Γιατί τα συνηθισμένα μονωτικά υλικά αποτυγχάνουν κατά τη διάρκεια της θερμικής διαφυγής μπαταριών EV;

Η συνηθισμένη ηλεκτρική μόνωση μπορεί να μαλακώσει, να συρρικνωθεί, να καεί, να ανθρακωθεί, να σπάσει ή να χάσει τη διηλεκτρική ισχύ όταν εκτεθεί στον συνδυασμό ακραίας θερμότητας, φλόγας, καυτών σωματιδίων, πίεσης και αερίων που παράγονται κατά τη διάρκεια της θερμικής διαρροής της μπαταρίας.

Η σωστή λύση είναι η χρήση θερμοδιαφυγής φραγμάτων ειδικά σχεδιασμένων για μόνωση υψηλής θερμοκρασίας, χαμηλή μεταφορά θερμότητας, αντίσταση στη φλόγα, διηλεκτρική σταθερότητα και μηχανική ακεραιότητα υπό συνθήκες κατάχρησης. Ένα υλικό που αποδίδει καλά σε κανονική θερμοκρασία λειτουργίας μπαταρίας δεν είναι αυτόματα κατάλληλο για ένα συμβάν θερμικής φυγής.

Γιατί το Thermal Runaway διαφέρει από την κανονική θέρμανση της μπαταρίας;

Η κανονική μόνωση μπορεί να επιβιώσει για μακροχρόνια λειτουργία σε υψηλές θερμοκρασίες, αλλά αποτυγχάνει γρήγορα όταν η θερμική διαφυγή προσθέτει άμεση φλόγα, πίεση, θερμά σωματίδια και συγκεντρωμένη ροή θερμότητας.

Η λύση είναι η αξιολόγηση της μόνωσης έναντι συνθηκών κατάχρησης και όχι μόνο οι βαθμολογίες θερμοκρασίας συνεχούς χρήσης. Η UL Solutions σημειώνει ότι η θερμική διαφυγή μπαταρίας μπορεί να παράγει φλόγα σαν πίδακα, εκτοξευόμενα σωματίδια, υψηλή θερμοκρασία και πίεση στο εσωτερικό του περιβλήματος, πράγμα που σημαίνει ότι το προστατευτικό υλικό πρέπει να αντέχει σε πολλούς μηχανισμούς ταυτόχρονης αστοχίας.^[1]

Αυτή η διάκριση είναι κρίσιμη. Ένα υλικό που έχει χαρακτηριστεί για κανονική ηλεκτρική μόνωση στους 105°C, 125°C ή ακόμα υψηλότερα μπορεί να χάσει τη δομή ή τη διηλεκτρική απόδοση όταν εκτίθεται σε άμεσες θερμικές συνθήκες διαφυγής.

Γιατί η συνηθισμένη μόνωση πολυμερών μπορεί να μαλακώσει ή να καταρρεύσει;

Πολλές συνηθισμένες μεμβράνες και αφροί πολυμερούς έχουν σχεδιαστεί για ηλεκτρική μόνωση, απορρόφηση ή σφράγιση —όχι άμεση έκθεση σε έντονη θερμική θερμότητα— έτσι μπορεί να μαλακώσουν, να συρρικνωθούν, να λιώσουν ή να παραμορφωθούν μόνιμα.

Η σωστή λύση είναι να επιλέξετε υλικά των οποίων η θερμική σταθερότητα παραμένει επαρκής κάτω από την πραγματική θερμοκρασία κατάχρησης και τη διάρκεια έκθεσης. Η μαρμαρυγία υψηλής θερμοκρασίας, οι φραγμοί με βάση τα κεραμικά, τα συστήματα αερογέλης και τα ειδικά διαμορφωμένα υλικά σιλικόνης λαμβάνονται υπόψη συνήθως όταν η συνηθισμένη μόνωση δεν μπορεί να διατηρήσει τη λειτουργία της.

Η επιλογή υλικού πρέπει να κάνει διάκριση μεταξύ της αντίστασης στη θερμοκρασία λειτουργίας και της αντίστασης θερμικής διαρροής . Δεν είναι οι ίδιες προδιαγραφές.

Γιατί το UL 94 V-0 μόνο του δεν αρκεί;

Ένα υλικό μπορεί να επιτύχει UL 94 V-0 και εξακολουθεί να παρέχει ανεπαρκή προστασία έναντι της θερμικής διάδοσης από κύτταρο σε κύτταρο, επειδή μια ταξινόμηση μικρής κλίμακας φλόγας δεν αντιπροσωπεύει το πλήρες συμβάν θερμικής διαφυγής.

Η λύση είναι να αντιμετωπιστεί η βαθμολογία φλόγας ως μία μόνο ιδιότητα υλικού και να επικυρωθεί ξεχωριστά η θερμική μόνωση, η αντίσταση στη ροή θερμότητας, η μηχανική συγκράτηση, η έκθεση σε αέριο εξαερισμού και η απόδοση διάδοσης σε επίπεδο συστήματος. Ο Rogers σημειώνει συγκεκριμένα ότι από τη στιγμή που μια κυψέλη εισέλθει σε θερμική διαφυγή, ένας αφρός V-0 δεν σταματά την απελευθέρωση ενέργειας από μόνος του. Η αρχιτεκτονική του πακέτου και τα θερμικά εμπόδια παραμένουν κρίσιμα.^[2]

Αυτό είναι ένα από τα πιο συνηθισμένα λάθη προδιαγραφών σε υλικά μπαταρίας: 'V-0' δεν σημαίνει 'θερμική αντοχή'.

Ποιες λειτουργίες αποτυχίας πρέπει να επιβιώσουν από τη μόνωση μπαταρίας;

Εάν ένας μηχανικός αξιολογεί μόνο την αντίσταση στη φλόγα, η μόνωση μπορεί να εξακολουθήσει να αποτυγχάνει από διάβρωση, πίεση, θερμά σωματίδια, διηλεκτρική διάσπαση, απώλεια συμπίεσης ή μεταφορά θερμότητας στο παρακείμενο στοιχείο.

Η σωστή λύση είναι να ελέγξετε το περιβάλλον πλήρους αστοχίας πριν επιλέξετε το υλικό φραγμού. Η αξιολόγηση του περιβλήματος της μπαταρίας της UL συνδυάζει συγκεκριμένα υψηλή θερμοκρασία, πίεση και εκτοξευόμενα σωματίδια, επειδή η θερμική διαφυγή είναι ένα γεγονός πολλαπλών φυσικών και όχι μια απλή δοκιμή φλόγας.^[1]

Γιατί έχει σημασία η χαμηλή θερμική αγωγιμότητα;

Ένα υλικό μπορεί να παραμείνει φυσικά άθικτο, αλλά εξακολουθεί να αποτυγχάνει ως θερμικό φράγμα εάν η θερμότητα περάσει μέσα από αυτό αρκετά γρήγορα για να ενεργοποιήσει το γειτονικό στοιχείο.

Η λύση είναι ο έλεγχος τόσο της επιβίωσης του υλικού όσο και της μεταφοράς θερμότητας μέσω του φραγμού. Η UL Prospector σημειώνει ότι τα αεροτζέλες, οι κεραμικές κουβέρτες και οι αφροί ενθυλάκωσης μπορούν να έχουν καλή απόδοση σε χαμηλή θερμική αγωγιμότητα και πυκνότητα, ενώ η μαρμαρυγία παρέχει ισχυρή ηλεκτρική μόνωση αλλά μπορεί να απαιτεί μεγαλύτερο πάχος για επαρκή πυροπροστασία.^[3]

Επομένως, ο σημαντικός στόχος σχεδιασμού δεν είναι απλώς 'καίγεται το υλικό;' αλλά επίσης 'πόση θερμότητα φτάνει στην προστατευμένη πλευρά και πόσο γρήγορα;'

Γιατί οι λεπτές πλαστικές μεμβράνες μπορεί να είναι ανεπαρκείς;

Οι λεπτές πολυμερείς μεμβράνες μπορούν να παρέχουν εξαιρετικό διηλεκτρικό διαχωρισμό κατά τη διάρκεια της κανονικής λειτουργίας, αλλά περιέχουν πολύ μικρή θερμική μάζα ή πάχος για να αντιστέκονται στη διαρκή μεταφορά θερμότητας κατά τη διάρκεια της θερμικής διαφυγής.

Η σωστή λύση είναι να χρησιμοποιείτε λεπτές μεμβράνες κυρίως για ηλεκτρική μόνωση όπου χρειάζεται και να προσθέτετε ένα ειδικό θερμικό φράγμα όταν το απαιτεί ο κίνδυνος θερμικής διάδοσης. Μια πολυστρωματική δομή μπορεί να διαχωρίσει τις λειτουργίες της ηλεκτρικής μόνωσης, της θερμομόνωσης, της μηχανικής προστασίας και της πρόσφυσης.

Η προσπάθεια να κάνει μια λεπτή ηλεκτρική μεμβράνη να εκτελεί και τις τέσσερις λειτουργίες συνήθως επιβάλλει απαράδεκτους συμβιβασμούς.

Γιατί ο συνηθισμένος αφρός μπορεί να είναι ανεπαρκής;

Ο συμβατικός αφρός μπορεί να έχει καλή απόδοση ως επίθεμα συμπίεσης, σφράγιση ή απορροφητής κραδασμών, αλλά χάνει την αντοχή ή την απόδοση μόνωσης όταν εκτίθεται απευθείας σε θερμική διαφυγή.

Η λύση είναι η χρήση αφρού ειδικά σχεδιασμένου και επικυρωμένου για θερμική διάδοση όταν το εξάρτημα πρέπει να παρέχει τόσο συμπίεση όσο και πυροπροστασία. Τα υλικά τείχους προστασίας ProCell EV της Rogers είναι παραδείγματα ελαστομερών συστημάτων σιλικόνης που έχουν αναπτυχθεί ειδικά για να συνδυάζουν τη λειτουργικότητα συμπίεσης της μπαταρίας με προστασία από τη θερμική διάδοση.^[4]

Αυτό απεικονίζει έναν σημαντικό κανόνα: ο συνηθισμένος αφρός σιλικόνης και τα φράγματα σιλικόνης με βαθμολογία θερμικής διαφυγής δεν πρέπει να αντιμετωπίζονται αυτόματα ως η ίδια κατηγορία υλικού.

Γιατί το Mica χρησιμοποιείται συνήθως για θερμική προστασία από τη φυγή;

Όπου η συνηθισμένη μόνωση πολυμερούς δεν μπορεί να διατηρήσει την ηλεκτρική μόνωση και τη δομή φραγμού σε υψηλή θερμοκρασία, η αστοχία μπορεί να εκθέσει κοντινές κυψέλες, ζυγούς ή εξαρτήματα συσκευασίας.

Η λύση είναι η χρήση μαρμαρυγίας όπου απαιτείται διηλεκτρική σταθερότητα σε υψηλή θερμοκρασία και άκαμπτη θερμική προστασία. Το Mica έχει ισχυρή ικανότητα ηλεκτρικής μόνωσης και χρησιμοποιείται ευρέως σε εφαρμογές θερμικής και πυροπροστασίας μπαταριών EV, αν και το απαιτούμενο πάχος και η κατασκευή εξακολουθούν να εξαρτώνται από τη συγκεκριμένη αρχιτεκτονική συσκευασίας.^[3]

Η μαρμαρυγία είναι ιδιαίτερα χρήσιμη για φράγματα κυψελών, τοιχώματα μονάδων, μόνωση ζυγών, προστασία καπακιού και άλλες θέσεις όπου η σταθερότητα του σχήματος και η ηλεκτρική μόνωση έχουν σημασία.

Πρέπει ένα υλικό να χειρίζεται ολόκληρο το πρόβλημα θερμικής διαφυγής;

Η αναμονή ενός μονωτικού φύλλου να παρέχει αντοχή στη φωτιά, εξαιρετικά χαμηλή μεταφορά θερμότητας, ανάκτηση συμπίεσης, σφράγιση, έλεγχο κραδασμών, διηλεκτρική μόνωση και δομική προστασία μπορεί να οδηγήσει σε ένα ακριβό υλικό που εξακολουθεί να αποτυγχάνει μίας κρίσιμης απαίτησης.

Η καλύτερη λύση είναι συχνά ένα πολυστρωματικό σύστημα στο οποίο κάθε υλικό εκτελεί τη λειτουργία που χειρίζεται καλύτερα. Για παράδειγμα, η μαρμαρυγία μπορεί να παρέχει διηλεκτρική προστασία υψηλής θερμοκρασίας, η αερογέλη μπορεί να μειώσει τη μεταφορά θερμότητας και ο εξειδικευμένος αφρός σιλικόνης μπορεί να παρέχει αντίσταση στη συμπίεση και στη θερμική διάδοση.

Ομοίως, η UL Prospector σημειώνει ότι συνδυασμοί υλικών μπορεί να είναι απαραίτητοι για την ικανοποίηση δομικών απαιτήσεων και απαιτητικών δοκιμών θερμικής διαφυγής.^[3]

Πώς πρέπει να επιλέγεται η θερμομόνωση διαφυγής;

Η επιλογή υλικού από μια βαθμολογία θερμοκρασίας φύλλου δεδομένων και μόνο μπορεί να δημιουργήσει λανθασμένη εμπιστοσύνη, επειδή η πραγματική κατάχρηση μπαταρίας περιλαμβάνει χρόνο, ροή θερμότητας, φλόγα, σωματίδια, πίεση, γεωμετρία και γειτονικά στοιχεία.

Η σωστή λύση είναι να επιλέξετε το υλικό από την πραγματική μορφή κυψέλης, τη θέση αστοχίας, τον απαιτούμενο χρόνο καθυστέρησης, τον στόχο θερμοκρασίας προστατευμένης πλευράς, την ηλεκτρική απαίτηση, το μηχανικό φορτίο, το διαθέσιμο πάχος και τις προδιαγραφές δοκιμής κατάχρησης. Στη συνέχεια, τα δείγματα υλικού θα πρέπει να επικυρωθούν σε αντιπροσωπευτικές συνελεύσεις.

Πληροφορίες μηχανικής που πρέπει να οριστούν πρώτα:

Χημεία και μορφή κυψέλης, θέση φραγμού, μέγιστο διαθέσιμο πάχος, απαίτηση διηλεκτρικού, αναμενόμενη κατεύθυνση εξαερισμού, στόχος θερμικής διάδοσης, απαίτηση συμπίεσης, θερμοκρασία λειτουργίας, κατασκευή κόλλας, μηχανική στερέωση και ισχύον πρότυπο δοκιμής κατάχρησης μπαταρίας.

Πώς πρέπει να επικυρώνεται η απόδοση του θερμικού φραγμού;

Ένα υλικό που περνάει από μια δοκιμή φλόγας μικρού κουπονιού μπορεί να αποτύχει στο εσωτερικό της πραγματικής μπαταρίας επειδή οι αρμοί, οι σύνδεσμοι, οι διαδρομές εξαερισμού, η συμπίεση και τα γειτονικά εξαρτήματα αλλάζουν τη διαδρομή ροής θερμότητας.

Η λύση είναι η επικύρωση της απόδοσης τόσο σε επίπεδο υλικού όσο και σε επίπεδο συστήματος υπό αντιπροσωπευτικές συνθήκες θερμικής διαφυγής. Το UL 2596 αξιολογεί τα υλικά του περιβλήματος των μπαταριών υπό θερμική και μηχανική έκθεση, ενώ οι απαιτήσεις ασφάλειας μπαταριών EV, όπως το ISO 6469-1 και ο κανονισμός UN No. 100, αφορούν την ασφάλεια του συστήματος επαναφορτιζόμενης αποθήκευσης ενέργειας σε επίπεδο οχήματος.^[1][5][6]

Η UNECE συνέχισε επίσης να εργάζεται για ισχυρότερες απαιτήσεις θερμικής διάδοσης για συστήματα μπαταριών ηλεκτρικών οχημάτων, ενισχύοντας ότι η προστασία από τη θερμική διαφυγή είναι ένα ζήτημα ασφάλειας σε επίπεδο συστήματος και όχι ένα πρόβλημα βαθμολογίας φλόγας ενός υλικού.^[6]

Θέλετε να επιλέξετε ένα θερμικό φράγμα για μια μπαταρία EV;

Για μια προκαταρκτική ανασκόπηση υλικού, προετοιμάστε τη θέση κυψέλης, μονάδας ή συσκευασίας, διαθέσιμο πάχος, στόχος θερμοκρασίας προστατευμένης πλευράς, απαίτηση διηλεκτρικού, απαίτηση συμπίεσης, χημεία κυψέλης, κατεύθυνση εξαερισμού, γεωμετρία CAD, απαίτηση κόλλας και εφαρμοστέο στόχο δοκιμής θερμικής διαφυγής.

Το σωστό φράγμα θα πρέπει να επιλέγεται από την πραγματική λειτουργία αποτυχίας—όχι απλώς από έναν αριθμό φλόγας ή θερμοκρασίας που είναι τυπωμένος σε ένα φύλλο δεδομένων.

FAQ

Μπορεί η κανονική ηλεκτρική μόνωση να επιβιώσει από τη θερμική διαφυγή μπαταρίας;

Όχι απαραίτητα. Η συνηθισμένη ηλεκτρική μόνωση μπορεί να λειτουργεί σε κανονικές θερμοκρασίες λειτουργίας αλλά να χάνει τη δύναμη, το σχήμα ή τη διηλεκτρική απόδοση κατά τη διάρκεια της ακραίας θερμικής έκθεσης.

Είναι το UL 94 V-0 αρκετό για ένα θερμικό φράγμα μπαταρίας EV;

Ο αριθμός V-0 υποδεικνύει συγκεκριμένη συμπεριφορά αναφλεξιμότητας σε μια τυποποιημένη δοκιμή, αλλά η προστασία από τη θερμική διαφυγή εξαρτάται επίσης από τη μεταφορά θερμότητας, το πάχος του υλικού, τον εξαερισμό, την κατασκευή φραγμού και την αρχιτεκτονική συσκευασίας.

Γιατί το Mica είναι καλύτερο από το συνηθισμένο πλαστικό για θερμικό δραπέτη;

Το Mica προσφέρει πολύ ισχυρότερη διηλεκτρική και δομική σταθερότητα σε υψηλή θερμοκρασία από πολλές συνηθισμένες πολυμερείς μεμβράνες, καθιστώντας το χρήσιμο για άκαμπτα θερμικά και ηλεκτρικά εμπόδια.

Μπορεί ο αφρός σιλικόνης να προστατεύσει από τη θερμική φυγή;

Τα ειδικά διαμορφωμένα και επικυρωμένα υλικά σιλικόνης μπορούν να παρέχουν προστασία από τη θερμική διάδοση, αλλά ο συνηθισμένος αφρός σιλικόνης δεν πρέπει αυτόματα να θεωρείται ότι παρέχει την ίδια απόδοση.

Ποιες ιδιότητες έχουν μεγαλύτερη σημασία σε ένα θερμικό φράγμα διαφυγής;

Σημαντικές ιδιότητες περιλαμβάνουν θερμική αντίσταση, αντοχή στη φλόγα, διηλεκτρική αντοχή, σταθερότητα σε υψηλές θερμοκρασίες, αντοχή στη διάβρωση, μηχανική ακεραιότητα, πάχος, πυκνότητα και συμβατότητα με τη δομή της μπαταρίας.

Είναι η υψηλότερη βαθμολογία θερμοκρασίας πάντα η καλύτερη επιλογή;

Όχι. Η απόδοση θερμικής διαφυγής εξαρτάται από τη ροή θερμότητας, τον χρόνο έκθεσης, τη γεωμετρία, το πάχος, την κατασκευή υλικού και το σχεδιασμό του συστήματος—όχι μόνο τη βαθμολογία θερμοκρασίας.

Προοπτική 15ετούς εξαρτήματος μπαταρίας αυτοκινήτου

Με βάση τα 15 χρόνια εμπειρίας κατασκευής εξαρτημάτων αυτοκινήτου και καλωδίων, δεν εγκρίνω ποτέ ένα μονωτικό υλικό μπαταρίας απλώς και μόνο επειδή είναι ηλεκτρικά μονωτικό, επιβραδυντικό φλόγας ή χαρακτηρίζεται για υψηλή συνεχή θερμοκρασία.

Η θερμική διαφυγή δημιουργεί ένα εντελώς διαφορετικό περιβάλλον αστοχίας: η έντονη θερμότητα, η φλόγα, η πίεση, τα θερμά σωματίδια, η ηλεκτρική καταπόνηση και ο χρόνος έκθεσης δρουν μαζί. Η αξιόπιστη λύση είναι να ορίσετε πρώτα την πραγματική διαδρομή αστοχίας και στη συνέχεια να επιλέξετε μαρμαρυγία, αερογέλη, κεραμικό υλικό, εξειδικευμένη σιλικόνη ή μια πολυστρωματική κατασκευή που μπορεί να προστατεύσει αυτήν ακριβώς τη θέση.

Έγκυρες Αναφορές

[1] UL Solutions — Θερμική αξιολόγηση περιβλήματος μπαταρίας και UL 2596

[2] Rogers Corporation — Όπου το UL 94 V-0 έχει σημασία στα σχέδια του πραγματικού κόσμου

[3] UL Prospector — Επιλογή υλικών πυροπροστασίας για μια μπαταρία EV

[4] Rogers Corporation — ProCell EV Firewall Thermal Propagation Protection

[5] ISO — ISO 6469-1:2019 Ηλεκτροκίνητα Οδικά Οχήματα, Επαναφορτιζόμενη Ασφάλεια Συστήματος Αποθήκευσης Ενέργειας

[6] UNECE — Κανονισμός του ΟΗΕ αριθ. 100 Αναθ