Батареи электромобилей – информация о клеях постоянной липкости и клейких лентах

Развитие электротранспорта создает новые возможности для клейких лент, прежде всего, связанных с его источником энергии – аккумуляторной батареей. Так как эти устройства сложны и их конструкции у разных производителей различны, то применения клейких лент в них весьма разнообразны. Но почти все они, в конечном счете, помогают решать две очень важные задачи: снижение веса батареи и эффективность теплообмена.

Типичная батарея состоит из электрохимических ячеек, которые объединяются в модули, а модули, в свою очередь соединяются в единую сборку. Так как электрохимические процессы сильно зависят от температуры, то батареи оснащаются системой терморегулирования, включающую как охлаждение, так и подогрев, в которую входят датчики температуры, теплоизолирующие и теплопроводящие элементы, системы подачи охлаждающих агентов и прочее. Помимо этого, батарея включает в себя устройства управляющие электрическим током – контроллеры защищающие от перенапряжения и чрезмерного заряда, контроллеры для балансировки токов между ячейками или модулями, реле и предохранители.

Так как напряжение аккумуляторной батареи составляет 350–450 В, в ней предусмотрена защита пользователя от поражения электрическим током в том числе при аварийных ситуациях. Так, например, датчики удара отключают напряжение на батарее при аварии, а корпус батареи имеет большую прочность, чем корпус самого автомобиля.

Клейкие ленты в батареях электромобилей, как правило, играют свою традиционную роль – быстрого и надежного средства монтажа. При этом они способствуют решению важных задач при работе батареи – обеспечению ее целостности в условиях вибрации и циклических изменений температуры, поддержание требуемого температурного режима функционирования и предотвращению аварийных ситуаций, прежде всего возгорания и короткого замыкания.

Применения клейких лент разнообразны и определяются конструкцией батарей.

Соединение ячеек между собой

При сборке модулей, состоящих из призматических и пакетных ячеек, для непосредственного соединения ячеек между собой применяются двусторонние ленты – тонкие безосновные или на пленочной основе, или на пеноакриловой основе толщиной, как правило, не более 1 мм. Для этой цели производители рекомендуют продукты, имеющие стойкость к горению на уровне V-0 стандарта UL 94.

Так как батареи в целом и отдельные модули время от времени требуется разбирать – для ремонта или утилизации, то большое внимание уделяется созданию клейких лент, позволяющих разъединять клеевое соединение быстро и просто. Это достигается или путем «вытягивания» ленты, не оставляющего следов, как, например, Nordbond BT [2], или применением электрического воздействия, ослабляющего клеевую связь в лентах debond-on-command [3].

Монтаж компрессионных прокладок

Компоненты аккумуляторной батареи электромобиля подвергаются вибрации и другим механическим воздействиям, связанным с движением электромобиля. Кроме того, повторяющиеся процессы электрохимической зарядки и разрядки сопровождаются нагревом и охлаждением ячеек и, следовательно, циклическим изменением их размеров.

Чтобы эти воздействия не приводили к взаимному повреждению ячеек, их фиксируют на определенном расстоянии друг от друга, разделяя с помощью компрессионных прокладок, обладающих хорошими демпфирующими и позволяющими батарее «дышать». В качестве материала прокладок используются вспененные силиконы и полиуретаны с микроячеистой структурой. Они могут иметь разные толщины и характеризоваться различным сопротивлением к сжатию, определяемому согласно стандартам ASTM D1056 и ASTM D1667. Плотность таких материалов стараются максимально уменьшить, чтобы не утяжелять конструкцию и она составляет от 150 до 300 кг/м3 [4]. Компрессионные прокладки обладают хорошей теплопроводностью около 0.07 Вт/м*К, способствуя отводу тепла от ячейки к радиатору при работе батареи, а их стойкость к горению, как правило, соответствует стандарту UL94 V-0. В одних случаях эти материалы снабжены клеевым слоем постоянной липкости, в других для их крепления применяются двусторонние клейкие ленты. Рекомендуемые для этих целей ленты также имеют стойкость к горению не ниже UL94 V-0 и испытаны на диэлектрическую прочность. Для компрессионный прокладок из вспененного силикона применяются клейкие ленты, использующие силиконовый адгезив. Так как в данном применении соединяются материалы сильно различающиеся по своей способности склеиваться, то часто используются двусторонние ленты с разными адгезивами по обе стороны [5].

Монтаж огнестойких прокладок

Несмотря на высокий уровень технологий производства электролитических ячеек, все еще есть риск воспламенения ячейки вследствие короткого замыкания внутри ячейки, перегрева и других причин. Хотя вероятность этого события очень мала, но в силу его высокой опасности во многих конструкциях чтобы пламя не распространялось от одной ячейки к другой, их стремятся изолировать друг от друга огнестойкими прокладками.

Такие прокладки часто создаются на основе минеральных материалов волокнистой или слоистой структуры толщиной 0.1 – 0.3 мм. Наряду с высшим рейтингом огнестойкости 5VA по стандарту UL 94 A, они обладают высокими электроизоляционными свойствами, малым весом, особенно при применении в виде аэрогелей, а также низким дымо- и газовыделением. Однако волокна и слои этих изделий могут быть довольно хрупкими, крошиться и создавать пыль.

Клейкие ленты, применяемые для крепления этих материалов, способствуют упрочнению поверхности, герметизации поверхности прокладок и предотвращению появления пыли, а также придают дополнительную диэлектрическую прочность всему изолирующему пакету ячейки. Они могут предотвращать конденсацию влаги внутри аккумуляторной батареи при ее охлаждении, тем самым, снижая риск коррозии или даже короткого замыкания.

Крепление теплового интерфейса (TIM)

Аккумуляторная батарея максимально работоспособна в довольно ограниченном интервале температур – примерно от 20°С до 40°С, вне которого мощность батареи и ее долговечность существенно уменьшаются [4]. Для поддержания температуры в этом диапазоне в конструкции батарей предусматривают быстрый нагрев или охлаждение ячеек, в зависимости от температуры ячеек в данный момент времени.

С этой целью для монтажа в электробатареях часто выбирают материалы, обеспечивающие эффективную теплопередачу, то есть обладающие высокой теплопроводностью. Такого рода материалы называют «тепловым интерфейсом» (TIM) и их теплопроводность определяется согласно ASTM D 5470 или ISO 22007-2:2015 / ГОСТ 34374.2-2017). К таким продуктам относятся, например, двусторонние клейкие ленты на основе алюминиевой фольги, теплопроводность которых составляет около 0.5 Вт/м*К или специальные безосновные акриловые ленты с теплопроводностью 1.0 Вт/м*К или несколько выше [5, 6]. Для монтажа модуля батареи на радиатор часто применяются продукты с еще большей теплопроводностью – безосновные акриловые ленты с теплопроводность 2.0 Вт/м*К [7] или материалы на основе силиконовых или акриловых эластомеров, обладающие теплопроводностью до 3.0 Вт/м*К [8].

Электрическая изоляция

Рабочее напряжение батареи распространенных электромобилей 350–450 В. Исходя из того, что чем выше напряжение, тем больше электрической энергии можно запасти, разработчики стремятся сделать батареи более высоковольтными и в ближайшее время мы увидим батареи на 800-воль, а для грузового транспорта и более. Такие напряжения делают жизненно важным диэлектрическую защиту батареи и предотвращение короткого замыкания внутри батарее и тем более между батареей и шасси автомобиля.

В качестве диэлектрического барьера между ячейками иногда служат компрессионные прокладки, обладающие диэлектрическими свойствами. В других случаях используются односторонние клейкие лента на полиэфирной или полиимидной основе. Диэлектрические свойства тестируются на соответствие требованиям к пробивному напряжению и электрической прочности с использованием методов GB/T 1408.1-2016 и ASTM D3755.

Фиксация гибких шин

Для передачи электрического тока внутри батареи шины, представляющие собой металлические, медные, латунные или алюминиевые, полосы, иногда многослойные. Двусторонние клейкие ленты с подтвержденными диэлектрическими свойствами используются для крепления гибких шин к ячейкам и другим элементам.

[6] Battery thermal management system, Thesis for: MEng (Hons)Mechanical Engineering