چرا مواد عایق معمولی در هنگام فرار حرارتی باتری EV خراب می شوند؟

عایق‌های الکتریکی معمولی می‌توانند وقتی در معرض ترکیبی از گرمای شدید، شعله، ذرات داغ، فشار و گازهای دریچه‌ای که در طول فرار حرارتی باتری ایجاد می‌شوند، نرم شوند، منقبض شوند، بسوزند، کربن شوند، ترک بخورند، یا استحکام دی الکتریک خود را از دست دهند.

راه حل صحیح استفاده از موانع حرارتی است که به طور خاص برای عایق در دمای بالا، انتقال حرارت کم، مقاومت در برابر شعله، پایداری دی الکتریک و یکپارچگی مکانیکی در شرایط سوء استفاده طراحی شده اند. ماده ای که در دمای معمولی باتری عملکرد خوبی دارد، به طور خودکار برای یک رویداد فرار حرارتی مناسب نیست.

چرا Thermal Runaway با گرمایش معمولی باتری متفاوت است؟

عایق معمولی ممکن است در درازمدت در دمای بالا دوام بیاورد، اما زمانی که عایق حرارتی شعله مستقیم، فشار، ذرات داغ و شار گرمای متمرکز اضافه می‌کند، به سرعت شکست می‌خورد.

راه حل این است که عایق را در برابر شرایط سوء استفاده ارزیابی کنید نه فقط درجه بندی دمای استفاده مداوم. UL Solutions خاطرنشان می کند که فرار حرارتی باتری می تواند شعله جت مانند، ذرات خارج شده، دمای بالا و فشار داخل محفظه ایجاد کند، به این معنی که ماده محافظ باید چندین مکانیسم خرابی همزمان را تحمل کند.^[1]

این تمایز حیاتی است. ماده ای که برای عایق الکتریکی معمولی در دمای 105 درجه سانتیگراد، 125 درجه سانتیگراد یا حتی بالاتر رتبه بندی شده است ممکن است همچنان ساختار یا عملکرد دی الکتریک خود را هنگامی که در معرض شرایط گرمایی مستقیم قرار می گیرد از دست بدهد.

چرا عایق پلیمری معمولی می تواند نرم یا فرو بریزد؟

بسیاری از فیلم‌ها و فوم‌های پلیمری معمولی برای عایق‌سازی الکتریکی، بالشتک‌سازی یا آب‌بندی طراحی شده‌اند - نه در معرض مستقیم گرمای شدید گرمایی - بنابراین ممکن است نرم شوند، منقبض شوند، ذوب شوند یا برای همیشه تغییر شکل دهند.

راه حل صحیح این است که موادی را انتخاب کنید که پایداری حرارتی آنها در دمای واقعی سوء استفاده و مدت زمان قرار گرفتن در معرض کافی باقی بماند. هنگامی که عایق معمولی نتواند عملکرد خود را حفظ کند، معمولاً میکای با دمای بالا، موانع مبتنی بر سرامیک، سیستم های آئروژل و مواد سیلیکونی فرموله شده ویژه در نظر گرفته می شوند.

انتخاب مواد باید بین مقاومت در برابر دمای عملیاتی و مقاومت در برابر گرما متمایز شود . اینها مشخصات یکسانی نیستند.

چرا UL 94 V-0 به تنهایی کافی نیست؟

یک ماده می تواند به UL 94 V-0 برسد و همچنان محافظت ناکافی در برابر انتشار حرارتی سلول به سلول ایجاد کند، زیرا طبقه بندی شعله در مقیاس کوچک، رویداد فرار حرارتی کامل را نشان نمی دهد.

راه حل این است که درجه شعله را تنها به عنوان یک ویژگی ماده در نظر بگیریم و به طور جداگانه عایق حرارتی، مقاومت در برابر شار حرارتی، حفظ مکانیکی، قرار گرفتن در معرض گاز دریچه و عملکرد انتشار در سطح سیستم را تأیید کنیم. راجرز به طور خاص اشاره می کند که هنگامی که یک سلول وارد فرار حرارتی می شود، فوم V-0 به خودی خود آزاد شدن انرژی را متوقف نمی کند. معماری بسته و موانع حرارتی همچنان حیاتی هستند.^[2]

این یکی از رایج ترین اشتباهات مشخصات در مواد باتری است: 'V-0' به معنای 'ضد حرارتی فرار' نیست.

عایق باتری چه حالت های خرابی باید زنده بماند؟

اگر یک مهندس فقط مقاومت در برابر شعله را ارزیابی کند، عایق ممکن است همچنان در اثر فرسایش، فشار، ذرات داغ، شکست دی الکتریک، افت فشار یا انتقال حرارت به سلول مجاور شکست بخورد.

راه حل صحیح این است که قبل از انتخاب ماده مانع، محیط شکست کامل را غربال کنید. ارزیابی محفظه باتری UL به طور خاص دمای بالا، فشار و ذرات پرتاب شده را ترکیب می کند زیرا فرار حرارتی به جای یک آزمایش شعله ساده، یک رویداد چندفیزیکی است.^[1]

چرا رسانایی حرارتی پایین اهمیت دارد؟

یک ماده می تواند از نظر فیزیکی دست نخورده باقی بماند، اما اگر گرما به اندازه کافی سریع از آن عبور کند تا سلول همسایه را تحریک کند، همچنان به عنوان یک مانع حرارتی شکست می خورد.

راه حل این است که هم بقای مواد و هم انتقال حرارت از طریق مانع را کنترل کنید. UL Prospector خاطرنشان می‌کند که آئروژل‌ها، پتوهای سرامیکی و فوم‌های محصورکننده می‌توانند در هدایت حرارتی و چگالی کم عملکرد خوبی داشته باشند، در حالی که میکا عایق الکتریکی قوی ارائه می‌کند اما ممکن است برای محافظت در برابر آتش کافی به ضخامت بیشتری نیاز داشته باشد.^[3]

بنابراین هدف مهم طراحی فقط 'آیا مواد می سوزد؟' نیست، بلکه 'میزان گرما به سمت محافظت شده می رسد و با چه سرعتی؟'

چرا لایه های پلاستیکی نازک می توانند ناکافی باشند؟

لایه‌های پلیمری نازک می‌توانند جداسازی دی الکتریک عالی را در طول عملیات عادی فراهم کنند، اما حاوی جرم یا ضخامت حرارتی بسیار کمی هستند تا در برابر انتقال حرارت پایدار در طول فرار حرارتی مقاومت کنند.

راه حل صحیح استفاده از لایه های نازک در درجه اول برای عایق الکتریکی در صورت لزوم و افزودن یک مانع حرارتی اختصاصی زمانی است که خطر انتشار حرارتی آن را ایجاب می کند. یک ساختار چند لایه می تواند عملکردهای عایق الکتریکی، عایق حرارتی، حفاظت مکانیکی و چسبندگی را از هم جدا کند.

تلاش برای اینکه یک فیلم نازک الکتریکی هر چهار عملکرد را انجام دهد معمولاً سازش های غیرقابل قبولی را به همراه دارد.

چرا فوم معمولی می تواند ناکافی باشد؟

فوم معمولی ممکن است به عنوان یک پد فشرده سازی، آب بندی یا جاذب ارتعاش به خوبی عمل کند، اما هنگامی که مستقیماً در معرض فرار حرارتی قرار می گیرد، استحکام یا عملکرد عایق خود را از دست می دهد.

راه حل این است که از فوم به طور خاص فرموله شده و تایید شده برای انتشار حرارتی زمانی که جزء باید هم فشرده سازی و هم محافظت در برابر آتش را فراهم کند، استفاده شود. مواد فایروال ProCell EV Rogers نمونه هایی از سیستم های الاستومری سیلیکونی هستند که به طور خاص برای ترکیب عملکرد فشرده سازی باتری با حفاظت از انتشار حرارتی توسعه یافته اند.^[4]

این یک قانون مهم را نشان می دهد: فوم سیلیکونی معمولی و موانع سیلیکونی درجه بندی حرارتی نباید به طور خودکار به عنوان یک کلاس مواد در نظر گرفته شوند.

چرا میکا معمولاً برای حفاظت حرارتی استفاده می شود؟

در جایی که عایق پلیمری معمولی نمی تواند عایق الکتریکی و ساختار سد را در دمای بالا حفظ کند، خرابی می تواند سلول ها، شینه ها یا اجزای بسته اطراف را در معرض دید قرار دهد.

راه حل استفاده از میکا است که در آن پایداری دی الکتریک در دمای بالا و حفاظت حرارتی سفت و سخت مورد نیاز است. میکا دارای قابلیت عایق الکتریکی قوی است و به طور گسترده در کاربردهای حرارتی و حفاظت از آتش باتری EV استفاده می شود، اگرچه ضخامت و ساختار مورد نیاز هنوز به معماری بسته خاص بستگی دارد.^[3]

میکا به ویژه برای موانع سلولی، دیواره های ماژول، عایق شینه، حفاظت از درب بسته و سایر مکان هایی که ثبات شکل و عایق الکتریکی اهمیت دارد، مفید است.

آیا یک ماده باید کل مشکل فرار حرارتی را حل کند؟

انتظار داشتن یک ورق عایق برای ایجاد مقاومت در برابر آتش، انتقال حرارت بسیار کم، بازیابی تراکم، آب بندی، کنترل ارتعاش، جداسازی دی الکتریک و حفاظت ساختاری می تواند منجر به یک ماده گران قیمت شود که هنوز یکی از نیازهای حیاتی را برآورده نمی کند.

راه حل بهتر اغلب یک سیستم چند لایه است که در آن هر ماده عملکردی را که از عهده آن بر می آید به بهترین نحو انجام می دهد. به عنوان مثال، میکا می تواند حفاظت دی الکتریک با دمای بالا را فراهم کند، ایروژل می تواند انتقال حرارت را کاهش دهد، و فوم سیلیکون تخصصی می تواند مقاومت فشرده سازی و انتشار حرارتی را ایجاد کند.

UL Prospector به طور مشابه خاطرنشان می‌کند که ترکیبی از مواد ممکن است برای برآوردن الزامات ساختاری و آزمایش‌های فرار حرارتی ضروری باشد.^[3]

عایق حرارتی فرار چگونه باید انتخاب شود؟

انتخاب ماده از درجه بندی دمای صفحه داده به تنهایی می تواند اعتماد به نفس کاذب ایجاد کند زیرا سوء استفاده واقعی از باتری شامل زمان، شار گرما، شعله، ذرات، فشار، هندسه و اجزای مجاور است.

راه حل صحیح این است که مواد را از قالب سلول واقعی، محل خرابی، زمان تاخیر مورد نیاز، هدف دمای سمت محافظت شده، نیاز الکتریکی، بار مکانیکی، ضخامت موجود، و مشخصات تست سوء استفاده انتخاب کنید. سپس نمونه های مواد باید در مجامع نمایندگی تایید شوند.

اطلاعات مهندسی که ابتدا باید تعریف شود:

شیمی و فرمت سلول، محل مانع، حداکثر ضخامت موجود، نیاز دی الکتریک، جهت دریچه مورد انتظار، هدف انتشار حرارتی، نیاز فشرده سازی، دمای عملیاتی، ساخت چسب، تثبیت مکانیکی، و استاندارد آزمایش سوء استفاده باتری قابل اجرا.

عملکرد سد حرارتی چگونه باید تایید شود؟

ماده‌ای که آزمایش شعله کوپن کوچکی را پشت سر می‌گذارد همچنان می‌تواند در داخل باتری واقعی شکست بخورد زیرا اتصالات، اتصال دهنده‌ها، مسیرهای هواکش، فشرده‌سازی و اجزای مجاور مسیر جریان گرما را تغییر می‌دهند.

راه حل این است که هم عملکرد در سطح مواد و هم در سطح سیستم را در شرایط معرف شرایط فرار حرارتی تأیید کنیم. UL 2596 مواد محفظه باتری را تحت قرار گرفتن در معرض حرارتی و مکانیکی ارزیابی می کند، در حالی که الزامات ایمنی باتری EV مانند ISO 6469-1 و مقررات سازمان ملل متحد شماره 100 به ایمنی سیستم ذخیره انرژی قابل شارژ در سطح خودرو می پردازد.^[1][5][6]

UNECE همچنین به کار بر روی الزامات انتشار حرارتی قوی‌تر برای سیستم‌های باتری وسایل نقلیه الکتریکی ادامه داده است، و تقویت می‌کند که حفاظت گرمایی یک مسئله ایمنی در سطح سیستم است تا یک مشکل درجه‌بندی شعله تک ماده.^[6]

آیا نیاز به انتخاب یک مانع حرارتی برای باتری EV دارید؟

برای بررسی اولیه مواد، محل سلول، ماژول یا بسته، ضخامت در دسترس، هدف دمای سمت محافظت شده، نیاز دی الکتریک، نیاز فشرده سازی، شیمی سلول، جهت دریچه، هندسه CAD، نیاز چسب، و هدف آزمایشی قابل اجرا برای فرار حرارتی را آماده کنید.

مانع صحیح باید از حالت خرابی واقعی انتخاب شود - نه صرفاً از روی درجه شعله یا عدد درجه حرارت چاپ شده در برگه داده.

سوالات متداول

آیا عایق الکتریکی معمولی می‌تواند در برابر حرارت باتری زنده بماند؟

نه لزوما. عایق الکتریکی معمولی ممکن است در دمای عملیاتی معمولی کار کند، اما در هنگام قرار گرفتن در معرض شدید گرمایی، استحکام، شکل یا عملکرد دی الکتریک را از دست می دهد.

آیا UL 94 V-0 برای سد حرارتی باتری EV کافی است؟

شماره.

چرا میکا برای فرار حرارتی بهتر از پلاستیک معمولی است؟

میکا پایداری ساختاری و دی‌الکتریک در دمای بالا بسیار قوی‌تر از بسیاری از فیلم‌های پلیمری معمولی ارائه می‌دهد و آن را برای موانع حرارتی و الکتریکی سفت و سخت مفید می‌کند.

آیا فوم سیلیکونی می تواند در برابر فرار حرارتی محافظت کند؟

مواد سیلیکونی فرموله شده و معتبر می توانند محافظت در برابر انتشار حرارتی را فراهم کنند، اما فوم سیلیکونی معمولی نباید به طور خودکار عملکرد یکسانی را ارائه دهد.

چه خواصی در یک سد حرارتی فرار مهم است؟

خواص مهم عبارتند از: مقاومت حرارتی، مقاومت در برابر شعله، استحکام دی الکتریک، پایداری در دمای بالا، مقاومت در برابر فرسایش، یکپارچگی مکانیکی، ضخامت، چگالی و سازگاری با ساختار باتری.

آیا رتبه بندی بالاترین دما همیشه بهترین انتخاب است؟

خیر. عملکرد فرار حرارتی به شار گرما، زمان قرار گرفتن در معرض، هندسه، ضخامت، ساخت مواد و طراحی سیستم بستگی دارد - نه درجه حرارت به تنهایی.

چشم انداز اجزای باتری 15 ساله خودرو

بر اساس 15 سال تجربه تولید قطعات خودرو و دسته سیم، من هرگز مواد عایق باتری را صرفاً به این دلیل که عایق الکتریکی، مقاوم در برابر شعله یا درجه حرارت مداوم بالا است، تأیید نمی کنم.

فرار حرارتی یک محیط شکست کاملا متفاوت ایجاد می کند: گرمای شدید، شعله، فشار، ذرات داغ، استرس الکتریکی و زمان قرار گرفتن در معرض با هم عمل می کنند. راه حل قابل اعتماد این است که ابتدا مسیر شکست واقعی را تعریف کنید و سپس میکا، آئروژل، مواد سرامیکی، سیلیکون ویژه یا ساختار چند لایه ای را انتخاب کنید که بتواند دقیقاً از آن مکان محافظت کند.

مراجع معتبر

[1] راهکارهای UL - ارزیابی فرار حرارتی محفظه باتری و UL 2596

[2] شرکت راجرز - جایی که UL 94 V-0 در طراحی های دنیای واقعی اهمیت دارد

[3] UL Prospector - انتخاب مواد حفاظتی در برابر آتش برای باتری EV

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

[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 Rev.3، ایمنی قطار برق