通常の電気絶縁体は、極度の熱、炎、高温粒子、圧力、およびバッテリーの熱暴走時に発生する排気ガスの組み合わせにさらされると、軟化、収縮、燃焼、炭化、亀裂、または絶縁耐力を失う可能性があります。
正しい解決策は、高温絶縁、低熱伝達、難燃性、誘電安定性、および酷使条件下での機械的完全性を目的として特別に設計された熱暴走バリアを使用することです。 通常のバッテリー動作温度で良好に機能する材料が、自動的に熱暴走イベントに適しているわけではありません。
通常の断熱材は、高温での長期間の動作には耐えられますが、熱暴走によって直接火炎、圧力、高温の粒子、集中した熱流束が加わると、急速に機能しなくなります。
解決策は、連続使用温度定格だけではなく、酷使条件に対する絶縁を評価することです。 UL Solutions は、バッテリーの熱暴走により、エンクロージャー内にジェットのような炎、噴出粒子、高温、および圧力が発生する可能性があると指摘しています。これは、保護材が複数の同時故障メカニズムに耐える必要があることを意味します。[1]
この区別は重要です。 105 °C、125 °C、またはそれ以上で通常の電気絶縁定格を備えた材料でも、直接的な熱暴走条件にさらされると、構造や誘電性能が失われる可能性があります。
通常のポリマー フィルムやフォームの多くは、深刻な熱暴走熱に直接さらされないように、電気絶縁、クッション、またはシールを目的として設計されているため、軟化、収縮、溶融、または永久変形する可能性があります。
正しい解決策は、実際の使用温度と暴露時間の下でも熱安定性が十分に保たれる材料を選択することです。 通常の断熱材では機能を維持できない場合、高温マイカ、セラミックベースのバリア、エアロゲルシステム、特別に配合されたシリコーン素材が一般的に検討されます。
材料の選択は、を区別する必要があります 動作温度耐性 と 熱暴走耐性。これらは同じ仕様ではありません。
小規模な火炎分類は完全な熱暴走現象を表すものではないため、材料は UL 94 V-0 を達成しても、セル間の熱伝播に対する保護が不十分である場合があります。
解決策は、難燃性評価を単なる材料特性の 1 つとして扱い、断熱性、熱流束耐性、機械的保持力、通気ガスへの曝露、およびシステムレベルの伝播性能を個別に検証することです。 Rogers 氏は、細胞が熱暴走に陥ると、V-0 フォーム自体はエネルギーの放出を止められないことを特に指摘しています。パックの構造と断熱層は引き続き重要です。[2]
これは、バッテリー材料における最も一般的な仕様ミスの 1 つです。 「V-0」は「熱暴走防止」を意味するものではありません。
エンジニアが難燃性のみを評価した場合でも、侵食、圧力、高温粒子、絶縁破壊、圧縮損失、または隣接するセルへの熱伝達によって断熱材が破損する可能性があります。
正しい解決策は、バリア材料を選択する前に、完全な故障環境をスクリーニングすることです。 熱暴走は単純な燃焼試験ではなく複合物理現象であるため、UL のバッテリーエンクロージャの評価では、特に高温、圧力、放出粒子を組み合わせています。[1]
熱暴走応力 |
通常の断熱材が失敗する理由 |
必要なバリア特性 |
|---|---|---|
極度の暑さ |
軟化、溶融、収縮または分解 |
高温における構造安定性 |
直火 |
発火、燃焼、または急速な表面劣化 |
炎と耐火性 |
ホットパーティクル |
表面侵食または局所的な浸透 |
耐浸食性とバリアの完全性 |
圧力・排気ガス |
バリアの動き、引き裂き、または層間剥離 |
機械的保持と堅牢な固定 |
電気的暴露 |
炭化すると絶縁性能が低下する可能性があります |
安定した電気絶縁性 |
熱伝達 |
隣接するセルが臨界温度に達する |
熱伝導率が低い、または十分な熱抵抗 |
材料は物理的に無傷のままである可能性がありますが、熱が隣接するセルを引き起こすほど急速に材料を通過する場合、熱障壁として機能しません。
解決策は、材料の生存性とバリアを通過する熱伝達の両方を制御することです。 UL Prospectorは、エアロゲル、セラミックブランケット、および封入フォームは低い熱伝導率と密度でも良好に機能する一方、マイカは強力な電気絶縁性を提供しますが、十分な防火のためにはより厚い厚さが必要になる可能性があると指摘しています。[3]
したがって、重要な設計目標は単に「材料が燃えるかどうか」ではありません。だけでなく、 「どれくらいの熱が保護された側にどれくらい早く到達するか」も重要です。
薄いポリマーフィルムは、通常の動作中に優れた誘電分離を提供できますが、熱暴走中の持続的な熱伝達に抵抗するために熱質量または厚さが非常に少ないです。
正しい解決策は、必要に応じて主に電気絶縁のために薄膜を使用し、熱伝播のリスクが必要な場合には専用の熱バリアを追加することです。 多層構造により、電気絶縁、断熱、機械的保護、接着の機能を分離できます。
1 つの薄い電気フィルムに 4 つの機能すべてを実行させようとすると、通常、許容できない妥協が必要になります。
従来のフォームは、圧縮パッド、シール、振動吸収材としては十分に機能しますが、熱暴走に直接さらされると強度や断熱性能が低下します。
解決策は、コンポーネントが圧縮と防火の両方を提供する必要がある場合、熱伝播に関して特別に配合および検証されたフォームを使用することです。 Rogers の ProCell EV ファイアウォール材料は、バッテリー圧縮機能と熱伝播保護を組み合わせるために特別に開発されたシリコーン エラストマー システムの例です。[4]
これは重要なルールを示しています。 通常のシリコーン フォームと熱暴走定格シリコーン バリアは、自動的に同じ材料クラスとして扱われるべきではありません。
通常のポリマー絶縁体が高温で電気的絶縁とバリア構造を維持できない場合、破損によって近くのセル、バスバー、またはパックのコンポーネントが露出する可能性があります。
解決策は、高温での誘電安定性と強固な熱保護が必要な場合にマイカを使用することです。 マイカは強力な電気絶縁能力を備えており、EV バッテリーの熱保護および防火用途に広く使用されていますが、必要な厚さと構造は特定のパックの構造に依存します。[3]
マイカは、セルバリア、モジュール壁、バスバー絶縁、パック蓋保護、および形状安定性と電気絶縁が重要なその他の場所に特に役立ちます。
1 枚の絶縁シートに耐火性、超低熱伝達、圧縮回復、密閉、振動制御、誘電体絶縁、構造保護の機能を期待すると、高価な材料が 1 つの重要な要件を満たしていないという結果になる可能性があります。
より良い解決策は、多くの場合、各材料が最適な機能を発揮する多層システムです。 たとえば、マイカは高温誘電保護を提供し、エアロゲルは熱伝達を低減し、特殊なシリコンフォームは圧縮耐性と熱伝播耐性を提供します。
UL Prospector も同様に、構造要件と要求の厳しい熱暴走試験を満たすには材料の組み合わせが必要になる可能性があると指摘しています。[3]
実際のバッテリーの乱用には時間、熱流束、炎、粒子、圧力、形状、および隣接するコンポーネントが関係するため、データシートの温度定格だけから材料を選択すると、誤った信頼が生まれる可能性があります。
正しい解決策は、実際のセル形式、故障箇所、必要な遅延時間、保護側温度目標、電気的要件、機械的負荷、利用可能な厚さ、および乱用テスト仕様から材料を選択することです。 次に、材料サンプルを代表的なアセンブリで検証する必要があります。
最初に定義するエンジニアリング情報:
セルの化学的性質と形式、バリアの位置、利用可能な最大の厚さ、誘電要件、予想される通気方向、熱伝播のターゲット、圧縮要件、動作温度、接着構造、機械的固定、および該当するバッテリーの乱用テスト規格。
小規模なクーポン燃焼試験に合格した材料であっても、接合部、留め具、通気路、圧縮、および隣接するコンポーネントによって熱流路が変化するため、実際のバッテリー内部では破損する可能性があります。
解決策は、代表的な熱暴走条件下で材料レベルとシステムレベルの両方のパフォーマンスを検証することです。 UL 2596 は、熱的および機械的暴露下でのバッテリー エンクロージャの材料を評価する一方、ISO 6469-1 や国連規則 No. 100 などの EV バッテリーの安全要件は、車両レベルでの充電式エネルギー貯蔵システムの安全性に取り組んでいます。[1][5][6]
UNECE はまた、電気自動車のバッテリー システムに対するより強力な熱伝播要件に関する作業を継続しており、熱暴走保護は単一材料の難燃性の問題ではなく、システム レベルの安全性の問題であることを強化しています。[6]
EVバッテリー用の遮熱材を選択する必要がありますか?
予備的な材料レビューでは、セル、モジュール、またはパックの位置、利用可能な厚さ、保護側の温度目標、誘電要件、圧縮要件、セルの化学的性質、ベント方向、CAD 形状、接着要件、および該当する熱暴走テストの目標を準備します。
正しいバリアは、単にデータシートに印刷された難燃性や温度の数値からではなく、実際の故障モードから選択する必要があります。
必ずしもそうとは限りません。通常の電気絶縁体は通常の動作温度では機能しますが、極度の熱暴走にさらされると強度、形状、または誘電性能が失われます。
No. V-0 は、標準化されたテストの下での特定の可燃性挙動を示していますが、熱暴走保護は熱伝達、材料の厚さ、通気、バリア構造、およびパックの構造にも依存します。
マイカは、多くの通常のポリマーフィルムよりもはるかに強力な高温誘電体および構造安定性を備えているため、強固な熱バリアおよび電気バリアとして役立ちます。
特別に配合され検証されたシリコーン材料は熱伝播保護を提供できますが、通常のシリコーンフォームが同じ性能を提供すると自動的に想定されるべきではありません。
重要な特性には、耐熱性、難燃性、絶縁耐力、高温安定性、耐浸食性、機械的完全性、厚さ、密度、バッテリー構造との適合性が含まれます。
いいえ。熱暴走性能は、温度定格だけではなく、熱流束、暴露時間、形状、厚さ、材料構造、およびシステム設計によって決まります。
自動車用バッテリーコンポーネントの 15 年間の展望
自動車部品およびワイヤーハーネスの製造における 15 年の経験に基づいて、私は、単に電気絶縁性、難燃性、または高い連続温度に耐えられるという理由だけでバッテリー絶縁材料を承認することはありません。
熱暴走は、まったく異なる故障環境を生み出します。つまり、高熱、炎、圧力、高温粒子、電気的ストレス、および暴露時間が相互に作用します。 信頼できる解決策は、最初に実際の故障経路を定義し、次にその正確な場所を保護できるマイカ、エアロゲル、セラミック材料、特殊シリコン、または多層構造を選択することです。
[1] UL ソリューション — バッテリーエンクロージャの熱暴走評価および UL 2596
[2] Rogers Corporation — 現実世界の設計において UL 94 V-0 が重要となる場所
[3] UL Prospector — EV バッテリー用の防火材料の選択
[4] Rogers Corporation — ProCell EV ファイアウォール熱伝播保護
