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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、充电速度更快、充电范围更大的电池的发展。这些因素使电池和电池盒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,有几个因素威胁到电池的功能和性能。这些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,电磁干扰以及其他风险。电池舱还需要碰撞冲击解决方案,以提高消费者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。如果开发得当,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,重点关注电池。它将帮助工程师了解材料应用在改善系统开发和促进设计创造力方面的作用。

电动车市场趋势与预测

The EV market is expecting rapid growth in the 2020s and beyond. According to the report, “Global EV Outlook 2021,” published by the International Energy Agency, EVs are expected to make up 20% of the global fleet by 2030, with up to 230 million vehicles on the road. Unit production will grow globally at a 34% CAGR from 2020-2030.

几个相互关联的因素将推动这一戏剧性的上升。

  • 成本:电动汽车正变得越来越便宜。这是由于电池技术成本的降低以及与碳排放和燃油效率要求相关的ICE技术成本的增加。
  • 法规:美国和国外的政策制定者正在采取措施加速电动汽车的采用。例如,加利福尼亚州宣布禁止在该州销售2035辆ICE车辆。几个欧盟国家以及英国已经宣布逐步淘汰新的ICE汽车销售。这些举措中的大多数将于2025或2030年开始。
  • OEM goals: More OEMs are setting time-bound goals to be exclusively electric in response to various factors, including changing consumer tastes and regulatory activity. General Motors has a plan to be all-electric by 2035. Volvo now offers electrified (including hybrid) versions of all its models and aims to have 100% of its sales volume be fully electric by 2030. Tesla delivered nearly 500,000 cars worldwide in 2020. The company aspires to produce 20 million vehicles annually by 2030. These commitments complement significant investments in R&D, engineering, and manufacturing. For example, in September 2021, Ford announced an $11.4 billion investment in electrification. It includes two new campuses devoted to battery production and EV assembly.
  • 创新:电池技术正在迅速改进。电动汽车续航里程正在增加 - 并且预计将继续增加 - 而充电时间则缩短。与早期电动汽车电池相关的其他因素,包括安全性和耐用性,正在由工程师解决。

 

以前限制电动汽车采用的担忧已经或正在得到解决。这些因素包括电池成本、安全性、可靠性、充电站可用性和技术限制。电池容量在过去五年中翻了一番。如今的电池充电速度比以往任何时候都快,功率转换效率更高,电子设备的速度、复杂性、连接性和处理能力也随之提高。

然而,关键的工程挑战仍然与电动汽车中最关键的组件——电池组有关。电动汽车电池制造商必须解决电力短缺、灰尘和液体污染、冲击和碰撞、热管理等因素。为了使电动汽车和电动汽车市场继续其增长之路,制造商必须生产与内燃机汽车相媲美或超过内燃机车辆的汽车和卡车,以确保安全性,可靠性,耐用性和续航里程。

为了帮助应对这些挑战,Boyd与领先的原材料供应商密切合作,为电池仓保护、密封和冷却提供最广泛的高性能转换和工程材料解决方案。凭借先进的全球制造工艺和数十年的开发经验,Boyd解决方案解决了与可燃性,介电绝缘,电池缓冲等相关的问题。

这一重点确保了我们的电动汽车电池解决方案可帮助原始设备制造商和一级供应商应对这些挑战,并进一步推动市场创新。我们设计可定制和可扩展的解决方案,以防止热失控,延长电池寿命,优化能源使用,防止碰撞,减轻重量等。

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。

博伊德的电动汽车电池保护材料解决方案

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钎焊液体冷板 - 冷板将热量从具有高热负荷的表面传递到液体冷却系统中的流体。冷板的性能对于液体系统的整体有效性至关重要。

密封件和垫圈 - 密封件和垫圈可保护电池模块和电池免受液体、气体和颗粒的污染,从而延长电池寿命,提高安全性并降低保修成本。

压缩垫 - 坚固且有弹性的压缩垫可保护电池免受碰撞冲击、恶劣路况和极端温度的影响。焊盘在电池之间分层以补偿膨胀力,或放置在模块周围作为冲击保护屏障。

EMI 屏蔽 - 屏蔽通过阻断不需要的电磁波来提高电池性能,从而降低电子故障的敏感性并提高电池性能。

电气绝缘和电池封装 - 绝缘和封装可防止内部关键组件之间的火花电压,从而导致设备短路或火灾。

热界面材料 (TIM) - TIM 有助于冷板和电池模块之间的热传递,同时最大限度地减少进入、通过和流出接口的热流阻力。TIM专门设计用于将电池保持在最佳温度范围内,特别是在不可预测的环境中,可减少冷却和加热系统所需的电池电量。

用于母线的介电粘合剂 - 电介质可保护电池组件中的柔性印刷电路,有助于延长其使用寿命。

多层热失控保护 - 复杂的冷却和冲击吸收保护层满足严格的要求,以防止热失控。

电池外壳密封件和碰撞保护 - 坚固的密封件、垫圈和阻尼垫设计用于承受和吸收来自极端路况、突然冲击或长时间振动的可变力和机械能,从而最大限度地减少对电池的不利影响并降低保修成本。

博伊德优势

Boyd Corporation 是材料科学、工程材料和热管理领域的世界领先技术创新者,可密封、保护、接触和冷却客户最关键的应用。我们支持科学来解决雄心勃勃的绩效目标。博伊德建筑师材料创新,以新颖的方式结合技术,重新定义可能。不断重新定义可能,推动了 90 多年的创新和客户成功。

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