Punti chiave
- Il thermal management è fondamentale per garantire la sicurezza, la durata e le prestazioni delle batterie elettriche in tutti i settori, dall’automotive agli accumulatori stazionari.
- La conducibilità termica è il parametro principale nella progettazione: regola il trasferimento di calore e influisce su involucro, BMS e powertrain.
- Le tecnologie di dissipazione del calore, convezione naturale, raffreddamento ad aria forzata e raffreddamento a liquido, permettono di controllare temperatura e prestazioni.
- Paste e resine termoconduttive come Dowsil™ TC-4535, Dowsil™ TC-4025 e Sylgard™ 3002 UL94 V0 migliorano l’efficienza del sistema e la protezione elettronica.
- I test dimostrano che l’uso di materiali Sylgard™ previene la propagazione del thermal runaway, arrestando la fiamma in meno di 15 secondi.
- La collaborazione Mascherpa con il PoliMi Motorcycle Factory conferma l’importanza del thermal management anche nella progettazione dei prototipi di moto elettriche.
Il mercato delle batterie esiste da molti anni ed è suddiviso in diverse applicazioni:
- utensili elettrici;
- accumulatori stazionari;
- macchinari pesanti;
- veicoli elettrici.
A seconda degli obiettivi di sviluppo, il thermal management assume ruoli differenti, infatti può riguardare:
- gli elementi interni;
- gli involucri delle batterie;
- l’integrazione al telaio;
- la resistenza agli urti;
- la maggiore durata delle celle;
- la sicurezza complessiva del sistema.
Ogni obiettivo porta con sé specifiche sfide progettuali. Oltre alla ben nota “ansia d’autonomia”, il ciclo di vita e le prestazioni delle batterie elettriche dipendono da parametri come raffreddamento, ricarica veloce e invecchiamento delle celle.
Il punto d’incontro in tutti questi casi è la gestione termica della batteria (thermal management), elemento chiave per prestazioni, sicurezza e durata nel tempo.
Indice
- Conducibilità termica nei sistemi di thermal management
- Impatto della temperatura sulle prestazioni
- Tecnologie di dissipazione del calore
- Paste termoconduttive per il thermal management
- Resine termoconduttive e potting
- Thermal runaway: il rischio da controllare
- Test sull’efficienza dei prodotti SylgardTM
- Collaborazione con il PoliMi Motorcycle Factory
- L’importanza del thermal management
Conducibilità termica nei sistemi di thermal management
Uno dei parametri fondamentali nella progettazione dei sistemi di thermal management battery è la conducibilità termica, cioè la quantità di calore trasferita tra materiali diversi, misurata in Watt.
Il coefficiente di trasferimento del calore è misurato in maniera parametrica in Watt metro kelvin (W/m·K) e rappresenta il parametro che influenza ogni aspetto del design di una batteria: dall’involucro al BMS (Battery Management System), dal powertrain alla progettazione complessiva del pacco batterie.
Durante le fasi di carica e scarica, il calore si diffonde all’interno del sistema e deve essere correttamente gestito per evitare surriscaldamento della batteria.
Questo punto è particolarmente critico quando si punta a ricariche ultraveloci o a prestazioni elevate, poiché la generazione di calore aumenta in modo significativo.
Impatto della temperatura sulle prestazioni
Le prestazioni delle batterie per l’e-mobility sono strettamente legate alle condizioni operative.
- A basse temperature, le celle non riescono a caricarsi fino al 100%.
- A temperature elevate (oltre i 100 °C), i materiali interni iniziano a degradarsi, riducendo la capacità e la vita utile della batteria.
Il controllo della temperatura diventa quindi un elemento essenziale del thermal management: mantenere le batterie nel giusto intervallo termico significa assicurare performance costanti e sicurezza nel tempo.
Tecnologie di dissipazione del calore
Per una corretta dissipazione di calore, esistono tre principali approcci ingegneristici, scelti in base alla quantità di energia termica da smaltire:
- Convenzione naturale
- Raffreddamento ad aria forzata
- Raffreddamento liquido
Convezione naturale
La convenzione naturale viene utilizzata quando il calore da dissipare è molto basso, questa tecnologia sfrutta il movimento spontaneo dell’aria o di altri fluidi per distribuire la temperatura.
Raffreddamento ad aria forzata
Quando il calore da dissipare è inferiore a circa 800 W, si utilizza un raffreddamento ad aria forzata, in cui ventilatori o flussi d’aria guidati aumentano l’efficienza dello scambio termico.
In questi sistemi, il calore passa dalla batteria a un evaporatore o a una piastra di raffreddamento (cooling plate).
Raffreddamento a liquido
Per valori superiori a 1 kW, si ricorre al raffreddamento a liquido, analogo a quello di un radiatore automobilistico.
Il fluido termovettore scorre attraverso canali o piastre a contatto con il modulo batteria, garantendo un’elevata conducibilità termica e una gestione efficiente anche in condizioni di carico estremo.
Paste termoconduttive per il thermal management
Che si tratti di una piastra di raffreddamento o di uno scambiatore di calore, l’aggiunta di paste termoconduttive dedicate consente di migliorare la trasmissione del calore e ridurre la resistenza termica di contatto tra le superfici.
Due esempi significativi di prodotti utilizzati nel settore e-mobility sono:
- Dowsil™ TC-4535: conductive gap filler ad alta efficienza;
- Dowsil™ TC-4025: pad termico dispensabile ideale per applicazioni ad alta densità.
Questi materiali rappresentano soluzioni affidabili e collaudate nella protezione elettronica e nella gestione termica delle batterie.
Resine termoconduttive e potting
Un’altra tecnologia di grande efficacia è il potting, ovvero l’immersione delle celle in una resina termoconduttiva.
Questa tecnica consente di uniformare la temperatura interna del modulo, migliorare l’isolamento elettrico e ridurre il rischio di surriscaldamento batteria anche in condizioni di stress termico elevato.
Un esempio concreto è il Sylgard™ 3002, una resina siliconica bicomponente con classificazione UL94 V0. Grazie a queste proprietà la resina Sylgard™ 3002 trova applicazione nei moduli di accumulo, nei sistemi di thermal management battery e in tutte le soluzioni dove la protezione elettronica e la resistenza al fuoco sono requisiti critici.
Cosa significa la sigla UL94 V0
La sigla UL94 V0 identifica la massima classe di autoestinguenza prevista dalla normativa UL 94, lo standard internazionale per la valutazione del comportamento alla fiamma dei materiali plastici.
Un materiale certificato UL94 V0 è in grado di interrompere autonomamente la combustione entro 10 secondi dall’innesco e di non generare gocce incandescenti: caratteristiche fondamentali per garantire la sicurezza dei sistemi di batterie elettriche e di altri componenti nel settore e-mobility.
Thermal runaway: il rischio da controllare
Il fenomeno del thermal runaway rappresenta una delle principali criticità nella progettazione delle batterie per veicoli elettrici.
Sebbene diventi incontrollabile intorno ai 300 °C, il processo di degradazione dei componenti può iniziare già a circa 100 °C, innescando una reazione esotermica e la cosiddetta fase di venting, in cui gas tossici e infiammabili si propagano all’interno della cella danneggiata.
Quando la reazione diventa irreversibile, le temperature possono raggiungere valori compresi tra 700 °C e 1000 °C, con conseguenze devastanti per l’intero sistema.
Attualmente, la normativa più nota in materia è la UN H GTR 2, che stabilisce un intervallo minimo di 5 minuti tra l’avviso di thermal runaway e la fuga sicura dei passeggeri dall’abitacolo.
Test sull’efficienza dei prodotti Sylgard™
Un test condotto da Dow in collaborazione con Mascherpa ha dimostrato in modo concreto l’efficacia delle soluzioni di protezione elettronica basate su materiali siliconici.
In un piccolo involucro di batteria sottoposto a thermal runaway, la versione standard ha mostrato propagazione della fiamma, mentre la stessa configurazione impregnata con Sylgard™ ha impedito la diffusione termica.
La fiamma si è arrestata in meno di 15 secondi, superando ampiamente i requisiti della UN H GTR 2.
Collaborazione Next con il PoliMi Motorcycle Factory
Il tema del thermal management è centrale anche nella collaborazione tra Mascherpa e il PoliMi Motorcycle Factory, il team del Politecnico di Milano che progetta e realizza prototipi da corsa a combustione interna ed elettrici.
Nella costruzione dei prototipi elettrici, la gestione termica delle batterie gioca un ruolo cruciale per garantire sicurezza, prestazioni costanti e affidabilità durante le competizioni.
Grazie al supporto tecnico e ai materiali forniti da Mascherpa, tra cui paste termoconduttive, resine siliconiche e soluzioni per la protezione elettronica, i progetti del team PoliMi Motorcycle Factory rappresentano un esempio concreto di come le tecnologie di thermal management EV possano essere applicate con successo anche nel motorsport universitario.
L’importanza del thermal management
Nel campo delle batterie elettriche e dell’e-mobility, il thermal management rappresenta un pilastro essenziale per sicurezza e affidabilità.
Ogni sistema energetico richiede un modello di gestione termica calibrato sulle proprie specifiche esigenze: materiali, densità di potenza, architettura del modulo e requisiti normativi.
Le soluzioni oggi disponibili, come paste termoconduttive, resine termoconduttive e potting, consentono di ottimizzare la dissipazione di calore, ridurre il surriscaldamento delle batterie e migliorare la sicurezza contro il thermal runaway.
Tutte queste tecnologie sono parte del portafoglio Mascherpa e supportate da programmi tecnici sviluppati in collaborazione con Dow, DuPont e Huntsman.
Per maggiori informazioni riguardanti il thermal management e la protezione elettronica delle batterie contatta i nostri esperti Mascherpa o scarica la nostra guida tecnica dedicata.
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