چگونه ورق های میکا در سطح سلول، ماژول و بسته در باتری های EV استفاده می شود؟

اگر اجازه داده شود گرمای گرمایی آزادانه از یک سلول به سلول دیگر حرکت کند، خرابی محلی باتری می تواند به انتشار در سطح ماژول افزایش یابد و در نهایت بسته کامل باتری را تهدید کند.

بنابراین موثرترین استفاده از میکا در هر سطح متفاوت است: موانع نازک بین سلول ها، موانع حرارتی و الکتریکی بزرگتر در اطراف ماژول ها، و عایق مقاوم در برابر آتش در درب بسته ها، دیوارها، شینه ها و سایر رابط های مهم. میکا یک ماده خنک کننده فعال نیست. نقش اصلی آن به تأخیر انداختن انتقال حرارت، حفظ جداسازی دی الکتریک و محافظت از سازه های اطراف در طول رویدادهای غیرعادی با دمای بالا است.

چگونه میکا در سطح سلولی استفاده می شود؟

هنگامی که دو سلول به طور محکم در کنار هم قرار می گیرند، انتقال مستقیم حرارت از سطح به سطح می تواند به یک سلول از کار افتاده اجازه دهد تا به سرعت همسایه خود را گرم کند و خطر انتشار حرارتی سلول به سلول را افزایش دهد.

راه حل این است که ورقه های نازک میکا، ورقه های میکا، یا موانع مهندسی شده مبتنی بر میکا بین سلول های مجاور که در آن معماری باتری نیاز به جداسازی حرارتی و دی الکتریک دارد، نصب شود. این سد مقاومت حرارتی بیشتری ایجاد می کند و در عین حال عایق الکتریکی را بین سطوح سلول رسانا و ساختارهای اطراف حفظ می کند.

ورقه های میکا و میکا سفت و سخت به عنوان موانع بین سلول های باتری استفاده می شوند زیرا قابلیت عایق الکتریکی را در دماهای بالا حفظ می کنند و می توانند به کندی انتقال حرارت در طول یک رویداد حرارتی کمک کنند.^[1]

میکای سطح سلولی مخصوصاً با طرح‌بندی‌های منشوری و سلولی کیسه‌ای که سطوح بزرگ صاف رو به روی یکدیگر قرار دارند، کاربردی است. معماری سلول استوانه‌ای ممکن است در عوض از موانع شکل، آستین‌ها، حلقه‌ها، فاصله‌دهنده‌ها یا سایر مواد انتشار حرارتی بسته به فاصله سلولی و جهت هواگیری استفاده کند.

میکا نباید مسیر دریچه سلول طراحی شده را مسدود کند. مانعی که انتشار حرارت جانبی را کند می کند اما گاز داغ را به سمت یک جزء حیاتی دیگر هدایت می کند، می تواند حالت خرابی متفاوتی ایجاد کند.

چگونه میکا در سطح ماژول استفاده می شود؟

حتی زمانی که سلول‌های جداگانه دارای موانع حرارتی هستند، یک رویداد شدید همچنان می‌تواند قاب ماژول، شین‌ها، صفحات انتهایی، گروه‌های سلولی مجاور و اجزای الکتریکی را در معرض گرمای شدید قرار دهد.

راه حل این است که از اجزای میکای بزرگتر به عنوان موانع سمت ماژول، عایق صفحه انتهایی، عایق شینه، محافظ بالا و جداسازی حرارتی بین گروه های سلولی استفاده کنید. در این سطح، میکا دیگر تنها از یک رابط سلولی محافظت نمی کند. بخشی از معماری انتشار حرارتی و عایق الکتریکی ماژول می شود.

اجزای میکا معمولاً برای عایق الکتریکی بین سلول‌ها، ماژول‌ها و قطعات رسانا و همچنین برای موانع حرارتی و حفاظت در برابر آتش در داخل سیستم‌های باتری EV استفاده می‌شوند.^[2]

انتخاب مواد در سطح ماژول باید فشرده سازی را نیز در نظر بگیرد. برخی از معماری‌های باتری به فشار کنترل‌شده روی کیسه یا سلول‌های منشوری نیاز دارند، به این معنی که یک ورق میکای سفت و سخت ممکن است با یک پد سازگارتر ترکیب شود تا اینکه انتظار می‌رود به تنهایی هم حفاظت در برابر آتش و هم مدیریت فشرده‌سازی را ارائه دهد.

چگونه میکا در سطح بسته استفاده می شود؟

اگر یک رویداد حرارتی از ماژول خارج شود، گاز داغ، شعله، ذرات و گرمای تابشی می‌تواند به درب باتری، دیوار محفظه، شین‌های فشار قوی، سیم‌کشی، کانکتورها یا سازه‌های خودروی مجاور حمله کند.

راه حل این است که از صفحات میکای بزرگتر و اجزای شکل در اطراف مرزهای بسته مهم استفاده کنید، از جمله قسمت زیرین درب بسته، دیواره های محیطی، رابط های ماژول به ماژول، مناطق شینه، و قطعات الکتریکی با ولتاژ بالا. میکای سطح بسته یک مانع حرارتی و دی الکتریک نهایی بین ناحیه خرابی داخلی باتری و محفظه یا وسیله نقلیه ایجاد می کند.

کاربردهای صنعتی شامل موانع سلولی و ماژول، عایق در اطراف محیط داخلی بسته باتری، محافظت از درب بسته، و عایق میکای انعطاف پذیر در اطراف اجزایی مانند شینه ها و سیم کشی است.^[3]

سطح بسته به طور کلی به پوشش سطح بزرگتری نسبت به موانع سطح سلولی نیاز دارد، بنابراین وزن، ضخامت، بست، مقاومت در برابر لرزش، برش‌ها، دهانه‌های هواکش و تحمل‌های مونتاژ اهمیت بیشتری پیدا می‌کنند.

افزودن ضخیم ترین ورق میکا در همه جا به طور خودکار ایمن ترین طرح نیست. موانع حرارتی باید با تهویه گاز، کاهش فشار، صفحات خنک کننده، فاصله های الکتریکی، قابلیت سرویس و جرم کلی بسته کار کنند.

تفاوت بین میکای سطح سلول، ماژول و بسته چیست؟

استفاده از همان ضخامت و هندسه میکا در هر سطح باتری می تواند جرم غیر ضروری را اضافه کند و در عین حال مهم ترین مسیرهای حرارتی را به اندازه کافی محافظت نمی کند.

راه حل صحیح این است که میکا را بر اساس حالت خرابی در هر مکان انتخاب کنید نه اینکه آن را به عنوان یک صفحه عایق باتری جهانی در نظر بگیرید. موانع سلولی کنترل انتشار محلی را در اولویت قرار می دهند، موانع ماژول از مناطق بزرگتر الکتریکی و ساختاری محافظت می کنند و موانع بسته از محفظه و رابط وسیله نقلیه محافظت می کنند.

یک منطق طراحی ساده شده عبارت است از:

سطح سلول: از حرکت مستقیم حرارت به سلول همسایه جلوگیری کنید.
سطح ماژول: از به خطر انداختن ماژول کامل یک گروه سلولی جلوگیری کنید.
سطح بسته: از حمله حرارت و شعله در سطح ماژول به محفظه و وسیله نقلیه اطراف جلوگیری کنید.

چگونه باید ضخامت میکا را انتخاب کرد؟

ورق میکا که خیلی نازک است ممکن است تاخیر حرارتی کافی را ایجاد نکند، در حالی که یک ورق ضخیم غیر ضروری وزن بسته، هزینه، ارتفاع پشته و سختی مونتاژ را افزایش می دهد.

راه حل این است که ضخامت را از طریق آزمایش انتشار حرارتی، نیازهای دی الکتریک، محدودیت های مکانیکی، زمان قرار گرفتن در معرض و محل سد تعیین کنیم. هیچ ضخامت میکای واحدی وجود ندارد که برای هر باتری EV مناسب باشد.

ساختار مورد نیاز به شیمی سلول، فرمت سلولی، انرژی ذخیره شده، فاصله، شار حرارتی مورد انتظار، جهت گاز دریچه، دمای مجاز در سمت محافظت شده، درجه میکا، سیستم بایندر و اینکه آیا این ماده به تنهایی یا به عنوان بخشی از یک مانع چند لایه استفاده می شود، بستگی دارد.

به همین دلیل، انتخاب مواد باید بر اساس آزمایش باتری نماینده باشد نه صرفاً مشخص کردن '1 میلی‌متر میکا' یا 'میکای 2 میلی‌متری' از یک کاتالوگ عمومی.

آیا میکا باید جایگزین ایرژل شود یا فوم سیلیکون؟

درمان میکا، آئروژل و فوم سیلیکون به عنوان مواد قابل تعویض می تواند عملکرد حرارتی ضعیفی ایجاد کند زیرا هر ماده ترکیب متفاوتی از مشکلات عایق، فشرده سازی، آب بندی و حفاظت در برابر آتش را حل می کند.

راه حل بهتر اغلب یک طرح چند لایه است که در آن میکا از دی الکتریک و محافظت در برابر شعله در دمای بالا برخوردار می شود در حالی که ماده دیگر رسانایی حرارتی، انطباق، بالشتک یا آب بندی کم را ارائه می دهد. ترکیبات مواد باید بر اساس معماری واقعی باتری و نتیجه آزمایش سوء استفاده انتخاب شوند.

میکا به ویژه در مواردی که موانع حرارتی ساختاری و عایق الکتریکی مورد نیاز است مفید است. مواد مبتنی بر آئروژل می توانند رسانایی حرارتی بسیار پایینی را ارائه دهند، در حالی که فوم های سیلیکونی می توانند بازیابی فشرده سازی و تطبیق شکاف را فراهم کنند.

نباید انتظار داشت که یک ماده هر عملکرد بسته باتری را انجام دهد.

قبل از طراحی قطعه باتری میکا چه چیزهایی باید بررسی شود؟

سفارش یک ورق میکای تخت قبل از تأیید هندسه باتری می‌تواند منجر به مسدود شدن دریچه‌ها، فضای ضعیف مونتاژ، ترک خوردگی مواد، مسیرهای حرارتی بدون پوشش یا تداخل با شینه‌ها و ساختارهای خنک‌کننده شود.

راه حل صحیح این است که مولفه میکا را از Cell، Module یا Pack CAD واقعی و سناریوی حرارتی فرار طراحی کنید. ضخامت، برش ها، سوراخ ها، فواصل لبه ها، الزامات خمشی، چسب، روش نصب، الزامات دی الکتریک و تحمل ابعادی مجاز باید قبل از برش نمونه اولیه تعریف شوند.

اطلاعات مهندسی برای ارائه:

فرمت سلول، محل میکا، نقشه CAD، محدوده ضخامت مورد نیاز، حداکثر ابعاد، هدف دی الکتریک، هدف مانع حرارتی، نیاز چسب، نیاز فشرده سازی، دمای کارکرد، و مشخصات تست سوء استفاده باتری قابل اجرا را ارسال کنید.

موانع حرارتی میکا چگونه باید تایید شوند؟

ورق میکا می تواند از آزمایش شعله آزمایشگاهی جان سالم به در ببرد، اما اگر ذرات داغ سد را دور بزنند، مفاصل در حین ارتعاش باز شوند یا از طریق لبه ها و بست های بدون پوشش منتقل شوند، باز هم در داخل باتری شکست می خورند.

راه حل این است که هم ساختار مواد و هم معماری باتری مونتاژ شده را تحت شرایط معرف حرارتی، الکتریکی، مکانیکی و محیطی تایید کنیم. اشتعال پذیری مواد به تنهایی نشان نمی دهد که طراحی سلول، ماژول یا بسته می تواند انتشار حرارتی را کنترل کند.

UL Solutions آزمایش سوء استفاده از باتری EV، آتش سوزی و انتشار حرارتی را انجام می دهد و استانداردهایی از جمله UL 2580، GB 38031، SAE J2464، SAE J2929، UN 38.3، و UNECE R100 را در میان چارچوب های تست باتری رایج فهرست می کند.^[4]

ISO 6469-1 الزامات ایمنی را برای سیستم‌های ذخیره انرژی قابل شارژ مورد استفاده در وسایل نقلیه جاده‌ای با پیشرانه الکتریکی مشخص می‌کند، در حالی که کار UNECE روی مقررات شماره 100 به طور خاص به انتشار حرارتی و محافظت از سرنشینان در برابر حوادث خطرناک باتری می‌پردازد.^[5][6]

به یک ورق میکای سفارشی برای باتری EV نیاز دارید؟

برای بررسی نمونه اولیه، Cell، Module یا Pack CAD، محل نصب میکا، هدف ضخامت، نیاز دی الکتریک، هدف حرارتی فرار، حداکثر ابعاد، برش ها، ساختار چسب، مقدار نمونه و تقاضای سالانه را آماده کنید.

ابتدا تعیین سطح دقیق نصب، انتخاب درجه، ضخامت، هندسه و فرآیند ساخت صحیح میکا را بسیار آسان تر می کند.

سوالات متداول

میکا در باتری EV برای چه مواردی استفاده می شود؟

میکا عمدتاً برای عایق الکتریکی در دمای بالا، موانع حرارتی، حفاظت در برابر آتش، و کنترل انتشار حرارتی در اطراف سلول‌ها، ماژول‌ها، شین‌ها و ساختارهای بسته باتری استفاده می‌شود.

آیا میکا را می توان بین سلول های باتری قرار داد؟

بله ورق های نازک میکا یا موانع میکای مهندسی شده را می توان بین سلول های مجاور نصب کرد، جایی که طراحی باتری نیاز به جداسازی دی الکتریک اضافی و مقاومت در برابر انتشار حرارتی دارد.

میکا در کجا در ماژول باتری استفاده می شود؟

مکان‌های معمولی شامل مرزهای گروه سلولی، دیواره‌های جانبی ماژول، صفحات انتهایی، شینه‌ها، حفاظت بالایی و ساختارهای رسانای الکتریکی هستند که به جداسازی دی الکتریک نیاز دارند.

میکا در کجا در بسته باتری استفاده می شود؟

میکا را می توان در زیر درب بسته، در امتداد دیوارهای محفظه، بین ماژول ها، اطراف شینه ها و اجزای ولتاژ بالا و در مکان های دیگری که به موانع حرارتی یا الکتریکی نیاز دارند استفاده کرد.

آیا میکا فرار حرارتی را متوقف می کند؟

هیچ ماده ای نمی تواند تضمین کند که فرار حرارتی رخ نخواهد داد. میکا به عنوان یک مانع غیرفعال برای کند کردن انتقال حرارت، حفظ عایق و کمک به کاهش یا تأخیر انتشار به اجزای همسایه استفاده می شود.

آیا میکای ضخیم تر همیشه برای باتری های برقی بهتر است؟

خیر. ضخامت بیشتر می تواند قابلیت مانع را در برخی از طرح ها بهبود بخشد، اما وزن، فضای بسته بندی، هزینه و سختی مونتاژ را نیز افزایش می دهد. ضخامت باید برای معماری خاص باتری تایید شود.

آیا میکا باید در سطح سلول، ماژول یا بسته آزمایش شود؟

سطح اعتبار نهایی باید نحوه استفاده از مواد را نشان دهد. غربالگری در سطح سلول مفید است، اما آزمایش‌های سطح ماژول و بسته ممکن است همچنان مورد نیاز باشد زیرا مسیرهای انتشار، گازهای دریچه، هندسه محفظه و اجزای مجاور رفتار سیستم را تغییر می‌دهند.

چشم انداز اجزای باتری 15 ساله خودرو

بر اساس 15 سال تجربه در ساخت قطعات خودرو و سیم، من میکا را تنها بر اساس درجه حرارت یا ضخامت انتخاب نمی کنم. اولین سوال همیشه این است که قطعه در کجا قرار دارد: Cell، Module یا Pack.

یک سد سلولی باید انتقال حرارت موضعی را بدون ایجاد مزاحمت در تهویه کنترل کند. یک مانع ماژول باید از رابط های الکتریکی و ساختاری محافظت کند. و یک مانع بسته باید از محفظه و وسیله نقلیه اطراف محافظت کند. طراحی قابل اعتماد از تطبیق درجه میکا، ضخامت، شکل، روش تثبیت و تست اعتبار سنجی با آن مسیر دقیق شکست ناشی می شود.

مراجع معتبر

[1] Elmelin - عایق میکا برای ایمنی باتری EV و موانع سلولی

[2] Elmelin - اجزای میکا برای عایق حرارتی و الکتریکی باتری

[3] Electrolock - حفاظت از فرار حرارتی در باتری های EV: نقش میکا

[4] راه حل های UL - آزمایش سوء استفاده از باتری EV، آتش سوزی و انتشار حرارتی

[5] ISO — ISO 6469-1:2019 وسایل نقلیه جاده ای با موتور الکتریکی، ایمنی سیستم ذخیره انرژی قابل شارژ

[6] UNECE — مقررات سازمان ملل متحد شماره 100 کار انتشار حرارتی