La gestion thermique est l'un des défis d'ingénierie les plus importants dans la conception des batteries des véhicules électriques modernes.

Au fur et à mesure que les batteries de véhicules électriques évoluent vers une plus grande densité d'énergie, une charge plus rapide, une puissance de sortie plus élevée et des architectures plus compactes, le contrôle de la température de la cellule devient de plus en plus difficile.Le système de refroidissement n'est qu'une partie de la solutionLes matériaux placés entre les cellules, les structures de refroidissement, les boîtiers et autres composants déterminent l'efficacité avec laquelle la chaleur peut circuler ou être bloquée.

Pour cette raison, la gestion thermique des batteries doit être considérée comme une combinaison dele refroidissement, le transfert de chaleur, l'isolation, l'étanchéité, la propagation de la chaleur et le chauffage actifplutôt qu'une seule technologie de refroidissement.

Un système de gestion thermique de la batterie bien conçu utilise généralement plusieurs technologies de matériaux, chaque matériau étant sélectionné en fonction de son emplacement et de sa fonction spécifiques au sein de la batterie.

Les batteries lithium-ion sont sensibles à la température de fonctionnement.

De nombreuses stratégies de gestion thermique des batteries de véhicules électriques visent à maintenir les températures de la cellule dans une fenêtre de fonctionnement contrôlée, généralement autour de15°40°CLes études ont également souligné l'importance d'un contrôle précis de la température pour les performances de la batterie,sécurité et durée de vie.

Le défi est qu'un système de refroidissement ne peut contrôler efficacement la température que lorsque la chaleur peut atteindre le milieu de refroidissement.

Une plaque froide liquide, un canal de liquide de refroidissement ou un courant d'air établissent la condition limite de refroidissement.

Par exemple:

Cellule → TIM → Plaque de refroidissement → Fluide de refroidissement

Si l'interface contient des trous d'air microscopiques, une compression insuffisante ou une épaisseur excessive de la ligne de liaison,la trajectoire thermique peut devenir un goulot d'étranglement même lorsque le système de refroidissement lui-même a une capacité suffisante.

C'est pourquoi la sélection des matériaux est un élément essentiel de la conception de la gestion thermique des batteries.

Une batterie moderne contient plusieurs zones thermiques et de protection différentes.

Chaque zone remplit une fonction différente et nécessite donc une stratégie matérielle différente.

Cette approche basée sur la zone facilite la sélection du matériau car l'ingénieur peut d'abord définirce que chaque interface doit accompliret sélectionnez ensuite la classe de matériau appropriée.

L'interface cellule-plaque froide est l'une des voies thermiques les plus importantes dans une batterie électrique refroidie par liquide.

L'objectif est simple:

Réduire au minimum la résistance thermique entre la cellule génératrice de chaleur et la structure de refroidissement.

L'air a une conductivité thermique de seulement environ0.026 W/m·K, de sorte que les espaces d'air incontrôlés peuvent augmenter considérablement la résistance de l'interface.

Les matériaux d'interface thermique comblent ces lacunes et créent une trajectoire thermique plus continue.

Les trois approches les plus courantes sont les suivantes:

• Parties thermiques

• Filtres à vide thermique distribués

• Déchets à base d'aluminium ou d'aluminium

Les tampons thermiques sont des feuilles solides conformes qui sont placées entre le composant de la batterie et la structure de refroidissement.

Ils sont disponibles en silicone et non en silicone et peuvent être découpés sous pression en formes personnalisées.

Les avantages typiques sont les suivants:

• Aucun processus de durcissement

• Facilité d'installation

• Géométrie de découpe précise

• Bonne isolation électrique dans les catégories d'isolation

• Réutilisabilité dans de nombreuses applications

• Épaisseur contrôlée

Les paramètres de sélection importants sont les suivants:

• Conductivité thermique

• Impédance thermique

• Épaisseur

• Dureté

• Comportement de compression

• Résistance diélectrique

• Ensemble de compression

• Température de fonctionnement

Une valeur élevée de conductivité thermique à elle seule ne garantit pas de bonnes performances d'application.

Par exemple, un tampon très dur peut avoir une excellente conductivité, mais nécessiter une pression excessive d'assemblage pour obtenir un contact intime avec la surface.Un matériau plus doux peut fournir une meilleure conformité à basse pression.

Par conséquent, les ingénieurs devraient évaluerl'impédance thermique sous la pression de montage réelle et l'épaisseur de la ligne de liaison, plutôt que de sélectionner un matériau uniquement par son indice W/m·K.

Les remplisseurs d'écart distribués sont particulièrement utiles lorsque l'écart d'interface varie selon l'ensemble de la batterie.

Contrairement à un tampon pré-coupé, un remplisseur à base de liquide ou de gel peut se conformer à la géométrie réelle de l'interface.

Cela rend la technologie attrayante pour:

• Interfaces cellule-plaque froide

• Architectures de cellule à paquet

• Modules de batterie à grande surface

• Piles de tolérances complexes

• lignes de production automatisées

Des formulations à une ou deux parties sont disponibles.

Les matériaux à une pièce sont conçus pour un durcissement contrôlé selon les conditions spécifiées par le fabricant, tandis que les systèmes à deux pièces sont mélangés et durcis après distribution.

Les principaux avantages sont les suivants:

• Excellente conformité de surface

• Une grande capacité de remplissage des lacunes

• Faible contrainte mécanique

• Compatibilité de la distribution automatisée

• Réduction de la dépendance à la géométrie des plaquettes pré-coupées

Les principales considérations de fabrication sont les suivantes:

• Volume de délivrance

• Rapport de mélange pour les systèmes à deux parties

• Durée de vie du pot

• Temps de guérison

• Exigences en matière d'équipement

• Contrôle de la ligne obligataire

• Stratégie de retravail

Pour la production de batteries à volume élevé, ces facteurs de processus peuvent être tout aussi importants que la conductivité thermique.

Le choix entre un tampon et un remplisseur d'espace distribué dépend principalement de la géométrie de l'interface et du processus de fabrication.

Aucune des deux technologies n'est universellement meilleure.

Le bon choix dépend de lal'écart de production, la pile de tolérances, les exigences de compression, le volume de production et l'objectif thermique;.

Certaines interfaces de batterie nécessitent à la fois un transfert thermique et une fixation mécanique.

Les adhésifs thermiquement conducteurs peuvent fournir une liaison permanente tout en conduisant la chaleur loin du composant.

Ils peuvent être considérés pour:

• Accrochage permanent des composants

• Interfaces thermiques structurelles

• Applications liées à la barre de bus

• Montage du dissipateur de chaleur

• Composants pour lesquels les fixations mécaniques sont indésirables

Les rubans thermiquement conducteurs peuvent fournir une méthode d'assemblage plus simple pour les composants plus légers.

Cependant, les adhésifs et les rubans adhésifs sont généralement moins pratiques à retravailler que les coussinets thermiques.

Tous les problèmes thermiques ne sont pas causés par un mauvais transfert de chaleur vertical.

Les grandes cellules prismatiques et les ensembles de cellules en poche peuvent également subir des gradients de température sur leur surface.

Dans ces situations, les matériaux diffuseurs de chaleur peuvent distribuer la chaleur latéralement avant qu'elle n'atteigne l'interface de refroidissement principale.

Les matériaux à base de graphite et de graphène sont des exemples de matériaux thermiques anisotropes pouvant fournir une conductivité thermique élevée dans le plan.

En fonction de l'architecture du matériau, les dissipateurs de chaleur à base de graphite peuvent atteindre des valeurs de conductivité en plan très élevées, dans certains produits commerciaux dépassant1,000 W/m·K.

Ces matériaux sont généralement utilisés dans le cadre d'une pile thermique plutôt que comme remplacement direct du TIM primaire.

Une structure simplifiée peut être:

Cellule → répartiteur de chaleur → TIM → plaque froide

Le diffuseur de chaleur contribue à réduire la concentration de température locale, tandis que le TIM assure le contact thermique avec la structure de refroidissement.

Les matériaux de changement de phase (PCM) absorbent la chaleur pendant une transition de phase.

Cela les rend utiles pour les applications où la charge thermique contient des pics de courte durée.

Par exemple, une batterie peut connaître une augmentation temporaire de la production de chaleur pendant:

• Chargement rapide

• Accélération à haute puissance

• Freinage régénératif

• Décharge de courant élevé

Un PCM peut absorber une partie de cette chaleur transitoire et réduire le taux d'augmentation de température.

Toutefois, le PCM ne devrait pas être considéré comme un remplacement d'un système de refroidissement actif.

Le matériau a une capacité thermique latente finie. Une fois la capacité de changement de phase disponible épuisée, le PCM ne peut plus fournir le même effet tampon.

Par conséquent, le PCM est le plus efficace lorsqu'il est intégré à un système de rejet de chaleur approprié.

La littérature d'examen de 2024 sur la gestion thermique des batteries de véhicules électriques identifie les approches basées sur le PCM comme l'une des technologies de gestion thermique passive ou hybride importantes.

Alors que certaines parties de la batterie doivent transférer efficacement la chaleur, d'autres parties doivent faire exactement le contraire.

Entre les cellules, des matériaux peuvent être nécessaires pour ralentir la propagation thermique et fournir une isolation électrique.

Les technologies de matériaux courantes sont les suivantes:

Les couvertures à base d'aérogels peuvent fournir une très faible conductivité thermique dans une structure mince.

Leur principal avantage est l'efficacité de l'isolation thermique.

Cependant, une protection mécanique peut être nécessaire, car certaines structures d'aérogels peuvent être sensibles à la compression, à l'abrasion et à la manipulation.

La mousse de silicone fournit une combinaison de:

• Isolement thermique

• Couchage

• Récupération par compression

• Résistance environnementale

• Isolement électrique

• Options de résistance à la flamme

Par exemple, la famille Z-FOAM800 de ZIITEK comprend des matières dont la conductivité thermique est de00,06 W/m·K, UL 94 V-0 et des capacités de température allant jusqu'à environ 200°C, selon le grade spécifique.

Les feuilles de mica et de céramique peuvent fournir une isolation électrique et une protection contre les températures élevées.

Ils sont souvent envisagés pour des applications où le matériau doit résister à une forte exposition thermique ou fournir une barrière physique entre les composants de la batterie.

Le matériau approprié dépend de l'architecture de la batterie, du scénario d'événement thermique et des exigences de sécurité applicables.

L'isolation thermique à elle seule ne peut pas empêcher tous les événements de sécurité des batteries.

Une stratégie complète d'atténuation de la fuite thermique peut comprendre:

• Contrôles du système de gestion de la batterie

• Surveillance des cellules

• Isolement thermique

• Barrières résistantes au feu

• Structures de ventilation

• Conception du boîtier mécanique

• Systèmes de refroidissement

• Matériaux ignifuges

Normes et méthodes d'essai telles queLe produit doit être présenté dans la boîte de conserve.peuvent être utilisés pour évaluer les performances thermiques et mécaniques des matériaux de boîtiers de batteries dans des conditions représentatives de la fuite thermique.

Il est important de noter que les résultats des essais au niveau du matériau ne doivent pas être interprétés comme des garanties directes de la sécurité des batteries au niveau du système.conception des cellules et configuration de leur utilisation finale.

La gestion thermique des batteries est étroitement liée à la protection de l'environnement.

Un boîtier de batterie doit protéger les composants internes contre l'eau, la poussière, l'humidité, les vibrations et les cycles de température.

Le matériau d'étanchéité doit donc maintenir la compression et la force d'étanchéité pendant toute la durée de vie requise.

Les spécifications importantes sont les suivantes:

• Ensemble de compression

• Absorption de l'eau

• Plage de température

• Rétraction de la flamme

• Propriétés de traction et de déchirure

• Résistance diélectrique

• Résistance environnementale

• Tolérance à la découpe à la matrice

Pour les applications nécessitant une résistance à la flamme,Le produit doit être présenté sous la forme suivante:Les valeurs UL 94 V sont décrites comme des classifications de flammabilité des matériaux basées sur des conditions d'essai définies.

Exigences en matière de protection contre les intrusions telles que:IP67 ou IP68peuvent également s'appliquer en fonction du boîtier de la batterie et de la spécification OEM.

La mousse de silicone peut combiner des fonctions d'étanchéité, d'amortissement et d'isolation dans un seul matériau.

La série Z-FOAM800 de ZIITEK, par exemple, comprend des catégories conçues pour l'étanchéité du boîtier de la batterie et la protection thermique.UL 94 V-0 Rétraction de la flamme et résistance à haute température, avec des valeurs exactes en fonction de la qualité.

Pour les applications de batterie, les ingénieurs devraient évaluer la conception complète de l'étanchéité plutôt que de choisir un matériau de joint basé uniquement sur un ensemble de compression.

Le matériau, la géométrie des rainures, le rapport de compression, les tolérances et l'exposition environnementale ont tous une incidence sur les performances d'étanchéité à long terme.

La gestion thermique de la batterie ne consiste pas seulement à éliminer la chaleur.

Dans les environnements à basse température, il peut également être nécessaire de chauffer la batterie avant ou pendant la charge.

Les basses températures peuvent réduire la puissance disponible et les performances de charge.en fonction de la composition chimique des cellules et des conditions de charge.

Des éléments de chauffage flexibles peuvent donc être intégrés dans des batteries pour augmenter la température de la cellule à une plage de fonctionnement appropriée.

Les technologies courantes sont les suivantes:

Les appareils de chauffage au polyimide offrent:

• Construction mince

• Faible poids

• Une grande souplesse

• Modèles de chauffage personnalisés

• Bonne résistance à la température

Les chauffe-eau en caoutchouc de silicone offrent:

• Construction souple

• Bonne résistance à l'environnement

• Durabilité mécanique

• Zones de chauffage personnalisées

• Compatibilité avec les structures des batteries

Les solutions de chauffage Kheat de ZIITEK comprennent des technologies de chauffage à base de polyimide et de silicone, avec des conceptions personnalisées capables d'environDensité de puissance de 1 ‰ 2 W/cm2, en fonction de la conception et de l'application.

Les systèmes de chauffage doivent être conçus avec des capteurs de température et des algorithmes de commande afin d'éviter des gradients de température excessifs ou une surchauffe.

Les architectures CTP réduisent ou éliminent certaines structures de modules traditionnelles.

IDTechEx a rapporté que les conceptions CTP peuvent réduire considérablement la quantité de TIM utilisée car l'architecture supprime certaines des interfaces associées aux modules conventionnels.

Cependant, la réduction du nombre de couches TIM n'élimine pas la nécessité d'une ingénierie minutieuse de l'interface.

Dans certaines conceptions de CTP, l'interface restante de la cellule à la plaque froide devient encore plus importante.

Les ingénieurs peuvent avoir besoin de gérer:

• Surfaces d'interface plus grandes

• Plus grande variation dimensionnelle

• Expansion cellulaire

• Exigences en matière de compression

• Stabilité mécanique à long terme

• Impédance thermique

• Application automatisée

En conséquence, la tendance à la diminution du nombre de matériaux peut en fait augmenter les exigences de performance imposées aux matériaux restants.

La sélection des matériaux doit commencer par l'architecture thermique plutôt que par un catalogue de produits.

Un processus de sélection pratique comprend les étapes suivantes.

Identifier toutes les interfaces entre la cellule génératrice de chaleur et le milieu de refroidissement.

Par exemple:

Cellule → TIM → Plaque de refroidissement → Fluide de refroidissement

Identifier ensuite d'autres zones où la chaleur doit être bloquée, répandue, scellée ou produite activement.

Déterminez:

• Température maximale admissible de la cellule

• Différence de température maximale entre cellules

• Taux de production de chaleur

• Résistance thermique cible

• Zone d'interface

• Plage de température prévue

Ne pas utiliser la conductivité thermique comme seul critère de sélection.

Mesure:

• Écarte minimale

• Échappement maximal

• Plateur

• Roughness de la surface

• Tolérance des composants

• Plage de compression

Cette information détermine si un tampon thermique, un remplissage d'espace, un adhésif ou une autre technologie d'interface est approprié.

Considérez les points suivants:

• Force de compression

• Ensemble de compression

• Expansion cellulaire

• Vibration

• Le choc

• Mouvement du cisaillement

• Réduction du stress à long terme

Un TIM doit rester fonctionnel pendant toute la durée de vie mécanique de la batterie.

En fonction de son emplacement, le matériau peut avoir besoin:

• Isolement électrique

• Résistance diélectrique

• Rétraction de la flamme

• Faible teneur en fumée

• Faible dégazage

• Conformité à la directive RoHS

• Conformité au règlement REACH

Les qualifications de niveau de matériau doivent toujours être vérifiées par rapport aux exigences réelles de l'OEM et du système.

Un matériau d'excellence technique peut encore être inadéquat s'il ne peut pas être fabriqué efficacement.

Évaluer:

• Capacité de découpe sous pression

• Vitesse de distribution

• Exigences relatives au mélange

• Temps de guérison

• Compatibilité avec l'automatisation

• Utilisation des matériaux

• Exigences de retravail

• Durée de conservation

Pour la production de batteries de véhicules électriques en grande quantité, la compatibilité des processus de fabrication peut avoir une incidence majeure sur le coût total.

Enfin, testez le matériau dans la pile de batterie.

Les évaluations pertinentes peuvent inclure:

• Cycles thermiques

• Vibration

• Vieillissement par compression

• Vieillissement par humidité

• Impédance thermique

• Adhésion

• Ensemble de compression

• Isolement électrique

• Épreuves liées au feu et à la propagation

Pour les matériaux d'interface thermique, l'ASTM D5470 est une méthode couramment utilisée pour mesurer les propriétés de transmission thermique des matériaux d'isolation électrique thermiquement conducteurs.

Les conditions d'essai, y compris la pression, l'épaisseur et la configuration d'essai, doivent toujours être indiquées, car l'impédance thermique dépend fortement des conditions réelles d'interface.

Avant de choisir un matériau pour un programme de batteries de véhicules électriques, il est utile de poser au fournisseur plusieurs questions pratiques.

Ne vous fiez pas uniquement à la valeur W/m·K annoncée.

Demandez pour:

• Méthode d'essai

• Pression

• Épaisseur de la ligne de liaison

• Température

• Configuration de l'échantillon

Demandez des courbes de compression et des performances dans la plage d'écart réelle.

Pour les remplisseurs de lacunes, demandez:

• Équipement de distribution

• Ratio de mélange

• Durée de vie du pot

• Profil de traitement

• Précision de l'administration

Données demandées pour:

• Cycles thermiques

• Vieillissement à haute température

• Humidité

• Ensemble de compression

• Pompage ou migration

• Stabilité de l'adhérence

Les conceptions de batteries nécessitent souvent des caractéristiques personnalisées:

• Épaisseur

• Géométrie

• Dureté

• Conductivité thermique

• Adhésion

• Rétraction de la flamme

• Isolement électrique

Un fournisseur capable de formuler et de convertir des supports peut réduire le temps de développement.

L'architecture thermique d'une batterie électrique est rarement résolue avec un seul matériau.

Un emballage typique peut combiner:

Les tampons thermiques + les gels thermiques + l'isolation + les barrières incendie + les mousses d'étanchéité + les diffuseurs de chaleur + les films chauffants

Chaque matériau remplit une fonction différente.

ZIITEK, par exemple, fournit des matériaux d'interface thermique, des matériaux d'étanchéité en mousse de silicone et des solutions de chauffage flexibles pour les applications de véhicules électriques et de nouvelles énergies.Son portefeuille actuel de véhicules électriques comprend des gels thermiques pour les interfaces cellule-plaque froide, des coussins thermiques de la série TIF, de la mousse de silicone Z-FOAM800 et des solutions de chauffage Kheat.

La valeur d'une approche intégrée des matériaux n'est pas simplement d'avoir plus de produits.l'ensemble de l'empilement thermique, mécanique, électrique et environnementalcomme un seul système.

Il n'existe pas de meilleur TIM universel. Les coussinets thermiques sont souvent adaptés à des espaces contrôlés et à un assemblage simple, tandis que les remplisseurs thermiques dispensés sont avantageux pour des espaces variables et des géométries complexes.Le bon choix dépend de l'impédance thermiqueLes exigences relatives à l'écart, à la compression, à l'isolation électrique, au procédé de fabrication et à la fiabilité.

Les batteries refroidies par liquide nécessitent une interface thermique contrôlée entre les composants générateurs de chaleur et la structure de refroidissement.gel thermique, le remplissage des trous, l'adhésif ou une autre technologie TIM.

Un coussin thermique est un matériau d'interface solide précuré, tandis qu'un gel thermique ou un remplisseur d'espace est distribué sous forme liquide ou gel et est conforme à la géométrie réelle de l'interface.Les coussinets sont généralement plus faciles à manipuler, tandis que les gels peuvent fournir une meilleure conformité pour les espaces variables ou plus grands.

Les matériaux isolants peuvent réduire le transfert de chaleur latéral et aider à ralentir la propagation thermique entre les cellules adjacentes.Les feuilles de mica et de céramique peuvent être considérées.

Généralement, non. Le PCM peut absorber une quantité finie de chaleur pendant une transition de phase et donc tamponner les pics thermiques de courte durée.Il n'élimine pas la chaleur en continu et doit normalement fonctionner avec un mécanisme de rejet de chaleur approprié..

Les films de chauffage permettent de contrôler la chaleur pendant le fonctionnement à basse température, ce qui peut aider les cellules à atteindre une température appropriée avant ou pendant la charge, en particulier dans les climats froids.

Il n'existe pas d'objectif universel en W/m·K. Les performances thermiques dépendent de la conductivité thermique, de l'épaisseur, de la résistance au contact, de la pression, de la géométrie de l'interface et de la trajectoire thermique totale.L'impédance thermique dans des conditions d'assemblage réalistes est souvent plus utile que la seule conductivité.

Parmi les paramètres importants figurent l'ensemble de compression, la plage de température, l'absorption de l'eau, la résistance à la flamme, les propriétés diélectriques, la résistance environnementale et la conception réelle de la compression du boîtier.Les exigences en matière de PI devraient être évaluées au niveau du système.

Certains fournisseurs de matériaux proposent de multiples technologies, y compris des coussinets thermiques, des gels thermiques, des mousses de silicone,diffuseurs de chaleur et films chauffants, qui peuvent simplifier la qualification des matériaux et l'intégration des systèmesCependant, chaque matériau doit encore être validé par rapport à la conception spécifique de la batterie et aux exigences OEM.

La gestion thermique des batteries des véhicules électriques devient de plus en plusLe défi de l'ingénierie des matériaux aussi bien qu'un défi du système de refroidissement.

L'architecture de refroidissement détermine où la chaleur peut aller. Les matériaux déterminent l'efficacité avec laquelle la chaleur atteint cette destination et où la chaleur doit être bloquée, répandue, scellée ou générée.

Pour une batterie de véhicule électrique moderne, une gestion thermique efficace peut nécessiter une combinaison coordonnée des éléments suivants:

Matériaux d'interface thermique

• Matériaux diffuseurs de chaleur

• Isolement thermique

• Barrières contre le feu

• Matériaux de scellement

• Films de chauffage

La stratégie la plus fiable de sélection des matériaux n'est donc pas de rechercher un seul "meilleur" matériau thermique.définir les exigences de chaque zone, évaluer les performances thermiques et mécaniques dans des conditions réalistes et valider l'ensemble complet avant la production.

Au fur et à mesure que les architectures de batteries évolueront vers la cellule à emballage, une densité d'énergie plus élevée et une recharge plus rapide, l'importance de cette approche intégrée des matériaux ne fera que continuer à croître.