O gerenciamento térmico é um dos desafios de engenharia mais importantes no projeto moderno de baterias de veículos elétricos.

À medida que os pacotes de baterias de veículos elétricos avançam para maior densidade de energia, carregamento mais rápido, maior potência de saída e arquiteturas mais compactas, o controle da temperatura das células torna-se cada vez mais difícil. O próprio sistema de resfriamento é apenas uma parte da solução. Os materiais colocados entre as células, estruturas de resfriamento, invólucros do pacote e outros componentes determinam a eficácia com que o calor pode se mover — ou a eficácia com que pode ser bloqueado.

Por essa razão, o gerenciamento térmico da bateria deve ser visto como uma combinação deresfriamento, transferência de calor, isolamento, vedação, dissipação de calor e aquecimento ativoem vez de uma única tecnologia de resfriamento.

Um sistema de gerenciamento térmico de bateria bem projetado geralmente usa várias tecnologias de materiais, com cada material selecionado de acordo com sua localização e função específicas dentro do pacote.

As baterias de íon-lítio são sensíveis à temperatura de operação. O desempenho da bateria, o comportamento de envelhecimento, a capacidade de carregamento e a segurança podem ser afetados pela temperatura.

Muitas estratégias de gerenciamento térmico de baterias de veículos elétricos visam manter as temperaturas das células dentro de uma janela operacional controlada, comumente em torno de15–40 °C, dependendo da química da célula, das condições operacionais e dos requisitos do OEM. Revisões de pesquisa também enfatizaram a importância do controle preciso da temperatura para o desempenho, segurança e vida útil da bateria.

O desafio é que um sistema de resfriamento só pode controlar a temperatura de forma eficaz quando o calor pode atingir o meio de resfriamento.

Uma placa fria líquida, um canal de refrigerante ou um fluxo de ar estabelecem a condição de contorno de resfriamento. No entanto, cada interface entre a célula e o sistema de resfriamento introduz resistência térmica.

Por exemplo:

Célula → TIM → Placa Fria → Refrigerante

Se a interface contiver lacunas de ar microscópicas, compressão insuficiente ou espessura excessiva da linha de adesão, o caminho térmico pode se tornar um gargalo, mesmo quando o próprio sistema de resfriamento tem capacidade suficiente.

É por isso que a seleção de materiais é uma parte essencial do projeto de gerenciamento térmico de baterias.

Um pacote de bateria moderno contém várias zonas térmicas e de proteção diferentes.

Cada zona desempenha uma função diferente e, portanto, requer uma estratégia de material diferente.

Essa abordagem baseada em zonas facilita a seleção de materiais, pois o engenheiro pode primeiro definiro que cada interface precisa realizare, em seguida, selecionar a classe de material apropriada.

A interface célula-placa fria é um dos caminhos térmicos mais importantes em um veículo elétrico com bateria resfriada a líquido.

O objetivo é simples:

Minimizar a resistência térmica entre a célula geradora de calor e a estrutura de resfriamento.

O ar tem uma condutividade térmica de apenas cerca de0,026 W/m·K, portanto, lacunas de ar descontroladas podem aumentar significativamente a resistência da interface.

Materiais de interface térmica preenchem essas lacunas e criam um caminho térmico mais contínuo.

As três abordagens mais comuns são:

• Pastilhas Térmicas

• Preenchedores de Lacunas Térmicas Dispensados

• Adesivos Termicamente Condutivos

As pastilhas térmicas são folhas sólidas conformáveis que são colocadas entre o componente da bateria e a estrutura de resfriamento.

Estão disponíveis em formulações de silicone e não silicone e podem ser cortadas em formas personalizadas.

As vantagens típicas incluem:

• Nenhum processo de cura

• Fácil instalação

• Geometria de corte precisa

• Boa isolação elétrica em graus isolantes

• Reparabilidade em muitas aplicações

• Espessura controlada

Parâmetros importantes de seleção incluem:

• Condutividade térmica

• Impedância térmica

• Espessura

• Dureza

• Comportamento de compressão

• Resistência dielétrica

• Conjunto de compressão

• Temperatura operacional

Um alto valor de condutividade térmica por si só não garante um bom desempenho na aplicação.

Por exemplo, uma pastilha muito dura pode ter excelente condutividade, mas exigir pressão de montagem excessiva para obter contato íntimo com a superfície. Um material mais macio pode fornecer melhor conformidade com menor pressão.

Portanto, os engenheiros devem avaliara impedância térmica sob a pressão real de montagem e a espessura da linha de adesão, em vez de selecionar um material apenas por sua classificação W/m·K.

Preenchedores de lacunas dispensados são particularmente úteis quando a lacuna da interface varia em toda a montagem da bateria.

Ao contrário de uma pastilha pré-cortada, um preenchedor de lacunas líquido ou em gel pode se conformar à geometria real da interface.

Isso torna a tecnologia atraente para:

• Interfaces célula-placa fria

• Arquiteturas célula-pacote

• Módulos de bateria de grande área

• Pilhas de tolerância complexas

• Linhas de produção automatizadas

Estão disponíveis formulações de uma e duas partes.

Materiais de uma parte são projetados para cura controlada de acordo com as condições especificadas pelo fabricante, enquanto sistemas de duas partes são misturados e curados após a dispensação.

As principais vantagens incluem:

• Excelente conformidade de superfície

• Grande capacidade de preenchimento de lacunas

• Baixo estresse mecânico

• Compatibilidade com dispensação automatizada

• Dependência reduzida da geometria da pastilha pré-cortada

As principais considerações de fabricação são:

• Volume de dispensação

• Razão de mistura para sistemas de duas partes

• Tempo de vida útil

• Tempo de cura

• Requisitos de equipamento

• Controle da linha de adesão

• Estratégia de reparo

Para produção de baterias de alto volume, esses fatores de processo podem ser tão importantes quanto a condutividade térmica.

A escolha entre uma pastilha e um preenchedor de lacuna dispensado depende principalmente da geometria da interface e do processo de fabricação.

Nenhuma tecnologia é universalmente melhor.

A escolha correta depende dafaixa de lacuna, pilha de tolerância, requisito de compressão, volume de produção e meta térmica.

Algumas interfaces de bateria requerem transferência térmica e fixação mecânica.

Adesivos termicamente condutivos podem fornecer uma ligação permanente enquanto conduzem calor para longe do componente.

Eles podem ser considerados para:

• Fixação permanente de componentes

• Interfaces térmicas estruturais

• Aplicações relacionadas a barramentos

• Fixação de dissipadores de calor

• Componentes onde fixadores mecânicos são indesejáveis

Fitas termicamente condutivas podem fornecer um método de montagem mais simples para componentes mais leves.

No entanto, adesivos e fitas são geralmente menos convenientes para reparo do que pastilhas térmicas. Portanto, eles devem ser selecionados quando a natureza permanente da junta for aceitável.

Nem todos os problemas térmicos são causados por transferência de calor vertical deficiente.

Células prismáticas grandes e conjuntos de células em bolsa também podem experimentar gradientes de temperatura em sua superfície.

Nessas situações, materiais de dissipação de calor podem distribuir o calor lateralmente antes que ele atinja a interface de resfriamento principal.

Materiais à base de grafite e grafeno são exemplos de materiais térmicos anisotrópicos que podem fornecer alta condutividade térmica no plano.

Dependendo da arquitetura do material, dissipadores de calor à base de grafite podem atingir valores muito altos de condutividade no plano, em alguns produtos comerciais excedendo1.000 W/m·K.

Esses materiais são geralmente usados como parte de uma pilha térmica, em vez de um substituto direto para o TIM primário.

Uma estrutura simplificada pode ser:

Célula → Dissipador de Calor → TIM → Placa Fria

O dissipador de calor ajuda a reduzir a concentração de temperatura local, enquanto o TIM fornece o contato térmico com a estrutura de resfriamento.

Materiais de mudança de fase (PCMs) absorvem calor enquanto passam por uma transição de fase.

Isso os torna úteis para aplicações onde a carga térmica contém picos de curta duração.

Por exemplo, uma bateria pode experimentar um aumento temporário na geração de calor durante:

• Carregamento rápido

• Aceleração de alta potência

• Frenagem regenerativa

• Descarga de alta corrente

Um PCM pode absorver parte desse calor transiente e reduzir a taxa de aumento de temperatura.

No entanto, o PCM não deve ser considerado um substituto para um sistema de resfriamento ativo.

O material tem uma capacidade de calor latente finita. Uma vez que a capacidade de mudança de fase disponível se esgota, o PCM não pode mais fornecer o mesmo efeito de amortecimento.

Portanto, o PCM é mais eficaz quando integrado a um sistema de rejeição de calor apropriado.

A literatura de revisão de 2024 sobre gerenciamento térmico de baterias de veículos elétricos identifica abordagens baseadas em PCM como uma das importantes tecnologias de gerenciamento térmico passivo ou híbrido.

Enquanto algumas partes do pacote de bateria precisam transferir calor eficientemente, outras áreas precisam fazer exatamente o oposto.

Entre as células, os materiais podem ser necessários para retardar a propagação térmica e fornecer isolamento elétrico.

Tecnologias comuns de materiais incluem:

Cobertores à base de aerogel podem fornecer condutividade térmica muito baixa em uma estrutura fina.

Sua principal vantagem é a eficiência do isolamento térmico.

No entanto, proteção mecânica pode ser necessária, pois algumas estruturas de aerogel podem ser sensíveis à compressão, abrasão e manuseio.

A espuma de silicone fornece uma combinação de:

• Isolamento térmico

• Amortecimento

• Recuperação de compressão

• Resistência ambiental

• Isolamento elétrico

• Opções retardantes de chama

Por exemplo, a família Z-FOAM800 da ZIITEK inclui graus com condutividade térmica em torno de0,06 W/m·K, classificações UL 94 V-0 e capacidades de temperatura que se estendem a aproximadamente 200 °C, dependendo do grau específico.

Folhas de mica e cerâmica podem fornecer isolamento elétrico e proteção contra altas temperaturas.

Elas são frequentemente consideradas para aplicações onde o material deve suportar exposição térmica severa ou fornecer uma barreira física entre os componentes da bateria.

O material apropriado depende da arquitetura da bateria, do cenário de evento térmico e dos requisitos de segurança aplicáveis.

O isolamento térmico por si só não pode prevenir todos os eventos de segurança da bateria.

Uma estratégia completa de mitigação de fuga térmica pode envolver:

• Controles do sistema de gerenciamento de bateria

• Monitoramento de células

• Isolamento térmico

• Barreiras resistentes ao fogo

• Estruturas de ventilação

• Projeto do invólucro mecânico

• Sistemas de resfriamento

• Materiais retardantes de chama

Padrões e métodos de teste comoUL 2596podem ser usados para avaliar o desempenho térmico e mecânico dos materiais do invólucro da bateria sob condições representativas de fuga térmica.

Importante, os resultados de testes em nível de material não devem ser interpretados como garantias diretas de segurança da bateria em nível de sistema. O desempenho real depende do material, geometria, espessura, projeto da célula e configuração de uso final.

O gerenciamento térmico da bateria está intimamente ligado à proteção ambiental.

Um invólucro de bateria deve proteger os componentes internos contra água, poeira, umidade, vibração e ciclos de temperatura.

O material de vedação, portanto, precisa manter a força de compressão e vedação durante toda a vida útil exigida.

Especificações importantes incluem:

• Conjunto de compressão

• Absorção de água

• Faixa de temperatura

• Retardância à chama

• Propriedades de tração e rasgo

• Resistência dielétrica

• Resistência ambiental

• Tolerância de corte

Para aplicações que exigem retardância à chama,UL 94 V-0pode ser especificado dependendo do OEM e dos requisitos do sistema. A UL descreve as classificações UL 94 V como classificações de inflamabilidade de materiais com base em condições de teste definidas.

Requisitos de proteção contra ingresso comoIP67 ou IP68também podem ser aplicados dependendo do invólucro da bateria e da especificação do OEM.

A espuma de silicone pode combinar funções de vedação, amortecimento e isolamento em um único material.

A série Z-FOAM800 da ZIITEK, por exemplo, inclui graus projetados para vedação de invólucros de bateria e proteção térmica. As especificações disponíveis incluem baixo conjunto de compressão, retardância à chama UL 94 V-0 e ampla resistência à temperatura, com valores exatos dependendo do grau.

Para aplicações em baterias, os engenheiros devem avaliar o projeto completo de vedação em vez de selecionar um material de gaxeta com base apenas no conjunto de compressão.

O material, a geometria da ranhura, a taxa de compressão, as tolerâncias e a exposição ambiental afetam o desempenho de vedação a longo prazo.

O gerenciamento térmico da bateria não se trata apenas de remover calor.

Em ambientes de baixa temperatura, a bateria também pode precisar ser aquecida antes ou durante o carregamento.

Baixas temperaturas podem reduzir a potência disponível e o desempenho de carregamento. Carregar células de íon-lítio em temperaturas suficientemente baixas também pode aumentar o risco de deposição de lítio, dependendo da química da célula e das condições de carregamento.

Elementos de aquecimento flexíveis podem, portanto, ser integrados em pacotes de bateria para elevar a temperatura das células a uma faixa operacional apropriada.

Tecnologias comuns incluem:

Aquecedores de poliimida oferecem:

• Construção fina

• Baixo peso

• Alta flexibilidade

• Padrões de aquecimento personalizados

• Boa resistência à temperatura

Aquecedores de borracha de silicone oferecem:

• Construção flexível

• Boa resistência ambiental

• Durabilidade mecânica

• Zonas de aquecimento personalizadas

• Compatibilidade com estruturas de pacotes de bateria

As soluções de aquecimento Kheat da ZIITEK incluem tecnologias de aquecimento à base de poliimida e silicone, com designs personalizados capazes de aproximadamente1–2 W/cm² de densidade de potência, dependendo do projeto e da aplicação.

Sistemas de aquecimento devem ser projetados em conjunto com sensores de temperatura e algoritmos de controle para evitar gradientes de excessivos de temperatura ou superaquecimento.

Arquiteturas célula-a-pacote (CTP) reduzem ou eliminam algumas estruturas de módulo tradicionais.

A IDTechEx relatou que os projetos CTP podem reduzir substancialmente a quantidade de TIM utilizada, pois a arquitetura remove algumas das interfaces associadas a módulos convencionais.

No entanto, reduzir o número de camadas de TIM não elimina a necessidade de engenharia de interface cuidadosa.

Em alguns projetos CTP, a interface célula-placa fria restante se torna ainda mais importante.

Os engenheiros podem precisar gerenciar:

• Áreas de interface maiores

• Maior variação dimensional

• Expansão da célula

• Requisitos de compressão

• Estabilidade mecânica a longo prazo

• Impedância térmica

• Aplicação automatizada

Como resultado, a tendência para menos materiais pode, na verdade, aumentar os requisitos de desempenho impostos aos materiais restantes.

A seleção de materiais deve começar com a arquitetura térmica, em vez de um catálogo de produtos.

Um processo de seleção prático inclui as seguintes etapas.

Identifique cada interface entre a célula geradora de calor e o meio de resfriamento.

Por exemplo:

Célula → TIM → Placa Fria → Refrigerante

Em seguida, identifique outras áreas onde o calor deve ser bloqueado, dissipado, vedado ou gerado ativamente.

Determine:

• Temperatura máxima permitida da célula

• Diferença máxima de temperatura entre as células

• Taxa de geração de calor

• Resistência térmica alvo

• Área da interface

• Faixa de temperatura esperada

Não use a condutividade térmica como único critério de seleção.

Meça:

• Lacuna mínima

• Lacuna máxima

• Planicidade

• Rugosidade da superfície

• Tolerância do componente

• Faixa de compressão

Essas informações determinam se uma pastilha térmica, preenchedor de lacunas, adesivo ou outra tecnologia de interface é apropriada.

Considere:

• Força de compressão

• Conjunto de compressão

• Expansão da célula

• Vibração

• Choque

• Movimento de cisalhamento

• Relaxamento de estresse a longo prazo

Um TIM deve permanecer funcional durante toda a vida mecânica do pacote de bateria.

Dependendo de sua localização, o material pode precisar de:

• Isolamento elétrico

• Resistência dielétrica

• Retardância à chama

• Baixa fumaça

• Baixo desprendimento de gás

• Conformidade RoHS

• Conformidade REACH

As classificações em nível de material devem sempre ser verificadas em relação aos requisitos reais do OEM e do sistema.

Um material tecnicamente excelente ainda pode ser inadequado se não puder ser fabricado eficientemente.

Avalie:

• Capacidade de corte

• Velocidade de dispensação

• Requisitos de mistura

• Tempo de cura

• Compatibilidade com automação

• Utilização de material

• Requisitos de reparo

• Vida útil

Para produção de baterias de veículos elétricos de alto volume, a compatibilidade do processo de fabricação pode ter um grande impacto no custo total.

Finalmente, teste o material na pilha real da bateria.

Avaliações relevantes podem incluir:

• Ciclos térmicos

• Vibração

• Envelhecimento por compressão

• Envelhecimento por umidade

• Impedância térmica

• Adesão

• Conjunto de compressão

• Isolamento elétrico

• Testes relacionados a fogo e propagação

Para materiais de interface térmica, a ASTM D5470 é um método comumente usado para medir as propriedades de transmissão térmica de materiais de isolamento elétrico termicamente condutivos.

As condições de teste — incluindo pressão, espessura e configuração de teste — devem sempre ser relatadas, pois a impedância térmica é altamente dependente das condições reais da interface.

Antes de selecionar um material para um programa de bateria de veículo elétrico, vale a pena fazer várias perguntas práticas ao fornecedor.

Não confie apenas no valor W/m·K anunciado.

Peça:

• Método de teste

• Pressão

• Espessura da linha de adesão

• Temperatura

• Configuração da amostra

Peça curvas de compressão e desempenho em toda a faixa de lacuna real.

Para preenchedores de lacunas, pergunte sobre:

• Equipamento de dispensação

• Razão de mistura

• Tempo de vida útil

• Perfil de cura

• Precisão de dispensação

Solicite dados para:

• Ciclos térmicos

• Envelhecimento em alta temperatura

• Umidade

• Conjunto de compressão

• Bombeamento ou migração

• Estabilidade de adesão

Projetos de bateria frequentemente exigem personalização de:

• Espessura

• Geometria

• Dureza

• Condutividade térmica

• Adesão

• Retardância à chama

• Isolamento elétrico

Um fornecedor capaz de suporte de formulação e conversão pode reduzir o tempo de desenvolvimento.

A arquitetura térmica de uma bateria de veículo elétrico raramente é resolvida com um único material.

Um pacote típico pode combinar:

Pastilhas Térmicas + Géis Térmicos + Isolamento + Barreiras contra Incêndio + Espumas de Vedação + Dissipadores de Calor + Filmes de Aquecimento

Cada material desempenha uma função diferente.

A ZIITEK, por exemplo, fornece materiais de interface térmica, materiais de vedação de espuma de silicone e soluções de aquecimento flexíveis para aplicações de veículos elétricos e novas energias. Seu portfólio atual de veículos elétricos inclui géis térmicos para interfaces célula-placa fria, pastilhas térmicas da série TIF, espuma de silicone Z-FOAM800 e soluções de aquecimento Kheat.

O valor de uma abordagem integrada de materiais não é simplesmente ter mais produtos. É a capacidade de avaliartoda a pilha térmica, mecânica, elétrica e ambientalcomo um sistema.

Não existe um TIM universalmente melhor. Pastilhas térmicas são frequentemente adequadas para lacunas controladas e montagem simples, enquanto preenchedores de lacunas térmicas dispensados são vantajosos para lacunas variáveis e geometrias complexas. A escolha correta depende da impedância térmica, lacuna, compressão, isolamento elétrico, processo de fabricação e requisitos de confiabilidade.

Não necessariamente. Pacotes de baterias resfriados a líquido requerem uma interface térmica controlada entre os componentes geradores de calor e a estrutura de resfriamento, mas essa interface pode ser uma pastilha térmica, gel térmico, preenchedor de lacunas, adesivo ou outra tecnologia TIM.

Uma pastilha térmica é um material de interface sólido pré-curado, enquanto um gel térmico ou preenchedor de lacunas é dispensado em forma líquida ou de gel e se conforma à geometria real da interface. Pastilhas são geralmente mais fáceis de manusear, enquanto géis podem fornecer melhor conformidade para lacunas variáveis ou maiores.

Materiais de isolamento podem reduzir a transferência de calor lateral e ajudar a retardar a propagação térmica entre células adjacentes. Dependendo da aplicação, materiais como espuma de silicone, aerogel, mica e folhas de cerâmica podem ser considerados.

Geralmente, não. PCM pode absorver uma quantidade finita de calor durante uma transição de fase e, portanto, amortecer picos térmicos de curta duração. Ele não remove calor continuamente e normalmente precisa trabalhar com um mecanismo de rejeição de calor apropriado.

Filmes de aquecimento fornecem calor controlado durante a operação em baixa temperatura. Eles podem ajudar a trazer as células para uma temperatura apropriada antes ou durante o carregamento, especialmente em climas frios.

Não há uma meta W/m·K universal. O desempenho térmico depende da condutividade térmica, espessura, resistência de contato, pressão, geometria da interface e o caminho térmico total. A impedância térmica sob condições de montagem realistas é frequentemente mais útil do que a condutividade isoladamente.

Parâmetros importantes incluem conjunto de compressão, faixa de temperatura, absorção de água, retardância à chama, propriedades dielétricas, resistência ambiental e o projeto real de compressão do invólucro. Requisitos de IP devem ser avaliados em nível de sistema.

Alguns fornecedores de materiais oferecem múltiplas tecnologias — incluindo pastilhas térmicas, géis térmicos, espumas de silicone, dissipadores de calor e filmes de aquecimento — o que pode simplificar a qualificação de materiais e a integração do sistema. No entanto, cada material ainda precisa ser validado contra o projeto específico da bateria e os requisitos do OEM.

O gerenciamento térmico de baterias de veículos elétricos está se tornando cada vez maisum desafio de engenharia de materiais tanto quanto um desafio de sistema de resfriamento.

A arquitetura de resfriamento determina para onde o calor pode ir. Os materiais determinam a eficiência com que o calor chega a esse destino — e onde o calor deve, em vez disso, ser bloqueado, dissipado, vedado ou gerado.

Para um pacote de bateria de veículo elétrico moderno, o gerenciamento térmico eficaz pode exigir uma combinação coordenada de:

Materiais de Interface Térmica

• Materiais de Dissipação de Calor

• Isolamento Térmico

• Barreiras contra Incêndio

• Materiais de Vedação

• Filmes de Aquecimento

A estratégia de seleção de materiais mais confiável, portanto, não é procurar um único material térmico "melhor". Em vez disso, os engenheiros devem mapear o caminho térmico completo da bateria, definir os requisitos de cada zona, avaliar o desempenho térmico e mecânico em condições realistas e validar a montagem completa antes da produção.

À medida que as arquiteturas de bateria evoluem para célula-a-pacote, maior densidade de energia e carregamento mais rápido, a importância dessa abordagem integrada de materiais só continuará a crescer.