I batteripakkedesign kan skum synes at være et relativt simpelt dæmpende lag.

I praksis kan det dog være en meget mere kompleks ingeniørbeslutning at vælge det rigtige skum.

Hvor tykt skal skummet være?

Skal du vælge 1 mm, 2 mm eller 3 mm?

Giver en højere tæthed altid bedre støtte?

Er blødere skum bedre til at rumme celleudvidelse?

Og måske vigtigst af alt:

Hvor meget trykkraft vil skummet yde i løbet af dets levetid?

Disse spørgsmål kan ikke besvares af tykkelse eller tæthed alene.

For batteripakkekompressionsapplikationer er de vigtigere faktorer skumets kompressionsadfærd, kompressionskraft, restitution, stressafslapning og langsigtet kompressionsydelse..

1. Hvorfor bruges skum i batteripakker?

Lithium-ion-celler er ikke dimensionelt statiske komponenter.

Under opladning og afladning kan cellerne gennemgå ændringer i tykkelsen. Afhængigt af cellekemien, konstruktionen og ældningstilstanden kan irreversibel hævelse også udvikle sig over tid.

Dette er især vigtigt for pose- og prismatiske celler, hvor dimensionsændringer skal styres inden for batterimodulet eller pakkestrukturen.

Et kompressionsskumlag kan hjælpe:

• Tilpas celletykkelsesvariationer

• Oprethold kontrolleret kontakttryk

• Kompenser for monteringstolerancer

• Reducer relativ bevægelse mellem komponenter

• Giver stødabsorbering mod vibrationer og mekanisk påvirkning

• Oprethold mekanisk støtte, efterhånden som celledimensionerne ændres

Derfor bør skum inde i en batteripakke ikke blot betragtes som et spaltefyldende materiale.

Det er en funktionel mekanisk komponent, der interagerer med cellen i hele batteriets levetid.

Dette er grunden til, at batterikompressionsmaterialer ofte evalueres ved hjælp af parametre som Compression Force Deflection (CFD) frem for tykkelse og tæthed alene.

2. En almindelig misforståelse: Giver tykkere skum bedre dæmpning?

Ikke nødvendigvis.

Antag, at et batteripakkedesign har et 2 mm ledigt mellemrum.

Det kan virke rimeligt at vælge et 3 mm skum og komprimere det til den ledige plads. Et tykkere skum kan synes at give mere plads til dæmpning.

Tykkelsen beskriver dog kun materialets geometri.

Det, cellen faktisk oplever, er den trykkraft, der genereres af skummet ved et specifikt kompressionsniveau.

For eksempel kan to skum begge have en indledende tykkelse på 3 mm:

• Skum A kan generere relativt høj trykkraft under kompression.

• Skum B kan generere lavere og mere gradvis trykkraft.

Selvom deres tykkelse er identisk, kan deres effekt på cellen være meget forskellig.

Det samme princip gælder, når man sammenligner forskellige tykkelser af det samme materiale.

Et tykkere skum kan give mere forskydningskapacitet, men hvis det genererer overdreven trykkraft på driftskompressionsniveauet, er det muligvis ikke egnet til anvendelsen.

Nøglespørgsmålet er derfor ikke:

'Hvor tykt skal skummet være?'

Det er:

'Hvilken trykkraft vil skummet generere på tværs af det faktiske driftskompressionsområde?'

3. Hvilke skumparametre er vigtige i batteripakkeapplikationer?

Ved evaluering af kompressionsskum til en batteripakke, bør flere parametre overvejes sammen.

3.1 Compression Force Deflection (CFD)

Compression Force Deflection, eller CFD, beskriver den kraft, der genereres af et skum, når det komprimeres til en specifik afbøjning.

For eksempel:

• 10% kompression

• 25% kompression

• 50% kompression

Den resulterende kraft på hvert kompressionsniveau giver et meget klarere billede af materialets mekaniske opførsel end tætheden alene.

For batteriapplikationer er målet generelt ikke at vælge det hårdeste materiale til rådighed.

I stedet skal skummet give en passende og kontrolleret kompressionsreaktion inden for cellens tilladte trykområde.

Dette gør kompressionskurven til en vigtig del af materialevalg.

3.2 Kompressionskurve

En enkelt CFD-værdi giver ikke altid nok information.

For eksempel kan en leverandør levere:

Kompressionskraft @ 25 % = XX kPa

Denne værdi er nyttig, men hvad hvis den faktiske applikation kører mellem 10 % og 40 % komprimering?

Skummets opførsel over hele kompressionsområdet kan være vigtigere end dets ydeevne på et specifikt testpunkt.

Overvej to hypotetiske materialer:

De to materialer kan vise lignende ydeevne ved 25 % kompression.

Deres adfærd kan dog blive væsentligt anderledes ved højere kompressionsniveauer.

Hvis celleudvidelse øger kompressionen af ​​skummet under service, kan denne forskel blive vigtig for det overordnede pakningsdesign.

Af denne grund bør ingeniører evaluere kraft-afbøjningsadfærden over det forventede kompressionsområde i stedet for at stole på et enkelt datapunkt.

4. Langtidskompression: Vil skummet bevare sin kraft?

Indledende kompressionsydelse er kun en del af ligningen.

En batteripakke forventes at fungere gennem gentagne opladnings- og afladningscyklusser.

Cellen kan udvide sig og trække sig sammen gentagne gange, mens langsigtet aldring kan introducere yderligere dimensionsændringer.

Skummet skal derfor bevare sin mekaniske funktion over tid.

Det er her stressafspænding og kompressionssæt bliver vigtigt.

Stress afslapning

Spændingsafslapning opstår, når et materiale holdes ved en relativt konstant deformation, mens den kraft, det genererer, gradvist aftager over tid.

For eksempel:

Et skum kan til at begynde med generere 100 kPa ved et givet kompressionsniveau.

Efter at have været komprimeret i en længere periode, kan kraften falde.

Hvis det oprindelige design kun tager hensyn til den indledende kompressionskraft, kan den faktiske langsigtede ydeevne afvige fra det oprindelige testresultat.

Kompressionssæt

Kompressionssæt beskriver materialets tendens til at bevare permanent deformation efter at være blevet komprimeret.

Et højt kompressionssæt kan reducere materialets evne til at genvinde sin oprindelige tykkelse og opretholde en ensartet mekanisk støtte.

For batterikompressionsapplikationer bør begge egenskaber derfor tages i betragtning ved evaluering af langsigtet ydeevne.

5. Giver blødere skum altid bedre celleudvidelsesstyring?

Igen, ikke nødvendigvis.

Det er fristende at antage, at blødere skum automatisk vil være bedre, fordi det kan rumme mere ekspansion.

Imidlertid giver et alt for blødt materiale muligvis ikke tilstrækkelig mekanisk støtte.

På den anden side kan et alt for stift materiale generere overdreven trykkraft, når cellen udvider sig.

Målet er at finde den rette balance mellem:

Celleekspansion
→ Skumtykkelse
→ Kompressionsforhold
→ Kompressionskraft
→ Gendannelse
→ Langsigtet kraftretention

Dette er grunden til, at valg af batteripakkeskum grundlæggende er et mekanisk matchningsproblem snarere end blot en materialehårdhedsbeslutning.

6. Hvorfor overvejes mikrocellulært PU-skum til batteriapplikationer?

Mikrocellulært polyurethan (PU) skum kan konstrueres til at give forskellige kompressions- og genvindingsegenskaber.

Afhængigt af formuleringen og strukturen kan mikrocellulært PU-skum tilbyde en kombination af:

• Kontrolleret kompression

• Polstring

• Elastisk restitution

• Vibrationsstyring

• Stressfordeling

• Langsigtet kompressionsydelse

Disse egenskaber gør mikrocellulært PU-skum til en potentiel materialeløsning til applikationer som:

• EV batteripakker

• Batterimoduler

• Kompression af poseceller

• Celle-til-celle dæmpning

• Celle-til-modul dæmpning

• Styring af batteriudvidelse

Imidlertid er 'PU-skum' i sig selv ikke en tilstrækkelig materialespecifikation.

Forskellige PU-skum kan have væsentligt forskellige:

• Tæthed

• Hårdhed

• Cellestruktur

• Kompressionskraft

• Recovery adfærd

• Kompressionssæt

• Temperatur ydeevne

Derfor er det rigtige spørgsmål ikke:

'Kan PU-skum bruges i en batteripakke?'

Det mere brugbare spørgsmål er:

'Hvilket PU-skum giver den kompressionsadfærd, der kræves af det specifikke batteridesign?'

7. En praktisk tilgang til valg af batteripakkeskum

Hvis du i øjeblikket vurderer kompressionsskum til en batteriapplikation, skal du starte med de faktiske driftsbetingelser i stedet for skumspecifikationen.

Trin 1: Definer celletypen

Identificer, om applikationen bruger:

• Poseceller

• Prismatiske celler

• Cylindriske celler

De mekaniske krav kan variere betydeligt mellem forskellige celledesigns.

Trin 2: Definer det tilgængelige hul

For eksempel:

Tilgængelig mellemrum: 2,5 mm

Den tilgængelige plads er en af ​​nøglefaktorerne, der bestemmer den nødvendige skumtykkelse.

Trin 3: Definer målkomprimeringen

Bestem, hvor meget skummet vil blive komprimeret under montering og drift.

For eksempel:

Indledende komprimering: 20–30 %

Den faktiske værdi bør bestemmes af det specifikke batteridesign i stedet for at anvende et universelt mål.

Trin 4: Definer den påkrævede kompressionskraft

Dette er en af ​​de vigtigste parametre.

I stedet for blot at fortælle en skumleverandør:

'Vi har brug for et blødt skum.'

Det er meget mere nyttigt at angive den nødvendige kompressionskraft eller trykområde.

Trin 5: Overvej celleudvidelse

Estimer, hvordan celletykkelsen kan ændre sig under drift og aldring.

Skummet skal derefter evalueres på tværs af det tilsvarende kompressionsområde.

Trin 6: Evaluer langsigtet ydeevne

Overvej:

• Kompressionssæt

• Stress afslapning

• Genopretning

• Temperaturmodstand

• Kompressionscykelydelse

Trin 7: Vælg skumtykkelse og tæthed

Først efter at ovenstående parametre er forstået, bør tykkelse og tæthed afsluttes.

Med andre ord:

Start ikke med tykkelse og søg derefter efter et skum.

Start med de mekaniske krav , og afgør derefter, hvilken skumkonstruktion og tykkelse der kan opfylde dem.

8. Hvilke oplysninger skal du give, når du anmoder om batteriskumprøver?

En generel forespørgsel som:

'Anbefal venligst et skum til EV-batteriapplikationer.'

giver normalt ikke nok information til en meningsfuld materialeanbefaling.

En mere nyttig teknisk forespørgsel ville omfatte:

Anvendelse: Celle-til-celle / celle-til-modul kompressionspude

Celletype: Pose / Prismatisk / Cylindrisk

Tilgængelig mellemrum: XX mm

Mål skumtykkelse: XX mm

Indledende komprimering: XX %

Nødvendig kompressionskraft: XX–XX kPa

Driftstemperatur: XX–XX °C

Kompressionscykler: XX cyklusser

Påkrævet kompressionssæt: XX %

Yderligere krav: Flammehæmning, elektrisk isolering, termisk modstand, klæbende bagside, udstansning eller andre krav

Jo tydeligere anvendelsesbetingelserne er defineret, jo mere præcist kan en skumleverandør vurdere potentielle materialer.

9. Hvordan man vurderer et batterikompressionsskum fra en leverandør

Når man sammenligner forskellige materialer, er det let at fokusere på de første par tal på et teknisk datablad:

Tæthed.
Tykkelse.
Hårdhed.

Disse parametre er nyttige, men de fortæller ikke hele historien.

For en komprimeringsapplikation er det ofte mere nyttigt at bede om:

• Data om kompressionskraftafbøjning

• Kraft-afbøjningskurver

• Kompressionssætdata

• Data for stressafspænding

• Gendannelsesegenskaber

• Temperatur ydeevne

• Langsigtet kompressionsydelse

• Prøveafprøvning under de faktiske anvendelsesforhold

Denne tilgang giver ingeniører mulighed for at evaluere materialet baseret på dets funktionelle ydeevne i stedet for blot at sammenligne katalogspecifikationer.

10. En bedre måde at tænke på valg af batteripakkeskum

Til batteriapplikationer kan udvælgelsesprocessen forenkles til én ingeniørkæde:

Celleadfærd
↓
Tilgængeligt mellemrum
↓
Skumtykkelse
↓
Kompressionsforhold
↓
Kompressionskraft
↓
Spændingsafslapning / kompressionssæt
↓
Langsigtet mekanisk ydeevne

Dette er en mere komplet måde at evaluere kompressionsskum på end blot at spørge, om et materiale er 'blødt' eller 'hårdt'.

For XY-skum kan mikrocellulære PU-skumløsninger, såsom INF-serien, evalueres ud fra de specifikke krav til applikationen.

Materialevalget bør baseres på det nødvendige kompressionsområde, kompressionskraft, genopretningsadfærd, temperaturforhold og langsigtet ydeevne snarere end på produktkvalitet alene.

Konklusion: Valg af batteriskum handler ikke kun om tykkelse

Hvis der er én ting at huske, når du vælger skum til en batteripakke, er det denne:

Tykkere skum betyder ikke automatisk bedre dæmpning, og blødere skum betyder ikke automatisk bedre ekspansionsstyring.

Det rigtige materiale skal matche den faktiske mekaniske opførsel af batterisystemet.

Nøglespørgsmålene er:

• Hvor meget vil cellen udvide sig?

• Hvad er det tilgængelige hul?

• Hvilket kompressionsområde vil skummet opleve?

• Hvilken trykkraft er acceptabel?

• Hvordan vil skummet komme sig?

• Hvor meget kraft vil det beholde efter langvarig kompression?

• Hvordan vil temperatur og cyklus påvirke dens ydeevne?

Et passende batterikompressionsskum bør derfor vælges baseret på kompressionsadfærd og langsigtet ydeevne , ikke tykkelse eller tæthed alene.

For batteripakkeudviklere, der evaluerer kompressionsskum, celletypen, tilgængeligt mellemrum, målkompression, påkrævet kompressionskraft, driftstemperatur og langsigtede ydeevnekrav . er det bedste udgangspunkt at give

For i en batteripakke er det vigtigste spørgsmål ikke, hvor tykt skummet er.

Det er, hvordan skummet opfører sig, når cellen udvider sig - og hvordan den adfærd ændrer sig i løbet af batteriets levetid.