologie di materiali comuni includono:

Le coperte a base di aerogel possono fornire una conducibilità termica molto bassa in una struttura sottile.

Il loro vantaggio principale è l'efficienza dell'isolamento termico.

Tuttavia, può essere necessaria una protezione meccanica poiché alcune strutture di aerogel possono essere sensibili alla compressione, all'abrasione e alla manipolazione.

La schiuma di silicone fornisce una combinazione di:

• Isolamento termico

• Ammortizzazione

• Recupero della compressione

• Resistenza ambientale

• Isolamento elettrico

• Opzioni ignifughe

Ad esempio, la famiglia Z-FOAM800 di ZIITEK include gradi con conducibilità termica intorno a 0,06 W/m·K, classificazioni UL 94 V-0 e capacità di temperatura fino a circa 200°C, a seconda del grado specifico.

I fogli di mica e ceramica possono fornire isolamento elettrico e protezione ad alta temperatura.

Sono spesso considerati per applicazioni in cui il materiale deve resistere a severe esposizioni termiche o fornire una barriera fisica tra i componenti della batteria.

Il materiale appropriato dipende dall'architettura della batteria, dallo scenario dell'evento termico e dai requisiti di sicurezza applicabili.

L'isolamento termico da solo non può prevenire ogni evento di sicurezza della batteria.

Una strategia completa di mitigazione del runaway termico può includere:

• Controlli del sistema di gestione della batteria

• Monitoraggio delle celle

• Isolamento termico

• Barriere resistenti al fuoco

• Strutture di sfiato

• Progettazione dell'involucro meccanico

• Sistemi di raffreddamento

• Materiali ignifughi

Standard e metodi di prova come UL 2596 possono essere utilizzati per valutare le prestazioni termiche e meccaniche dei materiali degli involucri delle batterie in condizioni rappresentative del runaway termico.

È importante notare che i risultati dei test a livello di materiale non dovrebbero essere interpretati come garanzie dirette della sicurezza della batteria a livello di sistema. Le prestazioni effettive dipendono dal materiale, dalla geometria, dallo spessore, dal design della cella e dalla configurazione di fine utilizzo.

La gestione termica delle batterie è strettamente connessa alla protezione ambientale.

Un involucro della batteria deve proteggere i componenti interni da acqua, polvere, umidità, vibrazioni e cicli di temperatura.

Il materiale sigillante deve quindi mantenere la compressione e la forza di tenuta per tutta la vita utile richiesta.

Le specifiche importanti includono:

• Set di compressione

• Assorbimento d'acqua

• Intervallo di temperatura

• Ignifugazione

• Proprietà di trazione e lacerazione

• Resistenza dielettrica

• Resistenza ambientale

• Tolleranza di fustellatura

Per applicazioni che richiedono ignifugazione, UL 94 V-0 può essere specificato a seconda dell'OEM e dei requisiti di sistema. UL descrive le classificazioni UL 94 V come classificazioni di infiammabilità dei materiali basate su condizioni di prova definite.

Requisiti di protezione dall'ingresso come IP67 o IP68 possono anche applicarsi a seconda dell'involucro della batteria e delle specifiche dell'OEM.

La schiuma di silicone può combinare funzioni di sigillatura, ammortizzazione e isolamento in un unico materiale.

La serie Z-FOAM800 di ZIITEK, ad esempio, include gradi progettati per la sigillatura degli involucri delle batterie e la protezione termica. Le specifiche disponibili includono basso set di compressione, ignifugazione UL 94 V-0 e ampia resistenza alla temperatura, con valori esatti a seconda del grado.

Per le applicazioni delle batterie, gli ingegneri dovrebbero valutare il design completo della sigillatura piuttosto che selezionare un materiale di guarnizione basato solo sul set di compressione.

Il materiale, la geometria della scanalatura, il rapporto di compressione, le tolleranze e l'esposizione ambientale influenzano tutti le prestazioni di sigillatura a lungo termine.

La gestione termica delle batterie non riguarda solo la rimozione del calore.

Negli ambienti a bassa temperatura, la batteria potrebbe anche dover essere riscaldata prima o durante la ricarica.

Le basse temperature possono ridurre la potenza disponibile e le prestazioni di ricarica. La ricarica delle celle agli ioni di litio a temperature sufficientemente basse può anche aumentare il rischio di placcatura di litio, a seconda della chimica della cella e delle condizioni di ricarica.

Gli elementi riscaldanti flessibili possono quindi essere integrati nei pacchi batteria per aumentare la temperatura delle celle a un intervallo operativo appropriato.

Le tecnologie comuni includono:

I riscaldatori in poliimmide offrono:

• Costruzione sottile

• Basso peso

• Elevata flessibilità

• Schemi di riscaldamento personalizzati

• Buona resistenza alla temperatura

I riscaldatori in gomma siliconica offrono:

• Costruzione flessibile

• Buona resistenza ambientale

• Durabilità meccanica

• Zone di riscaldamento personalizzate

• Compatibilità con le strutture dei pacchi batteria

Le soluzioni di riscaldamento Kheat di ZIITEK includono tecnologie di riscaldamento a base di poliimmide e silicone, con design personalizzati in grado di circa 1–2 W/cm² di densità di potenza, a seconda del design e dell'applicazione.

I sistemi di riscaldamento dovrebbero essere progettati insieme a sensori di temperatura e algoritmi di controllo per evitare gradienti di temperatura eccessivi o surriscaldamento.

Le architetture cella-pacco (CTP) riducono o eliminano alcune strutture modulari tradizionali.

IDTechEx ha riferito che i design CTP possono ridurre sostanzialmente la quantità di TIM utilizzata perché l'architettura rimuove alcune delle interfacce associate ai moduli convenzionali.

Tuttavia, la riduzione del numero di strati TIM non elimina la necessità di un'attenta ingegneria delle interfacce.

In alcuni design CTP, l'interfaccia cella-piastra fredda rimanente diventa ancora più importante.

Gli ingegneri potrebbero dover gestire:

• Aree di interfaccia più grandi

• Maggiore variazione dimensionale

• Espansione delle celle

• Requisiti di compressione

• Stabilità meccanica a lungo termine

• Impedenza termica

• Applicazione automatizzata

Di conseguenza, la tendenza verso meno materiali può effettivamente aumentare i requisiti di prestazioni imposti sui materiali rimanenti.

La selezione dei materiali dovrebbe iniziare con l'architettura termica piuttosto che con un catalogo prodotti.

Un processo di selezione pratico include i seguenti passaggi.

Identificare ogni interfaccia tra la cella che genera calore e il mezzo di raffreddamento.

Ad esempio:

Cella → TIM → Piastra fredda → Refrigerante

Quindi identificare altre aree in cui il calore deve essere bloccato, diffuso, sigillato o generato attivamente.

Determinare:

• Temperatura massima consentita della cella

• Differenza di temperatura massima tra le celle

• Velocità di generazione del calore

• Resistenza termica target

• Area dell'interfaccia

• Intervallo di temperatura previsto

Non utilizzare la conducibilità termica come unico criterio di selezione.

Misurare:

• Vuoto minimo

• Vuoto massimo

• Planarità

• Rugosità superficiale

• Tolleranza del componente

• Intervallo di compressione

Queste informazioni determinano se un tampone termico, un riempitivo per vuoti, un adesivo o un'altra tecnologia di interfaccia è appropriata.

Considerare:

• Forza di compressione

• Set di compressione

• Espansione delle celle

• Vibrazioni

• Urto

• Movimento di taglio

• Rilassamento dello stress a lungo termine

Un TIM deve rimanere funzionale per tutta la vita meccanica del pacco batteria.

A seconda della sua posizione, il materiale potrebbe necessitare di:

• Isolamento elettrico

• Resistenza dielettrica

• Ignifugazione

• Basso fumo

• Bassa emissione di gas

• Conformità RoHS

• Conformità REACH

Le classificazioni a livello di materiale dovrebbero sempre essere verificate rispetto ai requisiti effettivi dell'OEM e del sistema.

Un materiale tecnicamente eccellente potrebbe comunque essere inadatto se non può essere prodotto in modo efficiente.

Valutare:

• Capacità di fustellatura

• Velocità di erogazione

• Requisiti di miscelazione

• Tempo di polimerizzazione

• Compatibilità con l'automazione

• Utilizzo del materiale

• Requisiti di rielaborazione

• Durata di conservazione

Per la produzione di batterie per veicoli elettrici ad alto volume, la compatibilità del processo di produzione può avere un impatto significativo sul costo totale.

Infine, testare il materiale nello stack-up effettivo della batteria.

Le valutazioni pertinenti possono includere:

• Cicli termici

• Vibrazioni

• Invecchiamento per compressione

• Invecchiamento per umidità

• Impedenza termica

• Adesione

• Set di compressione

• Isolamento elettrico

• Test relativi a incendi e propagazione

Per i materiali per interfacce termiche, ASTM D5470 è un metodo comunemente utilizzato per misurare le proprietà di trasmissione termica dei materiali isolanti elettrici termicamente conduttivi.

Le condizioni di prova—inclusi pressione, spessore e configurazione di prova—dovrebbero sempre essere riportate perché l'impedenza termica è altamente dipendente dalle condizioni effettive dell'interfaccia.

Prima di selezionare un materiale per un programma di batterie per veicoli elettrici, vale la pena porre al fornitore diverse domande pratiche.

Non fare affidamento solo sul valore W/m·K pubblicizzato.

Chiedere:

• Metodo di prova

• Pressione

• Spessore della linea di adesione

• Temperatura

• Configurazione del campione

Chiedere curve di compressione e prestazioni nell'intervallo di vuoto effettivo.

Per i riempitivi per vuoti, chiedere informazioni su:

• Attrezzature di erogazione

• Rapporto di miscelazione

• Tempo di vita in vaso

• Profilo di polimerizzazione

• Precisione di erogazione

Richiedere dati per:

• Cicli termici

• Invecchiamento ad alta temperatura

• Umidità

• Set di compressione

• Pompage o migrazione

• Stabilità dell'adesione

I design delle batterie spesso richiedono personalizzazioni di:

• Spessore

• Geometria

• Durezza

• Conducibilità termica

• Adesione

• Ignifugazione

• Isolamento elettrico

Un fornitore in grado di supportare la formulazione e la conversione può ridurre i tempi di sviluppo.

L'architettura termica di una batteria per veicoli elettrici viene raramente risolta con un solo materiale.

Un pacco tipico può combinare:

Tampone termico + Gel termico + Isolamento + Barriere antincendio + Schiume sigillanti + Dissipatori di calore + Film riscaldanti

Ogni materiale svolge una funzione diversa.

ZIITEK, ad esempio, fornisce materiali per interfacce termiche, materiali sigillanti in schiuma di silicone e soluzioni di riscaldamento flessibili per applicazioni di veicoli elettrici e nuove energie. Il suo attuale portafoglio per veicoli elettrici include gel termici per interfacce cella-piastra fredda, tamponi termici serie TIF, schiuma di silicone Z-FOAM800 e soluzioni di riscaldamento Kheat.

Il valore di un approccio integrato ai materiali non è semplicemente avere più prodotti. È la capacità di valutare l'intero stack-up termico, meccanico, elettrico e ambientale come un unico sistema.

Non esiste un TIM universalmente migliore. I tamponi termici sono spesso adatti per vuoti controllati e assemblaggio semplice, mentre i riempitivi per vuoti termici dispensati sono vantaggiosi per vuoti variabili e geometrie complesse. La scelta corretta dipende dall'impedenza termica, dal vuoto, dalla compressione, dall'isolamento elettrico, dal processo di produzione e dai requisiti di affidabilità.

Non necessariamente. I pacchi batteria raffreddati a liquido richiedono un'interfaccia termica controllata tra i componenti che generano calore e la struttura di raffreddamento, ma tale interfaccia può essere un tampone termico, un gel termico, un riempitivo per vuoti, un adesivo o un'altra tecnologia TIM.

Un tampone termico è un materiale di interfaccia solido pre-polimerizzato, mentre un gel termico o riempitivo per vuoti viene erogato in forma liquida o gel e si conforma alla geometria effettiva dell'interfaccia. I tamponi sono generalmente più facili da maneggiare, mentre i gel possono fornire una migliore conformità per vuoti variabili o più grandi.

I materiali isolanti possono ridurre il trasferimento di calore laterale e aiutare a rallentare la propagazione termica tra celle adiacenti. A seconda dell'applicazione, possono essere considerati materiali come schiuma di silicone, aerogel, mica e fogli ceramici.

Generalmente no. Il PCM può assorbire una quantità finita di calore durante una transizione di fase e quindi tamponare picchi termici di breve durata. Non rimuove continuamente il calore e normalmente necessita di lavorare con un appropriato meccanismo di dissipazione del calore.

I film riscaldanti forniscono calore controllato durante il funzionamento a bassa temperatura. Possono aiutare a portare le celle a una temperatura appropriata prima o durante la ricarica, in particolare nei climi freddi.

Non esiste un obiettivo W/m·K universale. Le prestazioni termiche dipendono dalla conducibilità termica, dallo spessore, dalla resistenza di contatto, dalla pressione, dalla geometria dell'interfaccia e dal percorso termico totale. L'impedenza termica in condizioni di assemblaggio realistiche è spesso più utile della sola conducibilità.

I parametri importanti includono set di compressione, intervallo di temperatura, assorbimento d'acqua, ignifugazione, proprietà dielettriche, resistenza ambientale e il design effettivo della compressione dell'involucro. I requisiti IP dovrebbero essere valutati a livello di sistema.

Alcuni fornitori di materiali offrono più tecnologie—tra cui tamponi termici, gel termici, schiume di silicone, dissipatori di calore e film riscaldanti—il che può semplificare la qualificazione dei materiali e l'integrazione del sistema. Tuttavia, ogni materiale deve comunque essere validato rispetto al design specifico della batteria e ai requisiti dell'OEM.

La gestione termica delle batterie dei veicoli elettrici sta diventando sempre più una sfida di ingegneria dei materiali tanto quanto una sfida di sistema di raffreddamento.

L'architettura di raffreddamento determina dove può andare il calore. I materiali determinano quanto efficientemente il calore raggiunge quella destinazione—e dove il calore deve invece essere bloccato, diffuso, sigillato o generato.

Per un moderno pacco batteria per veicoli elettrici, una gestione termica efficace può richiedere una combinazione coordinata di:

Materiali per interfacce termiche

• Materiali per la diffusione del calore

• Isolamento termico

• Barriere antincendio

• Materiali sigillanti

• Film riscaldanti

La strategia di selezione dei materiali più affidabile, quindi, non è cercare un singolo materiale termico "migliore". Invece, gli ingegneri dovrebbero mappare il percorso termico completo della batteria, definire i requisiti di ogni zona, valutare le prestazioni termiche e meccaniche in condizioni realistiche e validare l'assemblaggio completo prima della produzione.

Poiché le architetture delle batterie si evolvono verso il cell-to-pack, una maggiore densità energetica e una ricarica più rapida, l'importanza di questo approccio integrato ai materiali continuerà solo a crescere.