في تصميم حزمة البطارية، قد تبدو الرغوة وكأنها طبقة توسيد بسيطة نسبيًا.

ومع ذلك، من الناحية العملية، يمكن أن يكون اختيار الرغوة المناسبة قرارًا هندسيًا أكثر تعقيدًا.

ما مدى سماكة الرغوة؟

هل يجب عليك اختيار 1 مم أم 2 مم أم 3 مم؟

هل توفر الكثافة الأعلى دائمًا دعمًا أفضل؟

هل الرغوة الأكثر ليونة أفضل في استيعاب توسع الخلايا؟

وربما الأهم:

ما مقدار قوة الضغط التي ستوفرها الرغوة طوال فترة خدمتها؟

لا يمكن الإجابة على هذه الأسئلة بالسمك أو الكثافة فقط.

بالنسبة لتطبيقات ضغط حزمة البطارية، فإن العوامل الأكثر أهمية هي سلوك ضغط الرغوة ، وقوة الضغط، والاسترداد، وتخفيف الضغط، وأداء الضغط على المدى الطويل.

1. لماذا يتم استخدام الرغوة في حزم البطاريات؟

خلايا أيون الليثيوم ليست مكونات ثابتة الأبعاد.

أثناء الشحن والتفريغ، يمكن أن تخضع الخلايا لتغييرات في سمكها. اعتمادًا على كيمياء الخلية وبنيتها وحالة الشيخوخة، قد يتطور أيضًا تورم لا رجعة فيه بمرور الوقت.

وهذا مهم بشكل خاص بالنسبة للخلايا الحقيبةية والمنشورية، حيث يلزم إدارة تغييرات الأبعاد داخل وحدة البطارية أو هيكل العبوة.

يمكن أن تساعد طبقة الرغوة المضغوطة في:

• استيعاب الاختلافات سمك الخلية

• الحفاظ على ضغط الاتصال المتحكم فيه

• التعويض عن تفاوتات التجميع

• تقليل الحركة النسبية بين المكونات

• توفير توسيد ضد الاهتزازات والتأثيرات الميكانيكية

• الحفاظ على الدعم الميكانيكي مع تغير أبعاد الخلية

لذلك، لا ينبغي اعتبار الرغوة الموجودة داخل حزمة البطارية مجرد مادة لسد الفجوات.

وهو مكون ميكانيكي وظيفي يتفاعل مع الخلية طوال عمر تشغيل البطارية.

ولهذا السبب يتم تقييم مواد ضغط البطارية غالبًا باستخدام معلمات مثل انحراف قوة الضغط (CFD) بدلاً من السُمك والكثافة فقط.

2. مفهوم خاطئ شائع: هل توفر الرغوة السميكة توسيدًا أفضل؟

ليس بالضرورة.

لنفترض أن تصميم حزمة البطارية يحتوي على فجوة متاحة تبلغ 2 مم.

قد يبدو من المعقول اختيار رغوة 3 مم وضغطها في المساحة المتاحة. قد يبدو أن الرغوة السميكة توفر مساحة أكبر للتبطين.

ومع ذلك، فإن السُمك يصف فقط هندسة المادة.

ما تواجهه الخلية فعليًا هو قوة الضغط الناتجة عن الرغوة عند مستوى ضغط محدد.

على سبيل المثال، يمكن أن يكون لكل من الرغاوي سماكة أولية تبلغ 3 مم:

• قد تولد الرغوة A قوة ضغط عالية نسبيًا أثناء الضغط.

• قد تولد الرغوة B قوة ضغط أقل وأكثر تدرجًا.

على الرغم من أن سمكها متطابق، إلا أن تأثيرها على الخلية يمكن أن يكون مختلفًا تمامًا.

وينطبق نفس المبدأ عند مقارنة سماكات مختلفة لنفس المادة.

قد توفر الرغوة السميكة قدرة إزاحة أكبر، ولكن إذا كانت تولد قوة ضغط مفرطة عند مستوى ضغط التشغيل، فقد لا تكون مناسبة للتطبيق.

وبالتالي فإن السؤال الرئيسي ليس:

'ما هو سمك الرغوة التي يجب أن تكون؟'

إنها:

'ما هي قوة الضغط التي ستولدها الرغوة عبر نطاق ضغط التشغيل الفعلي؟''

3. ما هي معلمات الرغوة المهمة في تطبيقات حزمة البطارية؟

عند تقييم رغوة الضغط لحزمة البطارية، يجب أخذ العديد من المعلمات في الاعتبار معًا.

3.1 انحراف قوة الضغط (CFD)

يصف انحراف قوة الضغط، أو CFD، القوة الناتجة عن الرغوة عندما يتم ضغطها لانحراف معين.

على سبيل المثال:

• ضغط 10%

• ضغط 25%

• ضغط 50%

توفر القوة الناتجة عند كل مستوى ضغط صورة أوضح بكثير عن السلوك الميكانيكي للمادة مقارنة بالكثافة وحدها.

بالنسبة لتطبيقات البطاريات، فإن الهدف بشكل عام ليس اختيار المواد الأكثر صلابة المتاحة.

بدلاً من ذلك، يجب أن توفر الرغوة استجابة ضغط مناسبة ومضبوطة ضمن نطاق الضغط المسموح به للخلية.

وهذا يجعل منحنى الضغط جزءًا مهمًا من اختيار المواد.

3.2 منحنى الضغط

لا توفر قيمة CFD الواحدة دائمًا معلومات كافية.

على سبيل المثال، قد يقدم المورد ما يلي:

قوة الضغط @ 25% = XX كيلو باسكال

هذه القيمة مفيدة، لكن ماذا لو كان التطبيق الفعلي يعمل بنسبة ضغط تتراوح بين 10% و40%؟

قد يكون سلوك الرغوة عبر نطاق الضغط بأكمله أكثر أهمية من أدائها عند نقطة اختبار محددة.

النظر في مادتين افتراضيتين:

قد تظهر المادتان أداءً مماثلاً عند ضغط 25%.

ومع ذلك، يمكن أن يصبح سلوكهم مختلفًا بشكل كبير عند مستويات الضغط الأعلى.

إذا أدى توسع الخلية إلى زيادة ضغط الرغوة أثناء الخدمة، فقد يصبح هذا الاختلاف مهمًا لتصميم العبوة بشكل عام.

لهذا السبب، يجب على المهندسين تقييم سلوك انحراف القوة عبر نطاق الضغط المتوقع ، بدلاً من الاعتماد على نقطة بيانات واحدة.

4. الضغط طويل الأمد: هل ستحافظ الرغوة على قوتها؟

أداء الضغط الأولي ليس سوى جزء من المعادلة.

من المتوقع أن تعمل حزمة البطارية من خلال دورات الشحن والتفريغ المتكررة.

قد تتوسع الخلية وتنكمش بشكل متكرر، في حين أن الشيخوخة على المدى الطويل يمكن أن تؤدي إلى تغييرات إضافية في الأبعاد.

ولذلك تحتاج الرغوة إلى الحفاظ على وظيفتها الميكانيكية مع مرور الوقت.

هذا هو المكان الذي يصبح فيه الاسترخاء والضغط أمرًا مهمًا.

الاسترخاء الإجهاد

يحدث استرخاء الإجهاد عندما تظل المادة في حالة تشوه ثابت نسبيًا بينما تتناقص القوة التي تولدها تدريجيًا بمرور الوقت.

على سبيل المثال:

قد تولد الرغوة في البداية 100 كيلو باسكال عند مستوى ضغط معين.

وبعد البقاء مضغوطًا لفترة طويلة، قد تنخفض القوة.

إذا كان التصميم الأصلي يأخذ في الاعتبار قوة الضغط الأولية فقط، فقد يختلف الأداء الفعلي على المدى الطويل عن نتيجة الاختبار الأولية.

مجموعة الضغط

تصف مجموعة الضغط ميل المادة إلى الاحتفاظ بالتشوه الدائم بعد ضغطها.

قد تؤدي مجموعة الضغط العالي إلى تقليل قدرة المادة على استعادة سُمكها الأصلي والحفاظ على دعم ميكانيكي ثابت.

بالنسبة لتطبيقات ضغط البطارية، يجب أخذ كلتا الخاصيتين في الاعتبار عند تقييم الأداء على المدى الطويل.

5. هل توفر الرغوة الأكثر ليونة دائمًا إدارة أفضل لتوسع الخلايا؟

مرة أخرى، ليس بالضرورة.

من المغري افتراض أن الرغوة الأكثر ليونة ستكون أفضل تلقائيًا لأنها يمكن أن تستوعب المزيد من التوسع.

ومع ذلك، فإن المادة شديدة الليونة قد لا توفر الدعم الميكانيكي الكافي.

من ناحية أخرى، قد تولد المادة شديدة الصلابة قوة ضغط مفرطة مع توسع الخلية.

الهدف هو إيجاد التوازن المناسب بين:

توسيع الخلية
← سمك الرغوة
← نسبة الضغط
← قوة الضغط
← الاسترداد
← الاحتفاظ بالقوة على المدى الطويل

هذا هو السبب في أن اختيار رغوة حزمة البطارية يعد في الأساس مشكلة مطابقة ميكانيكية ، وليس مجرد قرار بشأن صلابة المادة.

6. لماذا يتم أخذ رغوة PU الدقيقة في الاعتبار في تطبيقات البطاريات؟

يمكن تصميم رغوة البولي يوريثان الدقيقة (PU) لتوفير خصائص مختلفة للضغط والاسترداد.

اعتمادًا على التركيبة والهيكل، يمكن لرغوة PU ذات الخلايا الدقيقة أن تقدم مزيجًا من:

• ضغط متحكم فيه

• توسيد

• انتعاش مرن

• إدارة الاهتزاز

• توزيع الإجهاد

• أداء ضغط طويل الأمد

هذه الخصائص تجعل رغوة PU ذات الخلايا الدقيقة حلاً ماديًا محتملاً لتطبيقات مثل:

• حزم بطارية EV

• وحدات البطارية

• ضغط خلية الحقيبة

• توسيد من خلية إلى خلية

• توسيد من الخلية إلى الوحدة

• إدارة توسيع البطارية

ومع ذلك، فإن 'رغوة البولي يوريثان' في حد ذاتها ليست مواصفات مادة كافية.

يمكن أن تختلف رغاوي PU المختلفة بشكل كبير:

• كثافة

• صلابة

• بنية الخلية

• قوة الضغط

• سلوك الاسترداد

• مجموعة ضغط

• أداء درجة الحرارة

ولذلك فإن السؤال الصحيح ليس:

'هل يمكن استخدام رغوة البولي يوريثان في مجموعة البطاريات؟''

والسؤال الأكثر فائدة هو:

'ما هي رغوة البولي يوريثان التي توفر سلوك الضغط الذي يتطلبه تصميم البطارية المحدد؟''

7. نهج عملي لاختيار رغوة حزمة البطارية

إذا كنت تقوم حاليًا بتقييم رغوة الضغط لتطبيق البطارية، فابدأ بظروف التشغيل الفعلية بدلاً من مواصفات الرغوة.

الخطوة 1: تحديد نوع الخلية

تحديد ما إذا كان التطبيق يستخدم:

• خلايا الحقيبة

• الخلايا المنشورية

• خلايا أسطوانية

يمكن أن تختلف المتطلبات الميكانيكية بشكل كبير بين تصاميم الخلايا المختلفة.

الخطوة 2: تحديد الفجوة المتاحة

على سبيل المثال:

الفجوة المتاحة: 2.5 ملم

تعد المساحة المتوفرة أحد العوامل الرئيسية التي تحدد سمك الرغوة المطلوبة.

الخطوة 3: تحديد الضغط المستهدف

تحديد مقدار الرغوة التي سيتم ضغطها أثناء التجميع والتشغيل.

على سبيل المثال:

الضغط الأولي: 20-30%

يجب تحديد القيمة الفعلية من خلال تصميم البطارية المحدد بدلاً من تطبيق هدف عالمي.

الخطوة 4: تحديد قوة الضغط المطلوبة

هذه هي واحدة من أهم المعلمات.

بدلاً من إخبار مورد الرغوة ببساطة:

'نحتاج إلى رغوة ناعمة'

من المفيد جدًا تحديد قوة الضغط المطلوبة أو نطاق الضغط.

الخطوة 5: النظر في توسيع الخلية

تقدير مدى تغير سمك الخلية أثناء التشغيل والشيخوخة.

وينبغي بعد ذلك تقييم الرغوة عبر نطاق الضغط المقابل.

الخطوة 6: تقييم الأداء على المدى الطويل

يعتبر:

• مجموعة ضغط

• استرخاء التوتر

• استعادة

• مقاومة درجات الحرارة

• أداء ركوب الدراجات المضغوطة

الخطوة 7: حدد سمك الرغوة وكثافتها

فقط بعد فهم المعلمات المذكورة أعلاه يجب تحديد السُمك والكثافة.

بعبارة أخرى:

لا تبدأ بالسمك ثم تبحث عن الرغوة.

ابدأ بالمتطلبات الميكانيكية ، ثم حدد بنية الرغوة وسمكها الذي يمكن أن يلبيها.

8. ما هي المعلومات التي يجب عليك تقديمها عند طلب عينات من رغوة البطارية؟

استفسار عام مثل:

'يُرجى التوصية باستخدام مادة رغوية لاستخدامات بطاريات السيارات الكهربائية.'

عادةً لا يوفر معلومات كافية لتوصية مادية ذات معنى.

قد يتضمن الاستفسار الفني الأكثر فائدة ما يلي:

التطبيق: وسادة ضغط من خلية إلى خلية / من خلية إلى وحدة

نوع الخلية: الحقيبة / المنشورية / الأسطوانية

الفجوة المتاحة: XX ملم

سمك الرغوة المستهدفة: XX مم

الضغط الأولي: XX%

قوة الضغط المطلوبة: XX – XX كيلو باسكال

درجة حرارة التشغيل: XX-XX درجة مئوية

دورة الضغط: XX دورة

مجموعة الضغط المطلوبة: XX%

المتطلبات الإضافية: مثبطات اللهب، والعزل الكهربائي، والمقاومة الحرارية، والدعم اللاصق، والقطع بالقالب، أو متطلبات أخرى

كلما تم تحديد شروط التطبيق بشكل أكثر وضوحًا، كلما تمكن مورد الرغوة من تقييم المواد المحتملة بشكل أكثر دقة.

9. كيفية تقييم رغوة ضغط البطارية من المورد

عند مقارنة مواد مختلفة، من السهل التركيز على الأرقام القليلة الأولى في ورقة البيانات الفنية:

كثافة.
سماكة.
صلابة.

هذه المعلمات مفيدة، لكنها لا تحكي القصة كاملة.

بالنسبة لتطبيق الضغط، غالبًا ما يكون من المفيد أن نطلب ما يلي:

• بيانات انحراف قوة الضغط

• منحنيات انحراف القوة

• ضغط مجموعة البيانات

• بيانات الاسترخاء الإجهاد

• خصائص الاسترداد

• أداء درجة الحرارة

• أداء ضغط طويل الأمد

• اختبار العينة في ظل ظروف التطبيق الفعلية

يسمح هذا الأسلوب للمهندسين بتقييم المادة بناءً على أدائها الوظيفي ، بدلاً من مجرد مقارنة مواصفات الكتالوج.

10. طريقة أفضل للتفكير في اختيار رغوة حزمة البطارية

بالنسبة لتطبيقات البطاريات، يمكن تبسيط عملية الاختيار في سلسلة هندسية واحدة:

سلوك الخلية
↓
الفجوة المتاحة
↓
سماكة الرغوة
↓
نسبة الضغط
↓
قوة الضغط
↓
مجموعة تخفيف الضغط / الضغط
↓
الأداء الميكانيكي طويل المدى

هذه طريقة أكثر شمولاً لتقييم رغوة الضغط بدلاً من مجرد السؤال عما إذا كانت المادة 'لينة' أو 'صلبة'.

بالنسبة لرغوات XY، يمكن تقييم حلول رغوة PU الخلوية الدقيقة مثل سلسلة INF بناءً على المتطلبات المحددة للتطبيق.

يجب أن يعتمد اختيار المواد على نطاق الضغط المطلوب، وقوة الضغط، وسلوك الاسترداد، وظروف درجة الحرارة، والأداء طويل المدى بدلاً من الاعتماد على درجة المنتج وحدها.

الخلاصة: اختيار رغوة البطارية لا يتعلق فقط بالسمك

إذا كان هناك شيء واحد يجب تذكره عند اختيار الرغوة لحزمة البطارية، فهو:

الرغوة السميكة لا تعني تلقائيًا توسيدًا أفضل، والرغوة الأكثر ليونة لا تعني تلقائيًا إدارة أفضل للتوسع.

يجب أن تتوافق المادة المناسبة مع السلوك الميكانيكي الفعلي لنظام البطارية.

الأسئلة الرئيسية هي:

• إلى أي مدى ستتوسع الخلية؟

• ما هي الفجوة المتاحة؟

• ما هو نطاق الضغط الذي ستختبره الرغوة؟

• ما هي قوة الضغط المقبولة؟

• كيف ستتعافى الرغوة؟

• ما مقدار القوة التي ستحتفظ بها بعد الضغط طويل المدى؟

• كيف ستؤثر درجة الحرارة وركوب الدراجات على أدائها؟

ولذلك ينبغي اختيار رغوة الضغط المناسبة للبطارية بناءً على سلوك الضغط والأداء طويل المدى ، وليس السُمك أو الكثافة فقط.

بالنسبة لمطوري حزم البطاريات الذين يقومون بتقييم رغوة الضغط، فإن توفير نوع الخلية والفجوة المتاحة والضغط المستهدف وقوة الضغط المطلوبة ودرجة حرارة التشغيل ومتطلبات الأداء على المدى الطويل هي أفضل نقطة بداية.

لأن السؤال الأهم في حزمة البطارية ليس مدى سُمك الرغوة.

إنها الطريقة التي تتصرف بها الرغوة عندما تتوسع الخلية، وكيف يتغير هذا السلوك على مدار عمر البطارية.