电动汽车电池材料解决方案

概述

对于电动汽车和其他电动汽车应用，电池不仅对功能至关重要，而且对市场采用也至关重要。因此，电动汽车市场的持续增长取决于更安全、更可靠、充电更快且充电范围更大的电池的发展。这些因素使电池和电池仓可以说是电动汽车设计和开发中最不可或缺的一部分。然而，有几个因素会威胁电池的功能和性能。这些风险包括恶劣和不可预测的环境、噪音、振动、冲击、热失控、过热、灰尘和流体污染、电磁干扰和其他风险。电池仓还需要碰撞冲击解决方案，以提高消费者的安全性并降低保修费用。工程材料解决方案可以帮助缓解这些因素。正确开发，它们可以提高电池性能，以获得更好的续航里程、安全性和可靠性。本文探讨了电动汽车市场的当前趋势和预测，并探讨了电动汽车的材料科学设计挑战，重点是电池。它将帮助工程师了解材料应用在改进系统开发和培养设计创造力方面的作用。

电动车市场趋势与预测

这方面的一个例子是典型硬盘驱动器的读/写操作，该硬盘驱动器在正常读/写操作期间在磁盘介质上从一个轨道移动到另一个轨道时，会经历arm组件的快速旋转驱动。每个硬启动和停止动作都像一个微型冲击锤撞击结构并激发其所有内部共振。这是有问题的，因为系统中没有足够的阻尼来快速消散读/写磁头的这种不需要的运动。最终，可能会发生偏离轨道的错误，从而降低设备的性能。

进一步阐述这个例子，典型的硬盘驱动器受到一系列激励源的影响：旋转磁盘盘片的旋转主轴电机，旋转盘片到7500或10000 RPM，旋转驱动音圈电机，旋转手臂执行器组件，手臂枢轴或主轴轴承的轴承效应产生不必要的干扰， 并且空气从旋转盘的湍流气流中诱导激发，将空气推过手臂/悬架组件。目标是通过各种设计选择在源级控制这些激励力。例如，一旦驱动行业转向更精确的流体动力轴承，驱动器产生的怠速噪声就得到了显着改善。按照更高的质量标准制造的更高质量的组件通过收紧组件公差来减少变化，进一步帮助降低激励水平。空气引起的振动是当今高速驱动器的副产品，但即使是这个源也可以通过使用空气矫直装置来控制，这些装置有助于最大限度地减少湍流的气流，从而减少这种宽带激励源到盘片和执行器。

通常，最小化激励源电平的策略涉及诸如使用轻质元件来降低力水平，最小化元件之间的不平衡和不对中，以及消除不需要的变化的更精确的制造方法。通过减少运动部件的质量或使用惯性平衡，可以减少往复载荷。对于齿轮部件，选择高接触比（>2.0），适当的润滑，选择齿轮材料，齿形和表面光洁度以及轴对中都是影响良好齿轮设计和操作的因素。其他方法涉及修改实际操作配置文件，从而牺牲速度或功率以获得更好的NVH特性（即以较慢的速度运行的冷却风扇的“安静模式”，通常主动控制以控制冷却需求，或者由于功率较小的组件而需要更长的时间来冷却的汽车空调， 或者以更长的寻道时间为代价，缓慢减速至停止以最小化激励水平的硬盘驱动器）。

电动汽车和电动汽车电池的主要工程挑战

美国道路上车辆的平均车龄为12.1年，高于2001年不到十年。汽车的行驶时间可能比以往任何时候都要长，甚至可能比以往任何时候都更难，并且需要经受住雨水，紫外线，冰和道路盐，走走停停的交通，维护不善的道路等环境因素的多年滥用。

使这些因素复合的是车辆本身。它们比以往任何时候都更加复杂，装载着昂贵的计算机化电子设备，传感器和其他设备。

挑战：热保护

电动汽车的冷却需求与内燃机汽车完全不同，系统设计完全不同。为了确保安全并促进消费者采用，电动汽车和电池制造商对防止和管理热失控有严格的要求，这是锂离子电池面临的一个独特挑战。电池制造商依靠云母、陶瓷纤维、其他材料和智能系统设计来防止这些热失控事件。

挑战：电力短缺

应用绝缘层可以防止关键内部组件之间的火花电压，防止电力短缺或火灾。

Boyd提供胶带产品，包括具有严格公差控制的多层堆叠配置，可防止柔性印刷电路和其他高压组件（如锂离子电池子组件）短路。将电绝缘双涂层胶带与压缩垫和其他材料相结合，可创建多功能解决方案，防止电力短缺并吸收道路振动或碰撞冲击能量。应用于液体冷却系统组件的单涂层绝缘胶带，如铝冷板和其他金属结构，为热系统增加了电气性能。

挑战：粉尘和流体污染

密封电池组可保护锂离子电池免受液体，气体和灰尘颗粒入侵 - 可能导致灾难性故障或缩短电池寿命的污染物。密封件应优化性能并提供防水性能，同时考虑压缩永久变形和力挠度，装配效率，噪音/振动/不平顺性（NVH）和其他机械因素。

显示器密封件和粘合解决方案不在电池组中，但对消费者的驾驶体验仍然至关重要。Boyd's采用创新的压敏粘合剂和丙烯酸泡沫设计，可在其整个生命周期内保护显示器组件。其超严格的公差可实现“零间隙”性能，提供无与伦比的防尘和防液体保护。我们设计这些解决方案是为了简化客户装配、制造设计 （DFM） 吞吐量和材料优化。

我们的密封件和垫圈产品组合包括数百种泡沫、聚合物、粘合剂和其他选项。我们将这种材料专业知识与DFM批量生产能力相结合，提供超越电池组和显示器组件污染保护的高性能工作条件的定制设计。

挑战：冲击和碰撞

必须保护电池组免受碰撞冲击、恶劣路况和极端温度的影响。在锂离子电池之间分层放置坚固且有弹性的压缩垫，可补偿由于充电循环引起的膨胀力。当放置在电池模块周围时，这些垫子通过吸收碰撞冲击，极端路况和扩展振动的机械能来充当冲击保护屏障，从而提高消费者安全性并降低保修成本。

Boyd提供一系列闭孔和开孔泡沫。它们提供不同的性能特征，以满足广泛的温度和环境暴露应用的需求。泡沫可以与单涂层和双涂层胶带结合使用，这些胶带包含介电薄膜，用于电动汽车电池的电气绝缘。

这些泡沫解决方案通过解决技术挑战，同时促进易于组装和高效安装，从而降低您的总拥有成本。

挑战：热管理

随着电动汽车设计和功能的发展，大量采用先进的电子设备，电动汽车工程师正在转向传统的电子系统热管理市场领导者，以实现热系统创新。

EV电池设计人员希望保持电池单元之间的均匀温度。他们必须做到这一点，同时实现更快的充电/放电循环，减少电池过热，在灾难性电池事件发生时隔离它们 - 或者更好的是，防止这些事件发生。Boyd的复杂材料组件将锂离子电池单元到电池的冷却与冲击吸收和热/火焰隔离解决方案集成在一起，以解决防止热失控的主要机械、热和环境因素。

热界面材料（TIM）促进了液体冷却系统的冷板和电池模块之间的热传递，降低了热阻，最大限度地提高了热系统效率。它们有助于最大限度地减少流入、通过和流出接口的热流阻力。将热量从敏感元件上抽走可提高功率密度和效率。

Boyd的制造能力结合了来自多个供应商的原材料，以创建优化的材料配置多层堆叠，帮助工程师实现更大的设计灵活性。这些材料可与阻燃粘合剂结合使用，使复合材料和材料符合 UL® 94 V-0 和其他阻燃要求，以及具有易发布衬垫的单涂层和双涂层胶带以及具有强大介电性能的薄膜层。

我们的液态铝冷板为当今性能最高的电池模块和电池组提供坚固的结构支撑（RSS）和高效冷却。它们的低调和轻巧的重量为更强大的电池和更可靠的车辆创造了额外的设计空间。

挑战：电磁干扰

接缝和开口为恶意能量波进入或退出设备提供了途径，从而导致电磁干扰（EMI）。EMI屏蔽通过阻挡或吸收这些不需要的波来降低电子故障的敏感性，并提高电池性能，安全性和可靠性。通常，这种屏蔽首先使电磁波与反射表面偏转。这加热屏蔽，使中等导电性和导热性成为EMI/RFI屏蔽的基本特性。

Boyd 的 LectroShield 金属箔、导电泡沫、弹性体和粘合剂设计用于管理干扰能量。结果是提高了可靠性和效率。

Boyd的电动汽车电池保护材料解决方案