일반적인 전기 절연체는 극심한 열, 불꽃, 뜨거운 입자, 압력 및 배터리 열 폭주 중에 생성되는 배출 가스의 조합에 노출되면 연화, 수축, 연소, 탄화, 균열 또는 절연 내력을 잃을 수 있습니다.
올바른 해결책은 고온 절연, 낮은 열 전달, 난연성, 유전 안정성 및 남용 조건에서의 기계적 무결성을 위해 특별히 설계된 열 폭주 장벽을 사용하는 것입니다. 정상적인 배터리 작동 온도에서 잘 작동하는 재료는 열 폭주 이벤트에 자동으로 적합하지 않습니다.
일반 단열재는 고온에서 장기간 작동할 때 살아남을 수 있지만 열폭주로 인해 직접적인 불꽃, 압력, 뜨거운 입자 및 집중된 열 유속이 추가되면 급속히 파손됩니다.
해결책은 단지 연속 사용 온도 등급보다는 남용 조건에 대한 단열재를 평가하는 것입니다. UL Solutions는 배터리 열 폭주로 인해 제트와 같은 불꽃, 분출된 입자, 고온 및 인클로저 내부의 압력이 발생할 수 있다고 지적합니다. 즉, 보호 재료는 여러 가지 동시 고장 메커니즘을 견뎌야 합니다.[1]
이 구별은 매우 중요합니다. 105°C, 125°C 이상에서 일반 전기 절연 등급을 받은 재료라도 직접적인 열 폭주 조건에 노출되면 구조나 유전 성능이 저하될 수 있습니다.
많은 일반 폴리머 필름과 폼은 심각한 열 폭주 열에 직접 노출되지 않고 전기 절연, 완충 또는 밀봉을 위해 설계되었으므로 부드러워지거나 수축되거나 녹거나 영구적으로 변형될 수 있습니다.
올바른 해결책은 실제 남용 온도 및 노출 기간 하에서 열 안정성이 충분히 유지되는 재료를 선택하는 것입니다. 일반 단열재가 기능을 유지할 수 없는 경우 고온 운모, 세라믹 기반 장벽, 에어로겔 시스템 및 특수하게 제조된 실리콘 재료가 일반적으로 고려됩니다.
재료 선택은 구별해야 합니다 작동 온도 저항 과 열폭주 저항을 . 이들은 동일한 사양이 아닙니다.
재료는 UL 94 V-0을 달성할 수 있지만 소규모 화염 분류는 완전한 열 폭주 사건을 나타내지 않기 때문에 셀 간 열 전파에 대해 여전히 부적절한 보호를 제공합니다.
해결책은 화염 등급을 하나의 재료 특성으로 처리하고 단열, 열 유속 저항, 기계적 유지, 배기 가스 노출 및 시스템 수준 전파 성능을 별도로 검증하는 것입니다. Rogers는 특히 셀이 열폭주에 들어가면 V-0 폼 자체가 에너지 방출을 막지 못한다고 지적합니다. 팩 아키텍처와 열 장벽은 여전히 중요합니다.[2]
이는 배터리 소재에서 가장 흔히 발생하는 사양 실수 중 하나입니다. 'V-0'은 '열 폭주 방지'를 의미하지 않습니다.
엔지니어가 난연성만 평가하는 경우에도 침식, 압력, 뜨거운 입자, 유전 파괴, 압축 손실 또는 인접한 셀로의 열 전달로 인해 단열재가 파손될 수 있습니다.
올바른 해결책은 차단재를 선택하기 전에 전체 실패 환경을 검사하는 것입니다. UL의 배터리 인클로저 평가는 특히 고온, 압력 및 방출된 입자를 결합합니다. 열 폭주는 단순한 화염 테스트가 아닌 다중 물리학 이벤트이기 때문입니다.[1]
열 폭주 스트레스 |
일반 절연이 실패할 수 있는 이유 |
필수 장벽 속성 |
|---|---|---|
극심한 더위 |
연화, 용융, 수축 또는 분해 |
고온 구조적 안정성 |
직접 화염 |
발화, 연소 또는 급격한 표면 분해 |
화염 및 내화성 |
뜨거운 입자 |
표면 침식 또는 국부 침투 |
침식 저항 및 장벽 무결성 |
압력/배기 가스 |
장벽 움직임, 찢어짐 또는 박리 |
기계적 유지 및 견고한 고정 |
전기 노출 |
탄화는 유전 성능을 감소시킬 수 있습니다 |
안정적인 전기 절연 |
열전달 |
인접한 셀이 임계 온도에 도달함 |
열전도율이 낮거나 열저항이 충분함 |
물질은 물리적으로 손상되지 않은 상태로 유지될 수 있지만 열이 이웃 셀을 촉발할 만큼 빠르게 통과하는 경우 여전히 열 장벽 역할을 하지 못합니다.
해결책은 재료의 생존성과 장벽을 통한 열 전달을 모두 제어하는 것입니다. UL Prospector는 에어로겔, 세라믹 블랭킷 및 캡슐화 폼이 낮은 열 전도성과 밀도에서 잘 작동할 수 있는 반면 운모는 강력한 전기 절연성을 제공하지만 충분한 화재 방지를 위해 더 많은 두께가 필요할 수 있다고 지적합니다.[3]
그러므로 중요한 설계 목표는 단순히 '재료가 타는가?'가 아니라 '보호된 면에 얼마나 많은 열이 도달하고 얼마나 빨리 도달하는가?'입니다.
얇은 폴리머 필름은 정상 작동 중에 우수한 유전 분리를 제공할 수 있지만 열 폭주 중에 지속적인 열 전달을 방지하기 위해 열 질량이나 두께가 매우 적습니다.
올바른 해결책은 적절한 경우 전기 절연을 위해 주로 얇은 필름을 사용하고 열 전파 위험으로 인해 필요할 경우 전용 열 장벽을 추가하는 것입니다. 다층 구조는 전기 절연, 단열, 기계적 보호 및 접착 기능을 분리할 수 있습니다.
하나의 얇은 전기 필름을 만들려고 하면 일반적으로 네 가지 기능을 모두 수행할 수 없는 타협이 발생합니다.
기존 폼은 압축 패드, 씰 또는 진동 흡수재로 잘 작동할 수 있지만 열폭주에 직접 노출되면 강도나 단열 성능이 저하됩니다.
해결책은 구성 요소가 압축 및 화재 방지 기능을 모두 제공해야 하는 경우 열 전파를 위해 특별히 제조되고 검증된 폼을 사용하는 것입니다. Rogers의 ProCell EV 방화벽 재료는 배터리 압축 기능과 열 전파 보호를 결합하기 위해 특별히 개발된 실리콘 탄성 시스템의 예입니다.[4]
이는 중요한 규칙을 보여줍니다. 일반 실리콘 폼과 열 폭주 등급 실리콘 장벽은 자동으로 동일한 재료 등급으로 취급되어서는 안 됩니다.
일반적인 폴리머 절연체가 고온에서 전기적 절연과 장벽 구조를 유지할 수 없는 경우, 파손으로 인해 인근 셀, 모선 또는 팩 구성 요소가 노출될 수 있습니다.
해결책은 고온 유전 안정성과 견고한 열 보호가 필요한 곳에 운모를 사용하는 것입니다. 운모는 강력한 전기 절연 기능을 갖추고 있으며 EV 배터리 열 및 화재 방지 응용 분야에 널리 사용됩니다. 하지만 필요한 두께와 구조는 여전히 특정 팩 아키텍처에 따라 다릅니다.[3]
운모는 셀 장벽, 모듈 벽, 모선 절연, 팩 뚜껑 보호 및 형태 안정성과 전기 절연이 중요한 기타 위치에 특히 유용합니다.
하나의 단열 시트가 내화성, 초저열 전달, 압축 회복, 밀봉, 진동 제어, 유전체 절연 및 구조적 보호를 제공할 것으로 기대하면 여전히 한 가지 중요한 요구 사항을 충족하지 못하는 값비싼 재료가 될 수 있습니다.
더 나은 솔루션은 각 재료가 가장 잘 처리할 수 있는 기능을 수행하는 다층 시스템인 경우가 많습니다. 예를 들어, 운모는 고온 유전 보호 기능을 제공하고, 에어로겔은 열 전달을 감소시키며, 특수 실리콘 폼은 압축 및 열 전파 저항을 제공할 수 있습니다.
UL Prospector는 구조적 요구 사항과 까다로운 열 폭주 테스트를 충족하려면 재료의 조합이 필요할 수도 있다고 유사하게 지적합니다.[3]
실제 배터리 남용에는 시간, 열 유속, 화염, 입자, 압력, 기하학적 구조 및 주변 구성 요소가 포함되므로 데이터시트 온도 등급에서만 재료를 선택하면 잘못된 신뢰도를 얻을 수 있습니다.
올바른 해결책은 실제 셀 형식, 고장 위치, 필요한 지연 시간, 보호측 온도 목표, 전기적 요구 사항, 기계적 부하, 사용 가능한 두께 및 남용 테스트 사양에서 재료를 선택하는 것입니다. 그런 다음 대표 어셈블리에서 재료 샘플을 검증해야 합니다.
먼저 정의할 엔지니어링 정보:
셀 화학 및 형식, 장벽 위치, 최대 사용 가능한 두께, 유전체 요구 사항, 예상되는 통풍 방향, 열 전파 목표, 압축 요구 사항, 작동 온도, 접착제 구성, 기계적 고정 및 적용 가능한 배터리 남용 테스트 표준.
작은 쿠폰 불꽃 테스트를 통과한 재료는 조인트, 패스너, 통풍 경로, 압축 및 주변 구성 요소가 열 흐름 경로를 변경하기 때문에 실제 배터리 내부에서는 여전히 실패할 수 있습니다.
해결책은 대표적인 열 폭주 조건에서 재료 수준과 시스템 수준 성능을 모두 검증하는 것입니다. UL 2596은 열적, 기계적 노출 하에서 배터리 인클로저 재료를 평가하는 반면, ISO 6469-1 및 UN 규정 No. 100과 같은 EV 배터리 안전 요구 사항은 차량 수준에서 재충전 가능한 에너지 저장 시스템 안전을 다루고 있습니다.[1][5][6]
UNECE는 또한 전기 자동차 배터리 시스템에 대한 더 강력한 열 전파 요구 사항에 대한 작업을 계속하여 열 폭주 보호가 단일 재료 화염 등급 문제가 아닌 시스템 수준 안전 문제라는 점을 강화했습니다.[6]
EV 배터리용 열 장벽을 선택해야 합니까?
예비 재료 검토를 위해 셀, 모듈 또는 팩 위치, 사용 가능한 두께, 보호측 온도 목표, 유전체 요구 사항, 압축 요구 사항, 셀 화학, 환기 방향, CAD 형상, 접착 요구 사항 및 적용 가능한 열 폭주 테스트 대상을 준비합니다.
단순히 데이터시트에 인쇄된 화염 등급이나 온도 번호가 아닌 실제 고장 모드에서 올바른 장벽을 선택해야 합니다.
반드시 그런 것은 아닙니다. 일반 전기 절연은 정상 작동 온도에서 작동할 수 있지만 극심한 열폭주 노출 시 강도, 모양 또는 절연 성능을 잃을 수 있습니다.
번호 V-0은 표준화된 테스트에서 특정 가연성 동작을 나타내지만 열폭주 보호는 열 전달, 재료 두께, 환기, 장벽 구성 및 팩 구조에 따라 달라집니다.
운모는 많은 일반 폴리머 필름보다 훨씬 더 강력한 고온 유전체 및 구조적 안정성을 제공하므로 견고한 열 및 전기 장벽에 유용합니다.
특별히 제조되고 검증된 실리콘 소재는 열 전파 보호 기능을 제공할 수 있지만 일반 실리콘 폼이 자동으로 동일한 성능을 제공한다고 가정해서는 안 됩니다.
중요한 특성에는 내열성, 난연성, 유전 강도, 고온 안정성, 내식성, 기계적 무결성, 두께, 밀도 및 배터리 구조와의 호환성이 포함됩니다.
아니요. 열 폭주 성능은 온도 등급에만 의존하지 않고 열 유속, 노출 시간, 형상, 두께, 재료 구조 및 시스템 설계에 따라 달라집니다.
15년 자동차 배터리 부품 관점
저는 15년간의 자동차 부품 및 와이어 하니스 제조 경험을 바탕으로 단순히 전기 절연성, 난연성, 고온 지속성 등급이라는 이유만으로 배터리 절연재를 승인하지 않습니다.
열 폭주는 강렬한 열, 화염, 압력, 뜨거운 입자, 전기적 스트레스 및 노출 시간이 함께 작용하는 완전히 다른 고장 환경을 만듭니다. 신뢰할 수 있는 솔루션은 실제 고장 경로를 먼저 정의한 다음 정확한 위치를 보호할 수 있는 운모, 에어로겔, 세라믹 재료, 특수 실리콘 또는 다층 구조를 선택하는 것입니다.
[1] UL 솔루션 - 배터리 인클로저 열폭주 평가 및 UL 2596
[2] Rogers Corporation — 실제 설계에서 UL 94 V-0이 중요한 경우
[3] UL Prospector - EV 배터리용 방화 재료 선택
[4] Rogers Corporation — ProCell EV 방화벽 열 전파 보호
