Wärmeleitmaterialien für eine verlängerte Lebensdauer von EV-Batterien
Die Wärmeableitung und das Wärmemanagement sind zunehmend wichtige Themen bei der Konstruktion von Elektrofahrzeugen (EVs) und deren Komponenten. Innerhalb des Batteriepakets wird während des Betriebs der Batterie Wärme erzeugt. Batterien arbeiten jedoch effizienter und behalten ihre Kapazität länger, wenn ihre Umgebung innerhalb eines engen Temperaturbereichs gehalten wird.
Die Temperatur des Batteriepakets aufrechtzuerhalten ist entscheidend und wird zunehmend genauer untersucht, da Hersteller und Fahrer versuchen, das Beste aus einem Batteriepaket herauszuholen. Glücklicherweise ist die Wärmeableitung von elektrischen Bauteilen und Elektronik ein gut erforschtes Thema. Der Energietransfer zwischen Batteriebestandteilen und Kühleinrichtungen wird am besten durch den Einsatz von Wärmeschnittstellenmaterialien (TIMs) erreicht.
Wie Wärmeschnittstellenmaterialien in Batteriemodulen verwendet werden
Es gibt verschiedene Möglichkeiten, wie TIMs in Batteriemodulen eingesetzt werden. Sie werden auf der Bodenplatte der Batterie oder als Wärmeverteiler zwischen der Zellanordnung und der Kühlplatte platziert, wodurch Wärme geleitet und ein thermischer Weg geschaffen wird, um die Wärme von der Batterie wegzuführen. Die Funktionalität eines TIM ergibt sich aus thermisch leitfähigen Materialien, die in einer Dispersion oder festen Matrix eingebettet sind. Da diese TIMs in engem Kontakt mit elektrischen Komponenten wie Batterien verwendet werden, müssen sie eine hohe dielektrische Festigkeit aufweisen.
Spaltfüller (auch häufig als Wärmeleitpads bezeichnet) sind eine spezielle Art von TIM, die ideal für raue, gekrümmte, unebene oder dynamische Oberflächen geeignet sind. Sie bieten einen thermisch leitfähigen Weg, um überschüssige Wärme abzuführen und die Komponenten innerhalb der Betriebsspezifikationen zu halten, selbst wenn die Oberflächen der Komponenten Herausforderungen darstellen. Das Wärmeleitpad soll maximalen Kontakt zwischen der Batterie und dem Kühlkörper aufrechterhalten, potenzielle thermische Impedanz minimieren und den kürzesten Weg zur Wärmeableitung bieten.
Eigenschaften von Wärmeschnittstellenmaterialien, die die Leistung beeinflussen
Es ist sehr üblich, ein TIM-Produkt basierend auf seinen Eigenschaften („Produktspezifikationen“) wie Wärmeleitfähigkeit, Impedanz und elektrischem Widerstand zu spezifizieren. In einer tatsächlichen Anwendung müssen jedoch andere Merkmale berücksichtigt werden, um ein Produkt effektiv zu nutzen.
In vielen Fällen sind diese anwendungsspezifischen Eigenschaften die Anpassungsfähigkeit, Oberflächeneigenschaften wie das Haftniveau (Tack) sowie die Möglichkeit der Nachbearbeitung während des Montageprozesses. Diese Eigenschaften sind eng mit dem jeweiligen Montage‑ bzw. Demontageprozess verknüpft.
Ein individuell angepasster Ansatz bei der Berücksichtigung dieser Aspekte ist erforderlich, um die zentralen Produkteigenschaften wie die thermische Impedanz und die elektrische Isolierung nicht zu beeinträchtigen.
Die drei Eigenschaften eines TIM, die eine sehr wichtige Rolle spielen, sind:
- Härte oder CFD – dies ist die Fähigkeit des Materials, sich anzupassen, ohne übermäßigen Druck auf die Zellen auszuüben
- Oberflächenhaftung – dies hilft, die Zellen oder Module während des Montageprozesses mit minimaler Bewegung in Position zu halten
- Liner-Optionen – zur Erleichterung der Montage und zur Automatisierung der Platzierung von Pads
Saint-Gobain® Wärmeschnittstellenmateriallösung für EV-Batterien
Die Saint-Gobain ThermaCool®-Produktreihe, einschließlich TC2002, TC2006 und TC3007, wurde speziell mit diesen Anpassungen im Fokus entwickelt (Abbildung 2). Die Wärmeleitfähigkeit und die elektrischen Isolationseigenschaften bleiben weitgehend konstant, während die anderen oben genannten Eigenschaften auf unterschiedliche Niveaus angepasst werden, um jeden spezifischen Montageprozess zu unterstützen.
Ein weiteres Beispiel ist ThermaCool R-10404, ein geschlossenzelliger Silikonschaumgummi. Dieses Material bietet die Anpassungsfähigkeit, die erforderlich ist, um den Kontakt zwischen der EV-Batterie und dem Kühlkörper aufrechtzuerhalten. Es passt sich den Maßänderungen der EV-Batterie an, dank seiner äußerst stabilen Druckverformungsrestbeständigkeit. Dies hilft auch, gegen die Stöße und Vibrationen sowie die damit verbundenen Geräusche oder das Klappern zu schützen, die in Fahrzeugen häufig auftreten. Diese robuste Eigenschaft, kombiniert mit Wärmeleitfähigkeit und dielektrischer Festigkeit, sorgt dafür, dass Batteriepakete eine verlängerte Lebensdauer haben. Optionen umfassen hier die Art des Klebstoffs oder Substrats, die Abmessungen und die Form.
Oft kann sich eine maßgeschneiderte Lösung durch die Prozessverbesserungen, die diese Anpassungen bieten, vielfach auszahlen. Saint-Gobain-Ingenieure arbeiten mit Kunden zusammen, um die effizienteste Möglichkeit zur Integration und Skalierung der Nutzung von TIMs in der Fertigung zu bestimmen. Ein klares Verständnis dieser verschiedenen Überlegungen vereinfacht die Auswahl von TIMs erheblich.
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