Malzemeler, elektrik yalıtımı ve sertifikalandırma, potansiyel termal kaçaklara karşı elektrik pili performansını optimize ederken dikkate alınması gereken önemli faktörlerdir. Pil korumaları, pil hücrelerini barındırır ve bir termal kaçak olayını önlemeye ve içermeye yardımcı olacak şekilde tasarlanabilir.
Bir pil için en ciddi tehdit, termal kaçaktır. Bu nedenle, yalnızca termal kaçakların başlamasını önlemek için değil, aynı zamanda pil takımı boyunca yayılmasını azaltmak için pil korumalarının termal performansını optimize etmek çok önemlidir.
Termal kaçak, aşırı şarj veya aşırı sıcaklık gibi durumlarda bir hücrenin dağılabilecek olandan daha yüksek bir oranda sıcaklık üretmesine neden olduğunda meydana gelir. Bu artan sıcaklık, hücre içinde ısı açığa çıkaran ekzotermik kimyasal reaksiyonları tetikler ve daha sonra ekzotermik reaksiyonları besler. Bu durum genellikle bir yangına ve pilin tamamen yok olmasına neden olan bir zincirleme reaksiyona yol açar.
Termal kaçak olayını önlemeye ve içermeye yardımcı olmak için, pil tasarımına sıkıştırma yastıkları, modül korumaları ve pil korumaları dahil edilmiştir. Bir hücredeki termal kaçakların komşu hücrelere yayılmasını önlemek için her pil hücresinin arasına sıkıştırma pedleri yerleştirilir. Bu hücreler daha sonra birlikte gruplandırılır ve diğer modüllere kaçağın yayılmasını önlemek için modül korumalarına yerleştirilir. Son olarak, bu modüller, aracın geri kalanını termal kaçakların etkilerinden korumayı amaçlayan bir pil koruması içine yerleştirilmiştir.
Elektrikli araç (EV) pil korumalarının özel tasarımı, şekli ve boyutu, kullanılan hücre türlerine, soğutma gereksinimlerine, modüllerin dağılımına ve uygulamaya bağlı olarak değişir. Bununla birlikte, modül korumaları genel olarak, bir koruma tabanı, bir koruma kasası, iç ve dış bileşenleri birleştiren bir bağlantı plakası ve basınç eşitleme veya gaz tahliyesini sağlamak için havalandırma valflerinden oluşur.
Malzemeler
Akü korumaları için kullanılan malzemelerin yüksek termal performansa, iyi mekanik özelliklere sahip olması ve ayrıca hafif olması gerekir. Geleneksel olarak alüminyum ve çelik, yüksek ısı direnci ve seri üretime uygunlukları nedeniyle tercih edilen malzemeler arasında yer alır. Bununla birlikte, metallerin daha ağır olması, özellikle daha düşük araç kütlesinin daha yüksek enerji yoğunluğu ve daha geniş araç menzili anlamına geldiği hibrit ve EV’ler için önemli bir dezavantajdır. Şu anda, pilin kütlesi aracın ağırlığının %50’sini oluşturabilir.
Öte yandan kompozitler hafif bir alternatif sunar ve birçok yönden metallerden daha iyi performans gösterme potansiyeline sahiptir. Bold Valuable Technology (Barcelona, İspanya) kısa süre önce bir motor sporları müşterisi için karbon fiber takviyeli polimer (CFRP) korumasının geliştirilmesine yardımcı oldu. Orijinal koruma alüminyumdan yapılmış olup, 6,7 kilogram ağırlığındaydı. CFRP ile geliştiriken koruma ise %91 daha hafif olup, yalnızca 616 gram (1.35 pound) ağırlığındaydı.
Bir pil korumasından gereken yüksek termal ve mekanik performansı elde etmek için ağırlıklı olarak karbon fiber termoset prepregler kullanılır. Karbon fiberler, korumaya güç ve sertlik sağlar ve epoksi gibi yüksek dereceli reçine sistemleri ile önceden emprenye edilir. Bununla birlikte, tipik olarak bu prepreglerde kullanılan manuel yerleştirme işlemi, uzun kürlenme süreleri ve geçmişteki bir otoklav ihtiyacı ile birlikte prepreg pil korumalarını düşük üretim hacimleriyle sınırlamıştır.
Otomotiv uygulamalarında (örneğin, poliamid/naylon, polipropilen) kullanılan tipik mühendislik termoplastik reçineleri, hızlı kalıplama süreleri ve daha kolay seri üretim imkanı sunsa da, yüksek sıcaklıklardaki sınırlı davranışları, pil korumaları için uygun değildir. Ayrıca, gerekli mekanik performansı elde etmek için, ağırlığı artıran duvar kalınlıkları arttırılmalıdır.
Sonuç olarak, Bold şu anda termoset prepreglerin yüksek performansını ve termoplastiklerin üretilebilirliğini elde edebilen yeni malzeme konseptlerini araştırıyor. Böyle bir malzeme seçeneği, standart enjeksiyon kalıplama proseslerinde kullanılabilen cam elyaf takviyeli polikarbonat bazlı termoplastiklerdir.
Bold, pil korumaları için anizotropik kompozitlerin FEA simülasyonlarını gerçekleştirmek için Optistruct yazılımıyla Hypermesh’i kullanır.
Kompozitlerin bir başka avantajı, her pil korumasının özel yük gereksinimlerini karşılamak için fiberlerin yönünü optimize etme yeteneğidir. Sonlu elemanlar analizi (FEA), hafif kalırken yüksek sertlik ve mukavemete sahip korumalar elde etmek için gereken liflerin yönünü ve kat miktarını belirlemek için tasarım sürecinde yoğun olarak kullanılır.
Bununla birlikte, metallerin izotropik özellikleri, pil korumalarına hala bazı faydalar sağlar ve genellikle cıvatalama noktaları çevresinde kullanılır. Korumanın bir parçası diğerine kenetlendiğinde, bu belirli konumlarda ek güç ve sertlik sağlamak için laminatın içine genellikle alüminyum veya titanyumdan yapılmış metalik ekler eklenebilir.
Elektrik Yalıtımı
Akü korumalarını geliştirirken, elektrik yalıtımı da dikkate alınması gereken bir diğer husustur. Karbon fiber iletkendir ve bu nedenle, belirli elektronik bileşenleri elektriksel olarak yalıtmak için laminatın içine cam fiber katlar entegre edilmiştir.
Bold, gerekli katman sayısını belirlemek için çeşitli cam elyaf numunelerinin dielektrik gücünü test etti. Kullanılan diğer malzemeler, çok daha hafif olan ancak cam elyafından daha düşük bir cam geçiş sıcaklığına (Tg) sahip oldukları için sadece geleneksel uygulamalarda kullanılan Kevlar, Zylon ve Dyneema’dır. Her numunede farklı tipte reçine matrisi kullanılıyor. Bakır plakalar arasına numuneler yerleştirilerek, voltaj uygulanıyor. Malzemenin geçmesine izin verilen elektrik akımı miktarı amper cinsinden ölçülerek, bu değerler malzemenin direncini belirlemek için kullanılıyor. Bu testler, dielektrik dayanımını kat sayısının değil reçinenin tipinin belirlediğini gösteriyor. Sonuç olarak, korumayı etkili bir şekilde elektriksel olarak yalıtmak için karbon fiber laminat içinde sadece birkaç cam fiber tabakası gereklidir.
Sertifika
Pillerin ve pil korumalarının termal performansını garanti altına almak ve bir pilin kullanım için onaylanabilmesi için çeşitli güvenlik testlerinden ve standartlardan başarıyla geçilmesi gerekir. İlk standart, taşıma sırasında lityum pillerin güvenliğini onaylayan UN38.8’dir. Bu simülasyon, termal test, titreşim testi, şok testi, harici kısa devre, darbe ve ezilme, aşırı şarj ve zorla boşaltma dahil olmak üzere sekiz testi içerir. Pillerin ayrıca, insan veya eşya taşımacılığı için dört tekerlekli EV’lere takılan lityum piller üzerinde yapılması gereken testleri belirten ECE R100 REV2’ye göre sertifikalandırılması gerekir.
Pil koruması ile ilgili olarak, kompozit malzemelerin yanıcılık güvenliği için UL94 standardını karşılaması gerekir. Bu, belirli periyotlar için malzemeye birçok kez kontrollü bir alevin uygulandığı çeşitli yüzey, dikey ve yatay yanma testlerini içerir. Alev kaldırıldıktan sonra malzemenin yanmaya devam ettiği süre malzemenin V0, V1 veya V2 UL94 derecesine ulaşıp ulaşmadığını belirler. Alev otomatik olarak ne kadar hızlı sönerse, malzeme o kadar dirençlidir ve en yüksek derece olan V0 ile derecelendirme o kadar iyidir.
Pil termal simülasyonu
Bold, pil korumalarının bu standartları karşıladığından emin olmak için, mekanik, dielektrik, yanıcılık ve termal kaçak testlerini içeren kendi kapsamlı test programlarını yürütür. Bu testler için tamamen üretilmiş bir pil koruması kullanmak pahalıdır. Bu nedenle bunun yerine malzeme örnekleri sıklıkla kullanılır. Termal kaçak etkisini test etmek için, tek tek hücreler bir kutuya yerleştirilir ve termal kaçak tetiklenir. Hücreden yayılan gazın hacmi ölçülür ve daha sonra korumanın dayanması gereken sonuçtaki basınç hesaplanabilir.
Her test yapıldığında, bu veriler simülasyon yazılımına geri beslenir ve sonuçlar ilişkilendirilir. Bu, malzemelerin öngörülen mekanik ve termal performansının doğruluğunu artırarak mühendislere kompozit pil koruması için katların sayısını, türünü ve kalınlığını optimize ederken güven verir.
Termal Performansı En Üst Düzeye Çıkarmak
Bir pil korumasının termal performansını en üst düzeye çıkarmak çelişkili bir zorluktur. Bir yandan, pilin içindeki ısının dağıtılabilmesi için ısı ileten malzemeler kullanılmalıdır. Bu da sıcaklığı düşürür ve ilk etapta termal kaçak riskini azaltır. Bununla birlikte, termal kaçak başladıktan sonra, olayı izole etmek ve pil takımı boyunca yayılmayı önlemek için pil korumasının termal olarak dayanıklı malzemelerden yapılması gerekir.
Normalde, hücrelerden çekilen ısı, tüm pilde uygun bir termal yönetimi sağlamak için bir soğuk plakaya yönlendirilir. Bununla birlikte, hücrelerin ısısını çıkarmaya yardımcı olmak için hücrelerin yakınında termal arayüz malzemeleri kullanmak ve onu komşu hücreler yerine mahfazaya yönlendirmek, termal direnç sağlarken bu ısı iletimi ikilemini dengelemeye yardımcı olur. Hücreden hücreye ısı yayılmasını önlemek için hücreler arasına sıcaklık izolasyon malzemesi yerleştirilir.
