Miért hibásodnak meg a hagyományos szigetelőanyagok az elektromos járművek akkumulátorának hőkiürülése során?

A hagyományos elektromos szigetelés meglágyul, összezsugorodhat, megéghet, elszenesedhet, megrepedhet vagy elveszítheti a dielektromos szilárdságát, ha extrém hő, láng, forró részecskék, nyomás és kifúvó gázok együttes hatásának vannak kitéve, amelyek az akkumulátor hőkezelése során keletkeznek.

A helyes megoldás a kifejezetten magas hőmérsékletű szigetelésre, alacsony hőátadásra, lángállóságra, dielektromos stabilitásra és mechanikai integritásra tervezett hőelvezető korlátok használata visszaélési körülmények között. Az akkumulátor normál üzemi hőmérsékletén jól teljesítő anyag nem alkalmas automatikusan hőkifutási eseményre.

Miért különbözik a Thermal Runaway a normál akkumulátorfűtéstől?

A normál szigetelés túlélheti a hosszú távú működést magas hőmérsékleten, de gyorsan meghibásodik, ha a hőkiáramlás közvetlen lángot, nyomást, forró részecskéket és koncentrált hőáramot ad.

A megoldás a szigetelés értékelése a visszaélések ellen, nem csak a folyamatos használat hőmérsékleti besorolása. Az UL Solutions megjegyzi, hogy az akkumulátor hőkezelése sugárszerű lángot, kilökődő részecskéket, magas hőmérsékletet és nyomást okozhat a burkolaton belül, ami azt jelenti, hogy a védőanyagnak több egyidejű meghibásodási mechanizmusnak is ki kell állnia.^[1]

Ez a megkülönböztetés kritikus. A 105°C-on, 125°C-on vagy még magasabb hőmérsékleten normál elektromos szigetelésre minősített anyagok továbbra is elveszíthetik szerkezetüket vagy dielektromos teljesítményüket, ha közvetlen hőhatásnak vannak kitéve.

Miért lágyulhat meg vagy omlik össze a közönséges polimer szigetelés?

Sok közönséges polimer fóliát és habot elektromos szigetelésre, párnázásra vagy tömítésre terveztek – nem pedig közvetlen kitéve erős hőhatásnak –, így meglágyulhatnak, összezsugorodhatnak, megolvadhatnak vagy tartósan deformálódhatnak.

A helyes megoldás az, hogy olyan anyagokat válasszunk, amelyek hőstabilitása megfelelő marad a tényleges visszaélési hőmérséklet és expozíciós időtartam mellett. A magas hőmérsékletű csillámot, a kerámia alapú védőrétegeket, az aerogél rendszereket és a speciálisan kialakított szilikon anyagokat általában figyelembe veszik, ha a hagyományos szigetelés nem tudja megőrizni funkcióját.

Az anyagválasztásnál különbséget kell tenni az üzemi hőmérséklet-ellenállás és a termikus átfutási ellenállás között . Ezek nem ugyanazok a specifikációk.

Miért nem elég az UL 94 V-0 önmagában?

Egy anyag elérheti az UL 94 V-0-t, és még mindig nem nyújt megfelelő védelmet a cellák közötti hőterjedés ellen, mivel a kis léptékű lángbesorolás nem jelenti a teljes hőkifutási eseményt.

A megoldás az, hogy a lángbesorolást csak egy anyagtulajdonságként kezeljük, és külön érvényesítjük a hőszigetelést, a hőáram-ellenállást, a mechanikai visszatartást, a légtelenítő gáz expozíciót és a rendszerszintű terjedési teljesítményt. Rogers külön megjegyzi, hogy amint egy cella termikus kifutóba kerül, a V-0 hab önmagában nem akadályozza meg az energiafelszabadulást; a csomagolás architektúrája és a hőkorlátok továbbra is kritikusak.^[2]

Ez az egyik leggyakoribb specifikációs hiba az akkumulátorok anyagában: a 'V-0' nem jelenti a 'termikus kifutásbiztosságot'.

Milyen hibaüzemmódokat kell túlélnie az akkumulátor szigetelésének?

Ha egy mérnök csak a lángállóságot értékeli, a szigetelés még mindig meghibásodhat az erózió, a nyomás, a forró részecskék, a dielektromos törés, a kompressziós veszteség vagy a szomszédos cellába való hőátadás miatt.

A helyes megoldás a teljes meghibásodási környezet átvilágítása a záróanyag kiválasztása előtt. Az UL akkumulátorház-értékelése kifejezetten egyesíti a magas hőmérsékletet, nyomást és a kilökődő részecskéket, mivel a termikus kifutás több fizikai esemény, nem pedig egyszerű lángteszt.^[1]

Miért számít az alacsony hővezetőképesség?

Egy anyag fizikailag sértetlen maradhat, de hőgátként mégsem működik, ha a hő elég gyorsan áthalad rajta ahhoz, hogy kiváltsa a szomszédos cellát.

A megoldás az anyag túlélésének és a gáton keresztüli hőátadás szabályozása. Az UL Prospector megjegyzi, hogy az aerogélek, kerámia takarók és kapszulázó habok jól teljesítenek alacsony hővezetőképesség és sűrűség mellett, míg a csillám erős elektromos szigetelést biztosít, de nagyobb vastagságot igényelhet a megfelelő tűzvédelem érdekében.^[3]

A fontos tervezési cél tehát nem csak az, hogy 'ég az anyag?', hanem az is, hogy 'mennyi hő jut el a védett oldalra, és milyen gyorsan?'

Miért nem elegendőek a vékony műanyag fóliák?

A vékony polimer filmek kiváló dielektromos elválasztást biztosítanak normál működés közben, de nagyon csekély termikus tömegük vagy vastagságuk, hogy ellenálljanak a tartós hőátadásnak a hőkifutás során.

A helyes megoldás az, ha szükség esetén vékony filmeket használnak elsősorban elektromos szigetelésre, és ha a hőterjedés kockázata ezt megkívánja, egy dedikált hővédő gátat kell hozzáadni. A többrétegű szerkezet elkülönítheti az elektromos szigetelés, a hőszigetelés, a mechanikai védelem és a tapadás funkcióit.

Egy vékony elektromos fólia megkísérlése mind a négy funkció ellátására általában elfogadhatatlan kompromisszumokat kényszerít ki.

Miért lehet elégtelen a közönséges hab?

A hagyományos hab jól teljesíthet kompressziós párnaként, tömítésként vagy rezgéselnyelőként, de veszít szilárdságából vagy szigetelési teljesítményéből, ha közvetlenül ki van téve a hőhatásnak.

A megoldás a kifejezetten hőterjedésre kialakított és hitelesített hab használata, amikor az alkatrésznek kompresszió- és tűzvédelmet is kell biztosítania. A Rogers ProCell EV Firewall anyagai a szilikon elasztomer rendszerek példái, amelyeket kifejezetten az akkumulátor tömörítési funkciójának a hőterjedés elleni védelemmel való kombinálására fejlesztettek ki.^[4]

Ez egy fontos szabályt szemléltet: a közönséges szilikonhab és a termikusan kifutó szilikon gátakat nem szabad automatikusan azonos anyagosztálynak tekinteni.

Miért használják gyakran a csillámot a kifutó hő elleni védelemre?

Ahol a közönséges polimer szigetelés nem tudja megtartani az elektromos szigetelést és a gátszerkezetet magas hőmérsékleten, a meghibásodás a közeli cellákat, gyűjtősíneket vagy a csomagelemeket feltárhatja.

A megoldás a csillám használata, ahol magas hőmérsékletű dielektromos stabilitás és merev hővédelem szükséges. A csillám erős elektromos szigetelő képességgel rendelkezik, és széles körben használják elektromos járművek akkumulátorainak hő- és tűzvédelmi alkalmazásaiban, bár a szükséges vastagság és konstrukció továbbra is az adott csomag architektúrától függ.^[3]

A csillám különösen hasznos cellakorlátokhoz, modulfalakhoz, gyűjtősín-szigeteléshez, csomagfedél-védelemhez és más olyan helyekhez, ahol fontos az alakstabilitás és az elektromos szigetelés.

Egy anyagnak kell kezelnie a teljes termikus kifutó problémát?

Ha egyetlen szigetelőlemeztől elvárjuk, hogy tűzállóságot, rendkívül alacsony hőátadást, kompresszió-visszanyerést, tömítést, rezgéscsillapítást, dielektromos szigetelést és szerkezeti védelmet biztosítson, akkor költséges anyag keletkezhet, amely még mindig nem teljesít egy kritikus követelményt.

A jobb megoldás gyakran egy többrétegű rendszer, amelyben minden anyag azt a funkciót látja el, amelyet a legjobban kezel. Például a csillám magas hőmérsékletű dielektromos védelmet, az aerogél csökkentheti a hőátadást, a speciális szilikonhab pedig kompressziós és hőterjedési ellenállást biztosíthat.

Az UL Prospector hasonlóképpen megjegyzi, hogy az anyagok kombinációira lehet szükség a szerkezeti követelmények és az igényes termikus kifutási tesztek teljesítéséhez.^[3]

Hogyan válasszuk ki a kifutó hőszigetelést?

Egyedül az adatlapon szereplő hőmérséklet-besorolásból való anyag kiválasztása téves bizalmat kelthet, mivel az akkumulátor valós visszaélése időt, hőáramot, lángot, részecskéket, nyomást, geometriát és szomszédos alkatrészeket foglal magában.

A helyes megoldás az, hogy az anyagot a tényleges cellaformátum, a meghibásodás helye, a szükséges késleltetési idő, a védett oldali hőmérsékleti cél, az elektromos igény, a mechanikai terhelés, a rendelkezésre álló vastagság és a visszaélésteszt specifikációja alapján választjuk ki. Az anyagmintákat ezután reprezentatív összeállításokban kell érvényesíteni.

Mérnöki információk, amelyeket először meg kell határozni:

A cellák kémiája és formátuma, a gát helye, a maximális elérhető vastagság, a dielektromos követelmény, a légtelenítés várható iránya, a hőterjedési cél, a tömörítési követelmény, az üzemi hőmérséklet, a ragasztószerkezet, a mechanikai rögzítés és az akkumulátorhasználati teszt szabványa.

Hogyan kell érvényesíteni a hőzáró teljesítményt?

Egy kis kuponos lángteszten átmenő anyag még mindig meghibásodhat az akkumulátor belsejében, mert az illesztések, a rögzítők, a légtelenítő utak, a kompresszió és a szomszédos alkatrészek megváltoztatják a hőáramlási útvonalat.

A megoldás az anyagszintű és a rendszerszintű teljesítmény érvényesítése reprezentatív hőkifutási feltételek mellett. Az UL 2596 az akkumulátorház anyagait termikus és mechanikai hatás mellett értékeli, míg az elektromos járművek akkumulátorának biztonsági követelményei, mint például az ISO 6469-1 és az ENSZ 100. számú előírása az újratölthető energiatároló rendszerek járműszintű biztonságára vonatkoznak.^[1][5][6]

Az UNECE emellett folytatta a munkát az elektromos járművek akkumulátor-rendszereire vonatkozó szigorúbb hőterjedési követelményeken, megerősítve, hogy a hőkifutás elleni védelem rendszerszintű biztonsági probléma, nem pedig egyetlen anyag lángbesorolási problémája.^[6]

Hőkorlátot kell választania az elektromos járművek akkumulátorához?

Az előzetes anyagfelülvizsgálathoz készítse elő a cella, a modul vagy a csomag helyét, a rendelkezésre álló vastagságot, a védett oldali hőmérsékleti célt, a dielektromos követelményt, a tömörítési követelményt, a cellák kémiáját, a szellőzés irányát, a CAD geometriát, a ragasztási követelményeket és az alkalmazható hőkifutási tesztcélt.

A megfelelő gátat a tényleges meghibásodási módból kell kiválasztani – nem egyszerűen az adatlapra nyomtatott lángérték vagy hőmérsékleti szám alapján.

GYIK

Túlélheti-e a normál elektromos szigetelés az akkumulátor hőkezelését?

Nem feltétlenül. A közönséges elektromos szigetelés normál üzemi hőmérsékleten működhet, de veszít szilárdságából, alakjából vagy dielektromos teljesítményéből a szélsőséges hőhatás miatt.

Az UL 94 V-0 elég az elektromos járművek akkumulátorának hőszigeteléséhez?

A V-0 szám specifikus gyúlékonysági viselkedést jelöl egy szabványos vizsgálat során, de a hőkifutás elleni védelem a hőátadástól, az anyagvastagságtól, a szellőzéstől, a gátszerkezettől és a csomagolás felépítésétől is függ.

Miért jobb a csillám, mint a hagyományos műanyag a hőkezeléshez?

A csillám sokkal erősebb magas hőmérsékletű dielektromos és szerkezeti stabilitást biztosít, mint sok közönséges polimer fólia, így használható merev hő- és elektromos gátaknál.

A szilikonhab védhet a termikus elszökés ellen?

A speciálisan kialakított és hitelesített szilikon anyagok védelmet nyújthatnak a hőterjedés ellen, de a hagyományos szilikonhab nem feltételezhető automatikusan, hogy ugyanazt a teljesítményt nyújtja.

Mely tulajdonságok számítanak leginkább egy termikus kifutó akadálynál?

A fontos tulajdonságok közé tartozik a hőállóság, a lángállóság, a dielektromos szilárdság, a magas hőmérsékleti stabilitás, az erózióállóság, a mechanikai integritás, a vastagság, a sűrűség és az akkumulátor szerkezetével való kompatibilitás.

Mindig a legmagasabb hőmérséklet-besorolás a legjobb választás?

Nem. A hőkifutási teljesítmény a hőáramtól, az expozíciós időtől, a geometriától, a vastagságtól, az anyagfelépítéstől és a rendszer kialakításától függ – nem csak a hőmérsékleti besorolástól.

15 éves gépjármű-akkumulátor-komponens perspektíva

15 éves autóipari alkatrész- és kábelköteg-gyártási tapasztalatom alapján soha nem hagyok jóvá egy akkumulátor-szigetelő anyagot pusztán azért, mert elektromosan szigetelő, égésgátló, vagy magas folyamatos hőmérsékletre van besorolva.

A termikus kifutás teljesen más meghibásodási környezetet hoz létre: intenzív hő, láng, nyomás, forró részecskék, elektromos feszültség és expozíciós idő együtt hatnak. A megbízható megoldás az, ha először meg kell határozni a tényleges meghibásodási útvonalat, majd kiválasztani a csillámot, aerogélt, kerámiát, speciális szilikont vagy többrétegű konstrukciót, amely megvédi az adott helyet.

Hiteles hivatkozások

[1] UL megoldások – Akkumulátorház termikus kifutási értékelése és UL 2596

[2] Rogers Corporation – Ahol az UL 94 V-0 számít a valós tervezésben

[3] UL Prospector – Tűzvédelmi anyagok kiválasztása elektromos járművek akkumulátorához

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

[5] ISO – ISO 6469-1:2019 Elektromos hajtású közúti járművek, újratölthető energiatároló rendszer biztonsága

[6] ENSZ-EGB – ENSZ 100. sz. előírás, Rev.3, Elektromos erőátviteli rendszerek biztonsága