Miksi tavalliset eristysmateriaalit epäonnistuvat sähköajoneuvojen akun terminen karkaamisen aikana?

Tavallinen sähköeristys voi pehmentyä, kutistua, palaa, hiiltyä, halkeilla tai menettää eristyslujuutta, kun se altistuu äärimmäisen lämmön, liekin, kuumien hiukkasten, paineen ja akun lämpöpurkauksen aikana syntyvien kaasujen yhdistelmälle.

Oikea ratkaisu on käyttää lämpöpoistoesteitä, jotka on suunniteltu erityisesti korkean lämpötilan eristykseen, alhaiseen lämmönsiirtoon, liekinkestävyyteen, dielektriseen stabiilisuuteen ja mekaaniseen kestävyyteen väärinkäyttöolosuhteissa. Materiaali, joka toimii hyvin akun normaalissa käyttölämpötilassa, ei automaattisesti sovellu termiseen karkaamiseen.

Miksi Thermal Runaway eroaa normaalista akun lämmittämisestä?

Normaali eristys voi kestää pitkäaikaista käyttöä korotetussa lämpötilassa, mutta epäonnistuu nopeasti, kun lämpöpoistuminen lisää suoraa liekkiä, painetta, kuumia hiukkasia ja väkevää lämpövirtaa.

Ratkaisu on arvioida eristys väärinkäyttöolosuhteita vastaan ​​eikä vain jatkuvan käytön lämpötilaluokituksia. UL Solutions huomauttaa, että akun lämpöpoistuminen voi tuottaa suihkumaista liekkiä, sinkoutuneita hiukkasia, korkeaa lämpötilaa ja painetta kotelon sisällä, mikä tarkoittaa, että suojamateriaalin on kestettävä useita samanaikaisia ​​vikamekanismeja.^[1]

Tämä ero on kriittinen. Materiaali, joka on luokiteltu normaalille sähköeristykselle 105 °C:ssa, 125 °C:ssa tai jopa korkeammassa lämpötilassa, voi silti menettää rakennetta tai dielektristä suorituskykyä, kun se altistuu suorille lämpöpoikkeamisolosuhteille.

Miksi tavallinen polymeerieristys voi pehmentää tai romahtaa?

Monet tavalliset polymeerikalvot ja -vaahdot on suunniteltu sähköeristykseen, pehmustukseen tai tiivistämiseen – ei suoraan altistumiseen voimakkaalle lämpölämmölle – joten ne voivat pehmetä, kutistua, sulaa tai pysyvästi muotoutua.

Oikea ratkaisu on valita materiaalit, joiden lämpöstabiilisuus säilyy riittävänä todellisessa väärinkäyttölämpötilassa ja altistuksen keston alla. Korkean lämpötilan kiille, keraamipohjaiset esteet, aerogeelijärjestelmät ja erikoisvalmisteiset silikonimateriaalit otetaan yleisesti huomioon, kun tavallinen eristys ei pysty ylläpitämään toimintaansa.

Materiaalivalinnassa on erotettava toisistaan ​​käyttölämpötilan kestävyys ja lämpövastus . Nämä eivät ole samat tiedot.

Miksi UL 94 V-0 ei yksin riitä?

Materiaali voi saavuttaa UL 94 V-0 -arvon ja silti tarjota riittämättömän suojan solusta soluun tapahtuvaa lämmön leviämistä vastaan, koska pienimuotoinen liekkiluokitus ei edusta täydellistä lämmön karkaamista.

Ratkaisu on käsitellä liekkiluokitusta vain yhtenä materiaalin ominaisuutena ja vahvistaa erikseen lämmöneristys, lämpövuon kestävyys, mekaaninen pysyvyys, altistuminen kaasulle ja järjestelmätason etenemiskyky. Rogers huomauttaa erityisesti, että kun kenno pääsee lämpökarkaamaan, V-0-vaahto ei estä energian vapautumista itsestään; pakkausarkkitehtuuri ja lämpöesteet ovat edelleen kriittisiä.^[2]

Tämä on yksi yleisimmistä akkumateriaalien määrittelyvirheistä: 'V-0' ei tarkoita 'lämpösuojausta'.

Mitä vikatilojen akun eristyksen on säilyttävä?

Jos insinööri arvioi vain liekinkestävyyden, eristys voi silti epäonnistua eroosion, paineen, kuumien hiukkasten, dielektrisen hajoamisen, puristushäviön tai lämmön siirtymisen vuoksi viereiseen kennoon.

Oikea ratkaisu on seuloa koko vikaympäristö ennen sulkumateriaalin valintaa. UL:n akun kotelointiarvioinnissa yhdistyvät erityisesti korkea lämpötila, paine ja sinkoutuvat hiukkaset, koska lämpökarkaistuminen on usean fysiikan tapahtuma eikä pelkkä liekkitesti.^[1]

Miksi alhaisella lämmönjohtavuudella on väliä?

Materiaali voi pysyä fyysisesti ehjänä, mutta silti epäonnistua lämpöesteenä, jos lämpö kulkee sen läpi riittävän nopeasti laukaistakseen viereisen kennon.

Ratkaisu on hallita sekä materiaalin kestävyyttä että lämmönsiirtoa esteen läpi. UL Prospector huomauttaa, että aerogeelit, keraamiset peitot ja kapselointivaahdot voivat toimia hyvin alhaisella lämmönjohtavuudella ja tiheydellä, kun taas kiille tarjoaa vahvan sähköeristyksen, mutta saattaa vaatia enemmän paksuutta riittävän palosuojauksen saavuttamiseksi.^[3]

Tärkeä suunnittelukohde ei siis ole pelkästään 'palaako materiaali?', vaan myös 'kuinka paljon lämpöä pääsee suojatulle puolelle ja kuinka nopeasti?'

Miksi ohuet muovikalvot voivat olla riittämättömiä?

Ohuet polymeerikalvot voivat tarjota erinomaisen dielektrisen erotuksen normaalin toiminnan aikana, mutta niissä on hyvin vähän lämpömassaa tai paksuutta kestämään jatkuvaa lämmönsiirtoa lämpökarkaamisen aikana.

Oikea ratkaisu on käyttää ohuita kalvoja ensisijaisesti sähköeristykseen tarvittaessa ja lisätä erillinen lämpösulku, kun lämmön leviämisen riski sitä vaatii. Monikerroksinen rakenne voi erottaa sähköeristyksen, lämmöneristyksen, mekaanisen suojauksen ja tartuntatoiminnot.

Yritetään saada yksi ohut sähkökalvo suorittamaan kaikki neljä toimintoa pakottaa yleensä hyväksymättömiin kompromisseihin.

Miksi tavallinen vaahto voi olla riittämätön?

Perinteinen vaahto voi toimia hyvin puristustyynynä, tiivisteenä tai tärinän vaimentajana, mutta heikentää lujuutta tai eristyskykyä, kun se altistuu suoraan lämpöpurkaukselle.

Ratkaisu on käyttää vaahtoa, joka on erityisesti formuloitu ja validoitu lämmön leviämiseen, kun komponentin on tarjottava sekä puristus- että palosuojaus. Rogersin ProCell EV Firewall -materiaalit ovat esimerkkejä silikonielastomeerijärjestelmistä, jotka on kehitetty erityisesti yhdistämään akun puristustoiminnallisuus lämmön etenemissuojaan.^[4]

Tämä havainnollistaa tärkeää sääntöä: tavallista silikonivaahtomuovia ja lämpökarkaistuja silikonisuojakalvoja ei pidä automaattisesti käsitellä samana materiaaliluokkana.

Miksi kiillettä käytetään yleisesti lämpösuojaukseen?

Jos tavallinen polymeerieristys ei pysty säilyttämään sähköeristystä ja sulkurakennetta korkeassa lämpötilassa, vika voi paljastaa lähellä olevat kennot, virtakiskot tai pakkauskomponentit.

Ratkaisu on käyttää kiilleä, jossa vaaditaan korkean lämpötilan dielektristä vakautta ja jäykkää lämpösuojaa. Micalla on vahva sähköinen eristyskyky, ja sitä käytetään laajalti sähköajoneuvojen akkujen lämpö- ja palosuojaussovelluksissa, vaikka vaadittu paksuus ja rakenne riippuvat silti tietystä pakkausarkkitehtuurista.^[3]

Kiille on erityisen hyödyllinen kennoesteissä, moduuliseinissä, virtakiskoeristyksessä, pakkauskannen suojauksessa ja muissa paikoissa, joissa muodon stabiiliudella ja sähköeristyksellä on merkitystä.

Pitäisikö yhden materiaalin hoitaa koko terminen pakoongelma?

Yhden eristelevyn odottaminen palonkestävyyden, erittäin alhaisen lämmönsiirron, puristuksen talteenoton, tiivistyksen, tärinän hallinnan, dielektrisen eristyksen ja rakenteellisen suojan tarjoavan voi johtaa kalliiseen materiaaliin, joka ei silti täytä yhtä kriittistä vaatimusta.

Parempi ratkaisu on usein monikerroksinen järjestelmä, jossa jokainen materiaali suorittaa sen toiminnon, jota se parhaiten käsittelee. Esimerkiksi kiille voi tarjota korkean lämpötilan dielektrisen suojan, aerogeeli voi vähentää lämmönsiirtoa ja erikoistunut silikonivaahto voi tarjota puristus- ja lämmön leviämiskestävyyden.

UL Prospector huomauttaa myös, että materiaalien yhdistelmät voivat olla tarpeen rakenteellisten vaatimusten ja vaativien lämpöpoistotestien täyttämiseksi.^[3]

Kuinka lämpöeristys tulisi valita?

Pelkästään materiaalin valitseminen tietolomakkeen lämpötilaluokituksesta voi luoda väärän luottamuksen, koska todellinen akun väärinkäyttö sisältää aikaa, lämpövirtaa, liekkejä, hiukkasia, painetta, geometriaa ja viereisiä komponentteja.

Oikea ratkaisu on valita materiaali todellisen kennomuodon, vikapaikan, vaaditun viiveajan, suojatun puolen lämpötilatavoitteen, sähkövaatimuksen, mekaanisen kuormituksen, käytettävissä olevan paksuuden ja väärinkäyttötestin spesifikaatioiden perusteella. Materiaalinäytteet tulee sitten validoida edustavissa kokoonpanoissa.

Ensin määritettävät tekniset tiedot:

Solun kemia ja muoto, esteen sijainti, suurin käytettävissä oleva paksuus, dielektrisyysvaatimus, odotettu tuuletussuunta, lämmön leviämisen tavoite, puristusvaatimus, käyttölämpötila, liimarakenne, mekaaninen kiinnitys ja sovellettava akun väärinkäyttötestistandardi.

Kuinka lämpöesteen suorituskyky pitäisi validoida?

Materiaali, joka läpäisee pienen kuponkiliekkitestin, voi silti epäonnistua varsinaisen akun sisällä, koska liitokset, kiinnikkeet, tuuletusreitit, puristus ja viereiset komponentit muuttavat lämmön virtausreittiä.

Ratkaisu on validoida sekä materiaalitason että järjestelmätason suorituskyky edustavissa lämpöolosuhteissa. UL 2596 arvioi akkukotelon materiaalit lämpö- ja mekaanisen altistuksen alaisena, kun taas sähköautojen akkujen turvallisuusvaatimukset, kuten ISO 6469-1 ja YK:n sääntö nro 100, koskevat ladattavien energian varastointijärjestelmien turvallisuutta ajoneuvotasolla.^[1][5][6]

UNECE on myös jatkanut työskentelyä sähköajoneuvojen akkujärjestelmien tiukempien lämmön leviämisvaatimusten parissa, mikä vahvistaa, että lämpösuojaus on järjestelmätason turvallisuuskysymys eikä yksittäisen materiaalin liekkiluokitusongelma.^[6]

Haluatko valita lämpösuojan sähköauton akulle?

Alustavaa materiaalin tarkastusta varten valmistele kennon, moduulin tai pakkauksen sijainti, käytettävissä oleva paksuus, suojatun puolen lämpötilatavoite, dielektrisyysvaatimus, puristusvaatimus, kennokemia, tuuletussuunta, CAD-geometria, liimavaatimus ja sovellettava lämmönpoistotestikohde.

Oikea este tulee valita todellisesta vikatilasta – ei pelkästään liekkiluokitus- tai lämpötilanumerosta, joka on painettu datalehteen.

FAQ

Kestääkö normaali sähköeristys akun lämpökarkaamisen?

Ei välttämättä. Tavallinen sähköeristys voi toimia normaaleissa käyttölämpötiloissa, mutta heikentää lujuutta, muotoa tai dielektristä suorituskykyä äärimmäisen lämpöaltistuksen aikana.

Riittääkö UL 94 V-0 sähköauton akun lämpösuojalle?

Nro V-0 osoittaa erityistä syttymiskäyttäytymistä standardoidussa testissä, mutta lämpösuojaus riippuu myös lämmönsiirrosta, materiaalin paksuudesta, tuuletuksesta, sulkurakenteesta ja pakkausarkkitehtuurista.

Miksi kiille on parempi kuin tavallinen muovi lämpökarkuun?

Mica tarjoaa paljon vahvemman korkean lämpötilan dielektrisen ja rakenteellisen stabiilisuuden kuin monet tavalliset polymeerikalvot, mikä tekee siitä hyödyllisen jäykille lämpö- ja sähköesteille.

Voiko silikonivaahto suojata lämpökarkaamiselta?

Erityisesti valmistetut ja validoidut silikonimateriaalit voivat tarjota suojan lämmön leviämiseltä, mutta tavallisen silikonivaahdon ei pitäisi automaattisesti olettaa tarjoavan samaa suorituskykyä.

Mitkä ominaisuudet ovat tärkeimmät termisessä pakoesteessä?

Tärkeitä ominaisuuksia ovat lämmönkestävyys, liekinkestävyys, dielektrinen lujuus, korkeiden lämpötilojen vakaus, eroosionkestävyys, mekaaninen eheys, paksuus, tiheys ja yhteensopivuus akun rakenteen kanssa.

Onko korkein lämpötilaluokitus aina paras valinta?

Ei. Lämpöteho riippuu lämpövirrasta, valotusajasta, geometriasta, paksuudesta, materiaalirakenteesta ja järjestelmän suunnittelusta – ei pelkästään lämpötilaluokituksesta.

15 vuoden autojen akkukomponenttien näkökulma

15 vuoden autokomponenttien ja johtosarjojen valmistuskokemuksen perusteella en koskaan hyväksy akun eristysmateriaalia vain siksi, että se on sähköä eristävä, paloa hidastavaa tai mitoitettu kestämään korkeaa jatkuvaa lämpötilaa.

Lämpöpalaminen luo täysin erilaisen vikaympäristön: voimakas lämpö, ​​liekki, paine, kuumat hiukkaset, sähköinen jännitys ja altistusaika vaikuttavat yhdessä. Luotettava ratkaisu on määrittää ensin todellinen vikapolku ja valita sitten kiille, aerogeeli, keraaminen materiaali, erikoissilikoni tai monikerroksinen rakenne, joka voi suojata juuri kyseisen sijainnin.

Viralliset viittaukset

[1] UL-ratkaisut — Akun kotelon lämpötestaus ja UL 2596

[2] Rogers Corporation — Missä UL 94 V-0:lla on merkitystä reaalimaailman suunnittelussa

[3] UL Prospector — Palonsuojamateriaalien valitseminen sähköauton akulle

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

[5] ISO — ISO 6469-1:2019 Sähkökäyttöiset maantieajoneuvot, ladattavan energian varastointijärjestelmän turvallisuus

[6] UNECE – YK:n sääntö nro 100 Rev.3, Sähkömoottorin turvallisuus