W jaki sposób arkusze miki są wykorzystywane na poziomach ogniw, modułów i pakietów w akumulatorach EV?

Jeśli ciepło uciekające z jednego ogniwa do drugiego będzie mogło swobodnie przepływać, lokalna awaria akumulatora może przerodzić się w rozprzestrzenianie się na poziomie modułu i ostatecznie zagrozić całemu zestawowi akumulatorów.

Najbardziej efektywne wykorzystanie miki różni się zatem na każdym poziomie: cienkie bariery między ogniwami, większe bariery termiczne i elektryczne wokół modułów oraz ognioodporna izolacja na pokrywach opakowań, ścianach, szynach zbiorczych i innych krytycznych interfejsach. Mika nie jest aktywnym materiałem chłodzącym; jego główną rolą jest opóźnianie przenoszenia ciepła, utrzymywanie separacji dielektrycznej i ochrona otaczających konstrukcji podczas nietypowych zdarzeń wysokotemperaturowych.

Jak wykorzystuje się mikę na poziomie komórkowym?

Kiedy dwa ogniwa są ciasno upakowane razem, bezpośredni transfer ciepła między powierzchniami może pozwolić uszkodzonemu ogniwu na szybkie nagrzanie sąsiada i zwiększyć ryzyko propagacji ciepła między komórkami.

Rozwiązaniem jest zainstalowanie cienkich arkuszy miki, laminatów mikowych lub zaprojektowanych barier na bazie miki pomiędzy sąsiadującymi ogniwami, gdzie architektura baterii wymaga separacji termicznej i dielektrycznej. Bariera tworzy dodatkowy opór cieplny, zachowując jednocześnie izolację elektryczną pomiędzy przewodzącymi powierzchniami komórek a otaczającymi je strukturami.

Sztywna mika i laminaty mikowe są stosowane jako bariery między ogniwami akumulatora, ponieważ zachowują właściwości izolacji elektrycznej w podwyższonych temperaturach i mogą pomóc w spowolnieniu przenoszenia ciepła podczas zdarzenia termicznego.^[1]

Mika na poziomie komórkowym jest szczególnie praktyczna w układach pryzmatycznych i kieszeniowych, gdzie duże płaskie powierzchnie są zwrócone ku sobie. Architektury z ogniwami cylindrycznymi mogą zamiast tego wykorzystywać ukształtowane bariery, tuleje, pierścienie, przekładki lub inne materiały propagujące ciepło, w zależności od odstępów między komórkami i kierunku wentylacji.

Mika nie powinna blokować zaprojektowanej ścieżki wentylacyjnej komory. Bariera, która spowalnia boczne rozchodzenie się ciepła, ale przekierowuje gorący gaz w kierunku innego krytycznego elementu, może spowodować inny tryb awarii.

Jak wykorzystuje się mikę na poziomie modułu?

Nawet jeśli poszczególne ogniwa posiadają bariery termiczne, poważne zdarzenie może w dalszym ciągu narazić ramę modułu, szyny zbiorcze, płyty końcowe, sąsiednie grupy ogniw i komponenty elektryczne na działanie ekstremalnych temperatur.

Rozwiązaniem jest zastosowanie większych elementów mikowych jako barier po stronie modułu, izolacji płyty końcowej, izolacji szyn zbiorczych, ochrony górnej i separacji termicznej pomiędzy grupami ogniw. Na tym poziomie mika nie chroni już tylko jednego interfejsu komórkowego; staje się częścią architektury modułu zajmującej się propagacją ciepła i izolacją elektryczną.

Komponenty mikowe są powszechnie stosowane do izolacji elektrycznej pomiędzy ogniwami, modułami i częściami przewodzącymi, a także do tworzenia barier termicznych i ochrony ognioodpornej wewnątrz systemów akumulatorów EV.^[2]

Wybór materiału na poziomie modułu powinien również uwzględniać kompresję. Niektóre konstrukcje akumulatorów wymagają kontrolowanego nacisku na woreczek lub ogniwa pryzmatyczne, co oznacza, że ​​sztywny arkusz miki można połączyć z bardziej podatną podkładką, zamiast oczekiwać, że sam zapewni zarówno ochronę przeciwpożarową, jak i zarządzanie kompresją.

Jak wykorzystuje się mikę na poziomie opakowania?

Jeśli zdarzenie termiczne wydostanie się z modułu, gorący gaz, płomień, cząstki i ciepło promieniowania mogą zaatakować pokrywę akumulatora, ścianę obudowy, szyny zbiorcze wysokiego napięcia, przewody, złącza lub pobliskie konstrukcje pojazdu.

Rozwiązaniem jest zastosowanie większych arkuszy miki i elementów kształtowych wokół krytycznych granic opakowania, w tym dolnej części wieczka opakowania, ścian obwodowych, interfejsów moduł-moduł, obszarów szyn zbiorczych i komponentów elektrycznych wysokiego napięcia. Mika na poziomie pakietu zapewnia końcową barierę termiczną i dielektryczną pomiędzy wewnętrzną strefą awarii akumulatora a obudową lub pojazdem.

Zastosowania przemysłowe obejmują bariery ogniw i modułów, izolację wokół wewnętrznego obwodu pakietu akumulatorów, ochronę pokrywy pakietu oraz elastyczną izolację mikową wokół elementów, takich jak szyny zbiorcze i okablowanie.^[3]

Poziom opakowania zazwyczaj wymaga większego pokrycia powierzchni niż bariery na poziomie komórkowym, dlatego ważniejsza staje się waga, grubość, mocowanie, odporność na wibracje, wycięcia, otwory wentylacyjne i tolerancje montażowe.

Dodanie najgrubszego arkusza miki w dowolnym miejscu nie jest automatycznie najbezpieczniejszym rozwiązaniem. Bariery termiczne muszą współpracować z odprowadzaniem gazów, redukcją ciśnienia, płytami chłodzącymi, odstępami elektrycznymi, łatwością obsługi i całkowitą masą opakowania.

Jaka jest różnica między miką na poziomie komórki, modułu i opakowania?

Stosowanie tej samej grubości i geometrii miki na każdym poziomie naładowania baterii może zwiększyć niepotrzebną masę, jednocześnie pozostawiając niewystarczająco chronione najważniejsze ścieżki termiczne.

Właściwym rozwiązaniem jest dobór miki w zależności od rodzaju awarii w każdym miejscu, a nie traktowanie jej jako jednego uniwersalnego arkusza izolacyjnego akumulatora. Bariery komórkowe traktują priorytetowo lokalną kontrolę propagacji, bariery modułowe chronią większe strefy elektryczne i strukturalne, a bariery pakietowe chronią obudowę i interfejs pojazdu.

Uproszczona logika projektowania to:

Poziom ogniwa: Zatrzymaj przepływ ciepła bezpośrednio do sąsiedniej komórki.
Poziom modułu: Zapobiegaj naruszeniu przez jedną grupę komórkową całego modułu.
Poziom opakowania: Zapobiegaj atakowi ciepła i płomieni na poziomie modułu na obudowę i otaczający pojazd.

Jak wybrać grubość miki?

Zbyt cienki arkusz miki może nie zapewniać wystarczającego opóźnienia termicznego, podczas gdy niepotrzebnie gruby arkusz zwiększa wagę opakowania, koszt, wysokość stosu i trudności w montażu.

Rozwiązaniem jest określenie grubości poprzez badanie propagacji ciepła, wymagań dielektrycznych, ograniczeń mechanicznych, czasu ekspozycji i lokalizacji bariery. Nie ma jednej grubości miki, która byłaby właściwa dla każdego akumulatora EV.

Wymagana konstrukcja zależy od składu chemicznego ogniwa, formatu ogniwa, zmagazynowanej energii, odstępów, oczekiwanego strumienia ciepła, kierunku gazu odlotowego, dopuszczalnej temperatury po stronie chronionej, gatunku miki, układu spoiwa oraz tego, czy materiał jest używany samodzielnie, czy jako część bariery wielowarstwowej.

Z tego powodu wybór materiału powinien opierać się na reprezentatywnych testach akumulatorów, a nie po prostu na wskazywaniu „miki 1 mm” lub „miki 2 mm” z ogólnego katalogu.

Czy mika powinna zastąpić aerożel czy piankę silikonową?

Traktowanie miki, aerożelu i pianki silikonowej jako materiałów wymiennych może powodować słabą wydajność cieplną, ponieważ każdy materiał rozwiązuje inną kombinację problemów związanych z izolacją, ściskaniem, uszczelnianiem i ochroną przeciwpożarową.

Lepszym rozwiązaniem jest często konstrukcja wielowarstwowa, w której mika zapewnia wysoką temperaturę dielektryka i ochronę przed płomieniem, podczas gdy inny materiał zapewnia niską przewodność cieplną, zgodność, amortyzację lub uszczelnienie. Kombinacje materiałów należy dobierać w oparciu o rzeczywistą architekturę akumulatora i wyniki testu nadużycia.

Mika jest szczególnie przydatna tam, gdzie wymagane są strukturalne bariery termiczne i izolacja elektryczna. Materiały na bazie aerożelu mogą zapewniać bardzo niską przewodność cieplną, podczas gdy pianki silikonowe mogą zapewniać odzysk kompresji i akomodację szczelin.

Nie należy oczekiwać, że jeden materiał będzie spełniał każdą funkcję akumulatora.

Co należy sprawdzić przed zaprojektowaniem części baterii mikowej?

Zamówienie płaskiego arkusza miki przed potwierdzeniem geometrii akumulatora może spowodować zablokowanie otworów wentylacyjnych, słaby luz montażowy, pęknięcie materiału, odsłonięcie ścieżek termicznych lub zakłócenia w szynach zbiorczych i konstrukcjach chłodzących.

Prawidłowym rozwiązaniem jest zaprojektowanie komponentu mikowego na podstawie rzeczywistego modułu, modułu lub pakietu CAD oraz scenariusza niekontrolowanej utraty ciepła. Grubość, wycięcia, otwory, odległości od krawędzi, wymagania dotyczące gięcia, klej, sposób montażu, wymagania dielektryczne i dopuszczalne tolerancje wymiarowe powinny zostać określone przed cięciem prototypu.

Informacje inżynieryjne do dostarczenia:

Wyślij format ogniwa, lokalizację miki, rysunek CAD, wymagany zakres grubości, maksymalne wymiary, cel dielektryczny, cel bariery termicznej, wymagania dotyczące kleju, wymagania dotyczące kompresji, temperaturę roboczą i odpowiednią specyfikację testu nadużycia baterii.

Jak należy sprawdzać bariery termiczne z miki?

Arkusz miki może przetrwać laboratoryjny test płomienia, ale nadal nie może ulec uszkodzeniu wewnątrz akumulatora, jeśli gorące cząstki ominą barierę, złącza otworzą się podczas wibracji lub przeniknie ciepło przez odsłonięte krawędzie i elementy złączne.

Rozwiązaniem jest sprawdzenie zarówno materiału, jak i zmontowanej architektury akumulatora w reprezentatywnych warunkach niestabilności termicznej, elektrycznych, mechanicznych i środowiskowych. Sama palność materiału nie oznacza, że ​​konstrukcja ogniwa, modułu lub pakietu może kontrolować rozprzestrzenianie się ciepła.

Firma UL Solutions przeprowadza testy nadużyć, pożarów i propagacji ciepła w akumulatorach pojazdów elektrycznych, a wśród powszechnie stosowanych ram testowania akumulatorów wymienia standardy, w tym UL 2580, GB 38031, SAE J2464, SAE J2929, UN 38.3 i UNECE R100.^[4]

W normie ISO 6469-1 określono wymagania bezpieczeństwa dotyczące systemów magazynowania energii wielokrotnego ładowania stosowanych w pojazdach drogowych o napędzie elektrycznym, natomiast prace UNECE nad Regulaminem nr 100 w szczególności dotyczą propagacji ciepła i ochrony pasażerów przed niebezpiecznymi zdarzeniami związanymi z akumulatorem.^[5][6]

Potrzebujesz niestandardowego arkusza miki do akumulatora EV?

Do przeglądu prototypu przygotuj moduł CAD ogniwa, modułu lub pakietu, miejsce instalacji miki, docelową grubość, wymagania dotyczące dielektryka, docelowy współczynnik niestabilności termicznej, maksymalne wymiary, wycięcia, konstrukcję kleju, ilość próbek i roczne zapotrzebowanie.

Zdefiniowanie dokładnego poziomu instalacji znacznie ułatwia wybór odpowiedniego gatunku miki, grubości, geometrii i procesu produkcyjnego.

Często zadawane pytania

Do czego wykorzystywana jest mika w akumulatorze EV?

Mikę stosuje się głównie do wysokotemperaturowej izolacji elektrycznej, barier termicznych, ochrony przeciwpożarowej i kontroli rozprzestrzeniania się ciepła wokół ogniw, modułów, szyn zbiorczych i konstrukcji akumulatorów.

Czy mikę można umieścić pomiędzy ogniwami akumulatora?

Tak. Cienkie arkusze miki lub zaprojektowane bariery mikowe można zainstalować pomiędzy sąsiednimi ogniwami, gdzie konstrukcja akumulatora wymaga dodatkowej izolacji dielektrycznej i odporności na propagację ciepła.

Gdzie stosuje się mikę w module akumulatorowym?

Typowe lokalizacje obejmują granice grup ogniw, ściany boczne modułów, płyty końcowe, szyny zbiorcze, górną ochronę i konstrukcje przewodzące elektrycznie wymagające izolacji dielektrycznej.

Gdzie stosuje się mikę w akumulatorze?

Mikę można stosować pod pokrywą opakowania, wzdłuż ścian obudowy, pomiędzy modułami, wokół szyn zbiorczych i elementów wysokiego napięcia oraz w innych miejscach wymagających barier termicznych lub elektrycznych.

Czy Mika zatrzymuje ucieczkę termiczną?

Żaden materiał nie może zagwarantować, że nie nastąpi niestabilność cieplna. Mika służy jako pasywna bariera spowalniająca przenoszenie ciepła, utrzymująca izolację i pomagająca ograniczyć lub opóźnić propagację do sąsiednich elementów.

Czy grubsza mika jest zawsze lepsza dla akumulatorów EV?

Nie. Większa grubość może w niektórych projektach poprawić skuteczność bariery, ale także zwiększa wagę, przestrzeń opakowania, koszt i trudność montażu. Grubość należy sprawdzić pod kątem konkretnej architektury akumulatora.

Czy mikę należy testować na poziomie komórki, modułu czy opakowania?

Ostateczny poziom walidacji powinien odzwierciedlać sposób wykorzystania materiału. Sprawdzanie na poziomie komórki jest przydatne, ale nadal mogą być wymagane testy na poziomie modułu i pakietu, ponieważ ścieżki propagacji, gazy wentylacyjne, geometria obudowy i sąsiednie komponenty zmieniają zachowanie systemu.

Perspektywa komponentów akumulatorów samochodowych na 15 lat

Bazując na 15-letnim doświadczeniu w produkcji podzespołów samochodowych i wiązek przewodów, nie wybieram miki wyłącznie na podstawie temperatury lub grubości. Pierwszym pytaniem jest zawsze miejsce, w którym znajduje się część: ogniwo, moduł lub pakiet.

Bariera komórkowa musi kontrolować lokalną wymianę ciepła bez zakłócania wentylacji; bariera modułowa musi chronić interfejsy elektryczne i strukturalne; a bariera opakowania musi chronić obudowę i otaczający pojazd. Niezawodna konstrukcja wynika z dopasowania gatunku, grubości, kształtu, metody mocowania i testu walidacyjnego miki do dokładnie określonej ścieżki uszkodzenia.

Autorytatywne referencje

[1] Elmelin — izolacja mikowa do zabezpieczania akumulatorów pojazdów elektrycznych i barier komórkowych

[2] Elmelin — Komponenty mikowe do izolacji termicznej i elektrycznej akumulatorów

[3] Elektrozamek — zabezpieczenie przed niekontrolowaną temperaturą w akumulatorach pojazdów elektrycznych: rola miki

[4] Rozwiązania UL — badania dotyczące nadużywania akumulatorów pojazdów elektrycznych, badania rozprzestrzeniania się ognia i ciepła

[5] ISO — ISO 6469-1:2019 Pojazdy drogowe o napędzie elektrycznym, Bezpieczeństwo systemów magazynowania energii wielokrotnego ładowania

[6] UNECE — Regulamin ONZ nr 100 Prace związane z propagacją ciepła