Bewältigung von OEM‑Herausforderungen im EV‑Bereich und komplexen Technologien

Als Patricia gefragt wurde, die Rolle eines Anwendungsingenieurs bei Tape Solutions zu beschreiben, erklärte sie, dass das Hauptziel darin besteht, sicherzustellen, dass die in EV-Anwendungen verwendeten Materialien die strengen Spezifikationen und Leistungsanforderungen der OEMs erfüllen. Als Anwendungsingenieurin ist sie dafür verantwortlich, Schaumstoffe und Klebebänder basierend auf spezifischen Anwendungsanforderungen zu qualifizieren und sicherzustellen, dass sie entweder den ASTM- oder ISO-Standards für mechanische, thermische und elektrische Eigenschaften entsprechen.

Das Team für Anwendungsentwicklung bei Tape Solutions ist weltweit tätig und verfügt über lokale Unterstützung und Testkapazitäten in Asien, Europa, Nordamerika und Indien. Dieses globale Netzwerk von Experten stellt sicher, dass das Team Erfahrungen zwischen den Regionen austauschen, schnelle Unterstützung für eine globale Kundenbasis bieten und an weltweiten Branchenkonferenzen teilnehmen kann, um sich über neue Technologien und Trends auf dem Laufenden zu halten.

In Fällen, in denen Kunden unterschiedliche Anforderungen an Eigenschaften oder Tests haben, sind Anwendungsingenieure bestens darauf vorbereitet, die internen Tests und das technische Fachwissen bereitzustellen, die die Kunden benötigen.

Aber warum ist es wichtig, mit OEMs zusammenzuarbeiten, um gängige Testmethoden zu hinterfragen, zu verbessern und anzupassen?

Ohne Zweifel bewegt sich der EV-Markt mit rasanter Geschwindigkeit. Patricia erklärt, dass Veränderungen unvermeidlich sind – sei es beim Zellformat und der Chemie oder bei einer neuen Technologie für den thermischen Schutz. Und genau deshalb ist es unrealistisch, dasselbe Material nach denselben Testmethoden und Bedingungen für alle Batteriepack-Konfigurationen zu spezifizieren oder zu qualifizieren. Sie erklärte, dass jeder OEM (oder sogar derselbe OEM in verschiedenen Regionen) eigene Anforderungen und Testkriterien hat. In ihrer Rolle kann sie das Materialwissen der internen Tape Solutions-Teams nutzen, um die notwendige Unterstützung für die technischen Ingenieure der OEMs bereitzustellen. Die Anwendungsingenieure helfen Endanwendern zu verstehen, wie sich jedes Material unter bestimmten Umgebungsbedingungen verhalten könnte. Sie zeigen auf, welche Bedingungen für die Natur des Materials zu belastend sein könnten und untersuchen, welche Eigenschaften angepasst werden könnten, um die Leistung zu verbessern. Das Hauptziel eines Anwendungsingenieurs ist es, die Materialanforderungen und Testmethoden zu unterstützen, die OEMs benötigen. Die Standardisierung von Testmethoden basierend auf den Anforderungen der OEMs ist entscheidend, um „Äpfel mit Äpfeln“ vergleichen zu können, wenn Materialien bewertet werden.

Einige der häufigsten Herausforderungen bei Elektrofahrzeugen umfassen das Management von Zellquellung, die Verbesserung des Wärmemanagements, die Eindämmung der Feuerausbreitung, die Optimierung der Zellstruktur, den Schutz vor Umwelteinflüssen und die Bereitstellung elektrischer Isolierung. Das Anwendungstechnik-Team arbeitet unermüdlich daran, Produkte zu testen und zu validieren, um die Materialleistung bestmöglich zu bewerten und diese Herausforderungen zu bewältigen. Um dies zu erreichen, berücksichtigt das EV-Team sorgfältig Anwendungskategorien basierend auf der kritischen Leistung des Materials und der Hauptfunktion jeder Anwendung. Lassen Sie uns einige dieser Herausforderungen genauer betrachten.

1. Zellstruktur verwalten & Zellstruktur verbessern

Bei diesem kritischen Thema heben Patricia und Senthil die Arbeit unseres F&E-Teams hervor. Dieses Team spielt eine grundlegende Rolle bei der Entwicklung verschiedener Schaumstoffkonfigurationen, um sicherzustellen, dass die Produkte die erforderlichen Eigenschaften und Leistungskriterien für jede spezifische Anwendung erfüllen, die je nach Zelltyp (Pouch vs. Prismatisch) unterschiedlich ist.

Für jede dieser Schaumstoffkonfigurationen ist die Hauptsache die Kompressibilität des Schaumstoffs, da Kunden besonders an Eigenschaften wie Druckkraft, Kompressionslastablenkung und Kompressionsverformung interessiert sind.

Die Anwendungstechniker führen Tests durch, um sicherzustellen, dass der Schaum weder zu weich noch zu steif ist. Ist er zu weich, führt die Zellausdehnung im Laufe der Zeit zu einer Beschädigung des Schaums. Ist er hingegen zu steif, übt die Rückstell‑ bzw. Verformungskraft des Schaums einen höheren Druck auf die Zelle aus, was wiederum zu Problemen führen kann.

2. Schutz vor Umwelteinflüssen

Dichtungsmaterialien dienen dem Zweck, das Batteriepack vor Umwelteinflüssen zu schützen. Als Anwendungsingenieurin testet Patricia häufig die Wasserabdichtung gemäß IP67, einer Testmethode, die auch häufig bei Elektronik verwendet wird. Obwohl dies der gängigste Test ist, stehen auf Kundenwunsch auch andere Tests zur Verfügung. Beispielsweise testet unser Team auch im U-Dichtungsformat, um zu prüfen, ob der Schaumstoff unter Kompression wirksam gegen das Eindringen von Wasser über einen bestimmten Zeitraum schützen kann. In Bezug auf die Dichtfähigkeit ist der Druckverformungsrest eine sehr wichtige Eigenschaft, da es entscheidend ist, dass das Material stets die Lücke zwischen den Batteriebestandteilen ausfüllt. Wenn der Schaumstoff zu schnell abgebaut wird, geht die Dichtleistung verloren.

Eine weitere Testmethode ist das, was das Team der Anwendungsingenieure als „Schaumstofflebensdaueranalyse basierend auf Druckverformungsrest“ bezeichnet. Dieser Test wurde entwickelt, um genau zu verstehen, wie lange die Materialien unter idealen Bedingungen funktionieren können; er ermöglicht es Ingenieuren jedoch auch, extreme Szenarien abzuschätzen, bei denen der Schaumstoff schneller abgebaut werden könnte.

3. Verbesserung des thermischen Schutzes und Eindämmung der Feuerausbreitung

Eine der kritischsten Herausforderungen bei der Entwicklung von Elektrofahrzeugen ist der Schutz von Batteriepacks vor thermischen Durchgehereignissen. Daher konzentrieren sich die Anwendungstechnik-Teams stark darauf, Materialien auszuwählen, die extremen Temperaturen standhalten und die Feuerausbreitung verhindern können. Bei Tape Solutions ist ein gängiger Test der Brennertest, bei dem Materialien Temperaturen von bis zu 1300°C ausgesetzt werden, um sicherzustellen, dass sie unter diesen extremen Bedingungen überstehen und benachbarte Zellen schützen können.

Das Team teilt mit, dass es ebenfalls wichtig ist, die Materialbeständigkeit bei dünnen Stärken (aufgrund der Fahrzeuggewichtsbeschränkungen) und die Fähigkeit, der Einwirkung von Schmutz oder Aluminiumpartikeln standzuhalten, zu betrachten.

OEMs erkennen die entscheidende Bedeutung der Sicherstellung dieser Schutzmaßnahmen. Allerdings sind diese Anforderungen noch nicht gut definiert oder standardisiert, wobei Temperatur- und Einwirkzeiten oft zwischen den Kunden variieren. Je nach Anwendung haben wir unterschiedliche Entflammbarkeitsanforderungen gesehen, die sich auf UL94 beziehen, von HBF bis hin zu V0-Klassifizierungen. Ende 2023 veröffentlichte UL die UL2596, eine TaG (Torch and Grit)-Testmethode, um die thermische Widerstandsfähigkeit eines Materials zu prüfen, wenn es sowohl Flammen als auch dem Beschuss mit Aluminiumpartikeln ausgesetzt wird, um ein thermisches Durchgehereignis zu simulieren. Obwohl dies keine Methode mit Bestehen/Nichtbestehen-Kriterien ist, könnte sie als Orientierung oder Referenz dienen, um die Leistung eines Materials zu verstehen; OEMs können jedoch auch ihre eigene TaG-Testmethode haben. Ohne Zweifel versuchen OEMs, Materialien zu optimieren, die eine hohe thermische Leistung bei geringer Dicke und wettbewerbsfähigen Preisen bieten können. Obwohl schwierig, ist dies die ideale Kombination.

Verschiedene Batterietechnologien erfordern unterschiedliche Ansätze bei der Materialauswahl. Zum Beispiel sind Lithium-Eisen-Phosphat (LFP)-Batterien während thermischer Durchgehereignisse weniger aggressiv im Vergleich zu Nickel-Mangan-Kobalt (NMC)-Batterien, die aufgrund ihres Nickelgehalts ein höheres Risiko darstellen. Bei der Unterstützung der Materialauswahl berücksichtigen unsere Teams diese Unterschiede, um sicherzustellen, dass jedes Material das geeignete Schutzniveau entsprechend der Batterietechnologie und dem Risiko, das mit jedem Typ verbunden ist, bieten kann.

Patricia hob hervor, dass LFP-Zellen hauptsächlich für Zwecke mit geringerer Reichweite verwendet werden, während NMC-Zellen darauf ausgelegt sind, eine längere Reichweite zu erzielen. Darüber hinaus ist es bei der Materialauswahl entscheidend, die Fähigkeiten zum Schutz vor Feuerausbreitung im Falle eines thermischen Durchgehens genau zu prüfen. Es gibt Screening-Tests, die helfen, die thermischen Eigenschaften des Materials zu bewerten. Einige dieser Tests umfassen Torch Flame, Hot Plate und einen neuen TaG-Test (Torch and Grit). Die Flammentemperatur im Torch-Test liegt je nach Anforderungen des OEMs zwischen 1000°C und 1300°C, und das Hauptziel besteht darin, die Temperatur auf der kalten Seite der Probe (der Seite gegenüber der Stelle, an der die Flamme angewendet wird) zu bewerten, um die thermische Widerstandsfähigkeit des Materials zu verstehen. Idealerweise gilt: Je länger ein Material keinerlei Form der Degradation zeigt (z. B. kein Durchbrennen oder „Lochbildung“), desto länger bietet es Schutz, was wiederum auf seine Eignung für die jeweilige Anwendung hinweist.

Patricia und Senthil erklären die drei primären Zellformate in Elektrofahrzeugen:

• Prismatisch
• Pouch (Beutelzelle)
• Zylindrisch

Jedes Format bringt seine eigenen Herausforderungen und Vorteile mit sich. Während unser Team keine Lösungen für Flüssigkeitsdosierung anbietet, die für Batteriepacks mit zylindrischen Zellen erforderlich sind, bieten unsere Teams Lösungen an, die mit prismatischen und Pouch-Zellformaten übereinstimmen.

Prismatische Zellen erfordern steifere Schaumstoffe für eine präzise Lastablenkung, während Beutelzellen eine größere Ausdehnung erfahren und Materialien benötigen, die sich an diese Veränderungen anpassen können. Das Tape Solutions-Team kann Materialien anpassen, um jedes Batterieformat zu unterstützen und mit den Design- und Leistungszielen der OEMs übereinzustimmen. Die Teams für Anwendungsentwicklung und Forschung & Entwicklung arbeiten zusammen, um für jeden Zelltyp die Mindestmaterialleistung für Kompressionspolsterlösungen und thermische Schutzmaterialien zu definieren.

Da die Elektrofahrzeugindustrie weiterhin wächst, arbeiten die Teams der Anwendungsentwicklung weiterhin gemeinsam mit der Forschung und Entwicklung, unserem globalen Team und unseren Kunden daran, zuverlässige, leistungsstarke Materialien sicherzustellen. Mit der Branche am Rande mehrerer aufregender Innovationen, wie beispielsweise Festkörperbatterien (die eine bessere thermische Leistung versprechen) und Immersionskühlung (bei der Zellen in elektrisch isolierende Öle eingetaucht werden, um thermisches Durchgehen zu verhindern), überwacht das Tape Solutions-Team genau die Auswirkungen dieser Technologien auf die Materialien, die zu ihrer Unterstützung benötigt werden.

Von thermischem Schutz bis hin zur Anpassung an verschiedene Batterietechnologien ist das Team der Anwendungsentwicklung engagiert, die nächste Generation von Elektrofahrzeugen mitzuentwickeln. Einer der bedeutendsten Vorteile unserer Zusammenarbeit mit Kunden und OEMs ist unsere Fähigkeit, Testmethoden an die spezifischen Bedürfnisse jedes Kunden anzupassen. Diese Flexibilität ist entscheidend, um die Materialleistung zu verbessern, Testprotokolle zu optimieren und letztendlich die besten Lösungen für einzigartige Herausforderungen sicherzustellen.

Während unser Team ein standardisiertes Produktportfolio anbietet, ist vielleicht einer der größten Vorteile für unsere Kunden unsere Fähigkeit, maßgeschneiderte Lösungen anzubieten.