Miks tavalised isolatsioonimaterjalid elektrisõidukite aku termilise põgenemise ajal ebaõnnestuvad?

Tavaline elektriisolatsioon võib pehmeneda, kokku tõmbuda, põleda, söeneda, praguneda või kaotada dielektrilise tugevuse, kui see puutub kokku äärmusliku kuumuse, leegi, kuumade osakeste, rõhu ja aku termilise äravoolu käigus tekkivate gaaside kombinatsiooniga.

Õige lahendus on kasutada spetsiaalselt kõrge temperatuuriga isolatsiooni, madala soojusülekande, leegikindluse, dielektrilise stabiilsuse ja mehaanilise terviklikkuse jaoks mõeldud termilisi tõkkeid. Materjal, mis toimib hästi normaalsel aku töötemperatuuril, ei sobi automaatselt termiliselt jooksva sündmuse jaoks.

Miks termiline põgenemine erineb tavalisest aku soojendamisest?

Tavaline isolatsioon võib kesta pikaajalist töötamist kõrgel temperatuuril, kuid ebaõnnestub kiiresti, kui termiline põgenemine lisab otsese leegi, rõhu, kuumad osakesed ja kontsentreeritud soojusvoo.

Lahendus on hinnata isolatsiooni kuritarvitamise tingimuste suhtes, mitte ainult pideva kasutuse temperatuurireitingut. UL Solutions märgib, et aku termiline ärajooks võib tekitada ümbrise sees joalaadse leegi, väljapaiskuvaid osakesi, kõrget temperatuuri ja rõhku, mis tähendab, et kaitsematerjal peab vastu pidama mitmele samaaegsele rikkemehhanismile.^[1]

See eristus on kriitiline. Materjal, mis on ette nähtud normaalseks elektriisolatsiooniks 105 °C, 125 °C või isegi kõrgemal temperatuuril, võib siiski kaotada struktuuri või dielektrilise jõudluse, kui see puutub kokku otsese termilise löögiga.

Miks võib tavaline polümeerist isolatsioon pehmeneda või kokku kukkuda?

Paljud tavalised polümeerkiled ja -vahud on mõeldud elektriisolatsiooniks, polsterdamiseks või tihendamiseks – mitte otseseks kokkupuuteks tugeva termilise kuumusega –, nii et need võivad pehmeneda, kokku tõmbuda, sulada või jäädavalt deformeeruda.

Õige lahendus on valida materjalid, mille termiline stabiilsus jääb tegeliku kuritarvitamise temperatuuri ja kokkupuute kestuse korral piisavaks. Kõrge temperatuuriga vilgukivi, keraamikapõhised tõkked, aerogeelisüsteemid ja spetsiaalselt valmistatud silikoonmaterjalid võetakse tavaliselt arvesse, kui tavaline isolatsioon ei suuda oma funktsiooni säilitada.

Materjali valikul tuleb eristada töötemperatuuri ja termilist takistust . Need ei ole samad spetsifikatsioonid.

Miks ei piisa ainult UL 94 V-0-st?

Materjal võib saavutada UL 94 V-0 ja pakkuda siiski ebapiisavat kaitset elemendist rakku soojuslevi eest, kuna väikesemahuline leegi klassifikatsioon ei esinda täielikku termilist põgenemissündmust.

Lahenduseks on käsitleda leegi reitingut ainult ühe materjali omadusena ja eraldi valideerida soojusisolatsiooni, soojusvoo takistust, mehaanilist retentsiooni, ventilatsiooni-gaasi kokkupuudet ja süsteemi tasemel levikut. Rogers märgib konkreetselt, et kui rakk siseneb termiliselt põgenema, ei peata V-0 vaht iseenesest energia vabanemist; pakendi arhitektuur ja soojustõkked on endiselt kriitilised.^[2]

See on üks levinumaid spetsifikatsioonivigu akumaterjalide puhul: 'V-0' ei tähenda 'termilist põgenemiskindlust'.

Millised tõrkerežiimid peavad aku isolatsiooni vastu pidama?

Kui insener hindab ainult leegikindlust, võib isolatsioon ikkagi ebaõnnestuda erosiooni, rõhu, kuumade osakeste, dielektri purunemise, survekadu või soojusülekande tõttu naaberelemendile.

Õige lahendus on enne tõkkematerjali valimist sõeluda täielik rikkekeskkond. UL-i akuümbrise hindamine ühendab konkreetselt kõrge temperatuuri, rõhu ja paiskunud osakesed, kuna termiline põgenemine on pigem mitme füüsika sündmus kui lihtne leegikatse.^[1]

Miks on madal soojusjuhtivus oluline?

Materjal võib jääda füüsiliselt puutumatuks, kuid siiski ei toimi termilise barjäärina, kui soojus läbib seda piisavalt kiiresti, et käivitada naaberrakk.

Lahenduseks on kontrollida nii materjali vastupidavust kui ka soojusülekannet läbi tõkke. UL Prospector märgib, et aerogeelid, keraamilised tekid ja kapseldavad vahud toimivad hästi madala soojusjuhtivuse ja tihedusega, vilgukivi tagab aga tugeva elektriisolatsiooni, kuid piisava tulekaitse jaoks võib vaja minna rohkem paksust.^[3]

Seetõttu ei ole oluline projekteerimise eesmärk mitte lihtsalt 'kas materjal põleb?', vaid ka 'kui palju soojust kaitstud poolele jõuab ja kui kiiresti?'

Miks võib õhukestest plastkiledest ebapiisav olla?

Õhukesed polümeerkiled võivad normaalse töö ajal tagada suurepärase dielektrilise eraldumise, kuid sisaldavad väga vähe termilist massi või paksust, et hoida vastu püsivale soojusülekandele termilise äravoolu ajal.

Õige lahendus on kasutada õhukesi kilesid peamiselt elektriisolatsiooniks, kui see on asjakohane, ja lisada spetsiaalne soojustõke, kui termilise leviku oht seda nõuab. Mitmekihiline struktuur võib eraldada elektriisolatsiooni, soojusisolatsiooni, mehaanilise kaitse ja adhesiooni funktsioonid.

Püüdes panna üks õhuke elektrikile täitma kõiki nelja funktsiooni, sunnib tavaliselt tegema vastuvõetamatuid kompromisse.

Miks võib tavalisest vahust ebapiisav olla?

Tavaline vaht võib toimida hästi survepadja, tihendi või vibratsiooni summutajana, kuid kaotab tugevuse või isolatsiooniomadused, kui see puutub kokku otsese kuumusega.

Lahenduseks on kasutada spetsiaalselt termilise leviku jaoks loodud ja valideeritud vahtu, kui komponent peab tagama nii surve- kui ka tulekaitse. Rogersi ProCell EV tulemüüri materjalid on näited silikoon-elastomeersüsteemidest, mis on välja töötatud spetsiaalselt aku kokkusurumisfunktsiooni ja termilise leviku kaitse ühendamiseks.^[4]

See illustreerib olulist reeglit: tavalist silikoonvahtu ja termiliselt äravooluga silikoontõkkeid ei tohiks automaatselt käsitleda sama materjaliklassina.

Miks kasutatakse vilgukivi tavaliselt termilise põgenemise kaitseks?

Kui tavaline polümeerisolatsioon ei suuda kõrgel temperatuuril säilitada elektriisolatsiooni ja tõkkestruktuuri, võib rike paljastada läheduses olevad elemendid, siinid või paki komponendid.

Lahenduseks on vilgukivi kasutamine, kus on vajalik kõrge temperatuuriga dielektriline stabiilsus ja jäik termokaitse. Vilgukivi on tugeva elektriisolatsioonivõimega ning seda kasutatakse laialdaselt elektrisõidukite akude soojus- ja tulekaitserakendustes, kuigi nõutav paksus ja konstruktsioon sõltuvad siiski konkreetsest pakendi arhitektuurist.^[3]

Vilgukivi on eriti kasulik rakutõkete, mooduli seinte, siini isolatsiooni, pakikaane kaitse ja muude kohtade jaoks, kus kuju stabiilsus ja elektriisolatsioon on olulised.

Kas üks materjal peaks lahendama kogu termilise äravooluprobleemi?

Eeldatakse, et üks isolatsioonileht tagab tulekindluse, ülimadala soojusülekande, kokkusurumise taastamise, tihenduse, vibratsioonikontrolli, dielektrilise isolatsiooni ja konstruktsioonikaitse, võib tulemuseks olla kallis materjal, mis ei täida endiselt üht kriitilist nõuet.

Parem lahendus on sageli mitmekihiline süsteem, milles iga materjal täidab seda funktsiooni, millega ta kõige paremini hakkama saab. Näiteks võib vilgukivi pakkuda kõrge temperatuuriga dielektrilist kaitset, aerogeel võib vähendada soojusülekannet ja spetsiaalne silikoonvaht võib tagada surve- ja soojuslevikindluse.

UL Prospector märgib samamoodi, et materjalide kombinatsioonid võivad olla vajalikud konstruktsiooninõuete ja nõudlike termiliselt läbijooksukatsete täitmiseks.^[3]

Kuidas tuleks soojusisolatsiooni valida?

Ainuüksi andmelehe temperatuurireitingust materjali valimine võib tekitada vale kindlustunde, sest aku tegelik kuritarvitamine hõlmab aega, soojusvoogu, leeki, osakesi, rõhku, geomeetriat ja naaberkomponente.

Õige lahendus on valida materjal tegeliku raku vormingu, rikke asukoha, nõutava viivitusaja, kaitstud külje temperatuuri sihtmärgi, elektrivajaduse, mehaanilise koormuse, saadaoleva paksuse ja väärkasutuse testi spetsifikatsioonide järgi. Materjali näidised tuleks seejärel kinnitada esinduskooslustes.

Esmalt määratletav tehniline teave:

Rakkude keemia ja formaat, tõkke asukoht, maksimaalne saadaolev paksus, dielektrinõue, õhuvoolu eeldatav suund, termilise leviku sihtmärk, kokkusurumise nõue, töötemperatuur, liimkonstruktsioon, mehaaniline kinnitus ja kohaldatav aku kuritarvitamise testi standard.

Kuidas tuleks termilise barjääri jõudlust valideerida?

Materjal, mis läbib väikese kupongi leegi testi, võib tegeliku aku sees siiski ebaõnnestuda, kuna liigendid, kinnitusdetailid, õhutusteed, kokkusurumine ja naaberkomponendid muudavad soojusvoolu teed.

Lahenduseks on nii materjali- kui ka süsteemitaseme jõudluse kinnitamine tüüpilistes termilistes tingimustes. UL 2596 hindab aku korpuse materjale termilise ja mehaanilise kokkupuute all, samas kui EV akude ohutusnõuded, nagu ISO 6469-1 ja ÜRO eeskiri nr 100, käsitlevad laetavate energiasalvestussüsteemide ohutust sõiduki tasandil.^[1][5][6]

UNECE on ka jätkanud tööd elektrisõidukite akusüsteemide karmima soojuslevi nõuete kallal, kinnitades, et termiline kaitse on pigem süsteemi tasandi ohutusprobleem kui ühe materjali leegi reitingu probleem.^[6]

Kas peate valima EV aku jaoks soojusbarjääri?

Materjali esialgseks ülevaatamiseks valmistage ette elemendi, mooduli või paki asukoht, saadaolev paksus, kaitstud külje temperatuuri sihtmärk, dielektrinõue, kokkusurumisnõue, raku keemia, ventilatsiooni suund, CAD-geomeetria, liiminõue ja kohaldatav termilise äravoolu testi sihtmärk.

Õige tõke tuleks valida tegeliku rikkerežiimi hulgast – mitte lihtsalt andmelehele trükitud leegi reitingu või temperatuurinumbri järgi.

KKK

Kas tavaline elektriisolatsioon suudab aku termiliselt ära hoida?

Mitte tingimata. Tavaline elektriisolatsioon võib normaalsetel töötemperatuuridel töötada, kuid kaotab tugevuse, kuju või dielektrilise jõudluse äärmusliku kuumuse tõttu.

Kas UL 94 V-0-st piisab elektrisõidukite aku termilise barjääri jaoks?

Nr V-0 näitab spetsiifilist süttivuskäitumist standardiseeritud testis, kuid termiline kaitse sõltub ka soojusülekandest, materjali paksusest, õhutustest, tõkkekonstruktsioonist ja pakendi arhitektuurist.

Miks on vilgukivi termilise põgenemise jaoks parem kui tavaline plast?

Vilgukivi pakub palju tugevamat kõrgtemperatuurilist dielektrilist ja struktuurset stabiilsust kui paljud tavalised polümeerkiled, muutes selle kasulikuks jäikade soojus- ja elektritõkete jaoks.

Kas silikoonvaht kaitseb termilise äravoolu eest?

Spetsiaalselt koostatud ja valideeritud silikoonmaterjalid võivad pakkuda kaitset termilise leviku eest, kuid tavalise silikoonvahu puhul ei tohiks automaatselt eeldada, et see tagab sama jõudluse.

Millised omadused on termilise põgenemise barjääri puhul kõige olulisemad?

Oluliste omaduste hulka kuuluvad soojustakistus, leegikindlus, dielektriline tugevus, stabiilsus kõrgel temperatuuril, erosioonikindlus, mehaaniline terviklikkus, paksus, tihedus ja ühilduvus aku struktuuriga.

Kas kõrgeim temperatuurireiting on alati parim valik?

Ei. Soojusvõimsus sõltub soojusvoost, kokkupuuteajast, geomeetriast, paksusest, materjali konstruktsioonist ja süsteemi konstruktsioonist – mitte ainult temperatuurist.

15-aastane autoaku komponendi perspektiiv

Tuginedes 15-aastasele autoosade ja juhtmeköidiste tootmise kogemusele, ei kiida ma kunagi heaks aku isolatsioonimaterjali lihtsalt seetõttu, et see on elektriliselt isoleeriv, leegiaeglustav või mõeldud kõrgele pidevale temperatuurile.

Termiline jooksmine loob täiesti erineva rikkekeskkonna: intensiivne kuumus, leek, rõhk, kuumad osakesed, elektriline stress ja kokkupuuteaeg toimivad koos. Usaldusväärne lahendus on kõigepealt määratleda tegelik rikketee ja seejärel valida vilgukivi, aerogeel, keraamiline materjal, spetsiaalne silikoon või mitmekihiline konstruktsioon, mis suudab seda täpset asukohta kaitsta.

Autoriteetsed viited

[1] UL-lahendused – aku korpuse termilise äravoolu hindamine ja UL 2596

[2] Rogers Corporation – kus UL 94 V-0 on reaalses maailmas olulised

[3] UL Prospector – EV aku tulekaitsematerjalide valimine

[4] Rogers Corporation – ProCell EV tulemüüri termilise leviku kaitse

[5] ISO — ISO 6469-1:2019 Elektrimootoriga maanteesõidukid, laetava energiasalvestussüsteemi ohutus

[6] UNECE – ÜRO eeskiri nr 100 Rev.3, elektrilise jõuülekande ohutus