熱暴走熱がセルからセルへ自由に移動すると、局所的なバッテリ障害がモジュールレベルにまで拡大し、最終的にバッテリパック全体を脅かす可能性があります。
したがって、マイカの最も効果的な使用法は、セル間の薄い障壁、モジュール周囲のより大きな熱的および電気的障壁、パックの蓋、壁、バスバー、およびその他の重要なインターフェースでの耐火絶縁体の各レベルで異なります。 マイカは積極的な冷却材料ではありません。その主な役割は、熱伝達を遅らせ、誘電体分離を維持し、異常な高温事象時に周囲の構造を保護することです。
2 つのセルが密に詰め込まれている場合、表面間の直接的な熱伝達により、故障したセルが隣のセルを急速に加熱し、セル間の熱伝播のリスクが高まる可能性があります。
解決策は、バッテリー構造が熱的および誘電的な分離を必要とする隣接するセル間に、薄いマイカシート、マイカラミネート、または加工されたマイカベースのバリアを設置することです。 バリアは、導電性セル表面と周囲の構造間の電気絶縁を維持しながら、追加の熱抵抗を生み出します。
硬質マイカおよびマイカ積層体は、高温でも電気絶縁能力を保持し、熱事象時の熱伝達を遅らせることができるため、バッテリーセル間のバリアとして使用されます。[1]
セルレベルマイカは、大きな平面が互いに面する角柱状およびパウチセルのレイアウトで特に実用的です。円筒形セル構造では、セルの間隔と通気方向に応じて、成形されたバリア、スリーブ、リング、スペーサー、またはその他の熱伝播材料を代わりに使用する場合があります。
マイカは、設計されたセルの通気経路を妨げてはなりません。 横方向の熱伝播を遅くするが、高温ガスの方向を別の重要なコンポーネントに向け直すバリアは、異なる故障モードを引き起こす可能性があります。
個々のセルに熱バリアがある場合でも、重大なイベントが発生すると、モジュールのフレーム、バスバー、エンドプレート、隣接するセルグループ、および電気コンポーネントが極度の熱にさらされる可能性があります。
解決策は、モジュール側のバリア、エンドプレート絶縁、バスバー絶縁、上部保護、およびセルグループ間の熱分離として、より大きなマイカコンポーネントを使用することです。 このレベルでは、マイカは 1 つのセル インターフェイスのみを保護しなくなりました。これはモジュールの熱伝播および電気絶縁アーキテクチャの一部になります。
マイカ部品は一般に、セル、モジュール、導電性部品間の電気絶縁、EV バッテリー システム内の断熱層や耐火保護に使用されます。[2]
バッテリー残量 |
典型的なマイカの位置 |
主な機能 |
主要な設計リスク |
|---|---|---|---|
細胞 |
隣接するセル間 |
セル間の熱伝達を遅くし、誘電体を絶縁します。 |
通気経路の遮断または過剰な厚さの使用 |
モジュール |
モジュールの壁、エンドプレート、バスバー、セルグループの境界 |
より小さなゾーン内に熱を閉じ込め、電気インターフェースを保護します |
圧縮、冷却、または組み立ての干渉 |
パック |
パックの蓋、側壁、モジュール間のバリア、および HV コンポーネント |
エンクロージャを保護し、パックレベルの伝播を遅らせる |
重量、梱包スペース、および不完全な補償範囲 |
モジュールレベルのマテリアルの選択では、圧縮も考慮する必要があります。一部のバッテリー構造では、ポーチまたは角形セルにかかる圧力を制御する必要があります。つまり、硬質マイカシートは、単独で防火と圧縮管理の両方を提供すると期待されるのではなく、より柔軟なパッドと組み合わせることができることを意味します。
熱事象がモジュールから漏れると、高温ガス、炎、粒子、輻射熱がバッテリー蓋、筐体の壁、高電圧バスバー、配線、コネクタ、または近くの車両構造物を攻撃する可能性があります。
解決策は、パックの蓋の下側、周囲の壁、モジュール間のインターフェース、バスバー領域、高電圧電気部品など、重要なパック境界の周囲に、より大きな雲母シートと成形部品を使用することです。 パックレベルのマイカは、バッテリーの内部故障ゾーンとエンクロージャーまたは車両の間に最終的な熱および誘電バリアを提供します。
産業用途には、セルおよびモジュールのバリア、バッテリーパックの内周の絶縁、パックの蓋の保護、バスバーや配線などのコンポーネントの周囲の柔軟なマイカ絶縁が含まれます。[3]
パックレベルでは通常、セルレベルのバリアよりも広い表面範囲が必要となるため、重量、厚さ、固定、耐振動性、カットアウト、通気口、および組み立て公差がより重要になります。
あらゆる場所に最も厚い雲母シートを追加することが、自動的に最も安全な設計になるわけではありません。 断熱層は、ガス抜き、圧力解放、冷却プレート、電気的クリアランス、保守性、およびパック全体の質量と連携して機能する必要があります。
すべてのバッテリーレベルで同じマイカの厚さと形状を使用すると、最も重要な熱経路が十分に保護されないまま、不必要な質量が追加される可能性があります。
正しい解決策は、マイカを 1 つの汎用バッテリー絶縁シートとして扱うのではなく、各場所の故障モードに応じて選択することです。 セルバリアは局所的な伝播制御を優先し、モジュールバリアはより大きな電気および構造ゾーンを保護し、パックバリアはエンクロージャと車両インターフェースを保護します。
簡略化された設計ロジックは次のとおりです。
セルレベル: 熱が隣接するセルに直接移動するのを防ぎます。
モジュール レベル: 1 つのセル グループがモジュール全体を侵害するのを防ぎます。
パック レベル: モジュール レベルの熱や炎がエンクロージャや周囲の車両を攻撃するのを防ぎます。
マイカシートが薄すぎると、十分な熱遅延が得られない可能性があり、一方、シートが不必要に厚すぎると、パックの重量、コスト、スタックの高さ、および組み立ての困難さが増加します。
解決策は、熱伝播テスト、誘電要件、機械的制約、暴露時間、およびバリアの位置を通じて厚さを決定することです。 すべての EV バッテリーに適した単一のマイカの厚さはありません。
必要な構造は、セルの化学的性質、セルの形式、蓄積エネルギー、間隔、予想される熱流束、ベントガスの方向、保護側の許容温度、マイカのグレード、バインダーシステム、および材料が単独で使用されるか多層バリアの一部として使用されるかによって異なります。
このため、材料の選択は、一般的なカタログから単に「1 mm マイカ」または「2 mm マイカ」を指定するのではなく、代表的なバッテリーのテストに基づいて行う必要があります。
マイカ、エアロゲル、シリコーンフォームを交換可能な材料として扱うと、各材料が断熱、圧縮、密閉、防火の問題の異なる組み合わせを解決するため、熱性能が低下する可能性があります。
多くの場合、より良い解決策は、マイカが高温誘電性と火炎保護を提供し、別の材料が低熱伝導率、コンプライアンス、クッション性、またはシール性を提供する多層設計です。 材料の組み合わせは、実際のバッテリー構造と乱用テストの結果に基づいて選択する必要があります。
マイカは、構造的な断熱層と電気絶縁が必要な場合に特に役立ちます。エアロゲルベースの材料は非常に低い熱伝導率を提供できますが、シリコーンフォームは圧縮回復と隙間の調節を提供できます。
1 つの材料がバッテリー パックのすべての機能を実行すると期待すべきではありません。
バッテリーの形状を確認する前にフラットマイカシートを注文すると、通気口の詰まり、組み立てクリアランスの不足、材料の亀裂、熱経路の露出、またはバスバーや冷却構造への干渉が発生する可能性があります。
正しい解決策は、実際のセル、モジュール、またはパックの CAD と熱暴走シナリオからマイカ コンポーネントを設計することです。 厚さ、カットアウト、穴、エッジの距離、曲げ要件、接着剤、取り付け方法、誘電要件、および許容される寸法公差は、プロトタイプの切断前に定義する必要があります。
提供するエンジニアリング情報:
セルのフォーマット、マイカの位置、CAD 図面、必要な厚さの範囲、最大寸法、誘電体ターゲット、遮熱ターゲット、接着剤の要件、圧縮要件、動作温度、および該当するバッテリー乱用テストの仕様を送信します。
マイカシートは実験室の燃焼試験に耐えることができますが、高温の粒子が障壁を迂回したり、振動中に接合部が開いたり、覆われていない端や留め具を介して熱が伝達したりすると、バッテリー内部で破損します。
解決策は、代表的な熱暴走、電気的、機械的、および環境条件下で、材料と組み立てられた電池のアーキテクチャの両方を検証することです。 材料の可燃性だけでは、セル、モジュール、またはパックの設計が熱伝播を制御できることを証明するものではありません。
UL Solutions は、EV バッテリーの乱用、火災、熱伝播テストを実施し、一般的に使用されるバッテリー テスト フレームワークとして、UL 2580、GB 38031、SAE J2464、SAE J2929、UN 38.3、UNECE R100 などの規格を列挙しています。[4]
ISO 6469-1 は、電気推進道路車両で使用される充電式エネルギー貯蔵システムの安全要件を指定しています。一方、UNECE の規則 No. 100 に関する作業では、熱伝播と危険なバッテリー事象からの乗員保護に特に取り組んでいます。[5][6]
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プロトタイプのレビューでは、セル、モジュール、またはパックの CAD、マイカの設置場所、厚さの目標、誘電要件、熱暴走目標、最大寸法、カットアウト、接着構造、サンプル数量、および年間需要を準備します。
最初に正確な設置レベルを定義すると、正しいマイカのグレード、厚さ、形状、製造プロセスを選択することがはるかに簡単になります。
マイカは主に、高温電気絶縁、断熱層、防火、セル、モジュール、バスバー、バッテリーパック構造周りの熱暴走伝播制御に使用されます。
はい。バッテリー設計で追加の誘電体絶縁と熱伝播抵抗が必要な場合は、薄いマイカ シートまたは人工マイカ バリアを隣接するセルの間に取り付けることができます。
一般的な場所には、セルグループの境界、モジュール側壁、エンドプレート、バスバー、上部保護、誘電体絶縁を必要とする導電性構造が含まれます。
マイカは、パックの蓋の下、筐体の壁に沿って、モジュール間、バスバーと高電圧コンポーネントの周囲、および熱または電気バリアが必要なその他の場所で使用できます。
熱暴走が起こらないことを保証できる材料はありません。マイカは、熱伝達を遅らせ、断熱性を維持し、隣接するコンポーネントへの伝播を低減または遅延させるための受動的バリアとして使用されます。
いいえ。厚さを厚くすると、一部の設計ではバリア機能が向上しますが、重量、梱包スペース、コスト、組み立ての難易度も増加します。特定のバッテリー構造に対して厚さを検証する必要があります。
最終的な検証レベルは、マテリアルの使用方法を反映する必要があります。セルレベルのスクリーニングは有用ですが、伝播経路、ベントガス、エンクロージャの形状、および隣接するコンポーネントによってシステムの動作が変化するため、モジュールおよびパックレベルのテストが依然として必要な場合があります。
自動車用バッテリーコンポーネントの 15 年間の展望
15 年間の自動車部品およびワイヤーハーネス製造の経験に基づいて、私は温度定格や厚さだけでマイカを選択しません。 最初の質問は常に、その部品がセル、モジュール、またはパックのどこにあるかということです。
セルバリアは、通気を妨げることなく局所的な熱伝達を制御する必要があります。モジュールバリアは電気的および構造的インターフェースを保護する必要があります。そしてパックバリアはエンクロージャと周囲の車両を保護する必要があります。 信頼性の高い設計は、マイカのグレード、厚さ、形状、固定方法、および正確な故障経路に適合する検証テストから生まれます。
[1] Elmelin — EV バッテリーの安全性と細胞バリアのためのマイカ絶縁
[2] Elmelin — バッテリーの断熱および電気絶縁用のマイカ部品
[3] エレクトロロック — EV バッテリーの熱暴走保護: マイカの役割
[4] UL ソリューション — EV バッテリーの乱用、火災および熱伝播試験
