Dlaczego zwykłe materiały izolacyjne zawodzą podczas niestabilności termicznej akumulatora pojazdu elektrycznego?

Zwykła izolacja elektryczna może mięknąć, kurczyć się, palić, zwęglać się, pękać lub tracić wytrzymałość dielektryczną pod wpływem kombinacji ekstremalnego ciepła, płomienia, gorących cząstek, ciśnienia i gazów wylotowych wytwarzanych podczas niestabilności termicznej akumulatora.

Prawidłowym rozwiązaniem jest zastosowanie barier chroniących przed niekontrolowaną temperaturą, zaprojektowanych specjalnie z myślą o izolacji wysokotemperaturowej, niskim przenikaniu ciepła, odporności ogniowej, stabilności dielektrycznej i integralności mechanicznej w warunkach nadużyć. Materiał, który dobrze sprawdza się w normalnej temperaturze pracy akumulatora, nie nadaje się automatycznie do stosowania w przypadku niekontrolowanej temperatury.

Dlaczego niestabilność termiczna różni się od normalnego nagrzewania akumulatora?

Normalna izolacja może przetrwać długotrwałą pracę w podwyższonej temperaturze, ale szybko ulega zniszczeniu, gdy niekontrolowana temperatura powoduje dodanie bezpośredniego płomienia, ciśnienia, gorących cząstek i skoncentrowanego strumienia ciepła.

Rozwiązaniem jest ocena izolacji pod kątem warunków nadużyć, a nie tylko temperatur znamionowych ciągłego użytkowania. Firma UL Solutions zauważa, że ​​ucieczka termiczna akumulatora może powodować płomień w kształcie strumienia, wyrzucane cząstki, wysoką temperaturę i ciśnienie wewnątrz obudowy, co oznacza, że ​​materiał ochronny musi wytrzymać kilka jednoczesnych mechanizmów awarii.^[1]

To rozróżnienie jest krytyczne. Materiał przystosowany do normalnej izolacji elektrycznej w temperaturze 105°C, 125°C lub nawet wyższej może nadal tracić strukturę lub właściwości dielektryczne pod wpływem bezpośrednich warunków niekontrolowanej temperatury.

Dlaczego zwykła izolacja polimerowa może zmięknąć lub zapaść się?

Wiele zwykłych folii i pianek polimerowych zaprojektowano do izolacji elektrycznej, amortyzacji lub uszczelniania – a nie do bezpośredniego narażenia na silne uciekające ciepło – dlatego mogą one zmięknąć, skurczyć się, stopić lub trwale odkształcić.

Właściwym rozwiązaniem jest wybór materiałów, których stabilność termiczna pozostaje wystarczająca w warunkach rzeczywistej temperatury i czasu ekspozycji. Mika wysokotemperaturowa, bariery na bazie ceramiki, systemy aerożelu i specjalnie opracowane materiały silikonowe są powszechnie brane pod uwagę, gdy zwykła izolacja nie może zachować swojej funkcji.

Dobór materiału musi uwzględniać odporność na temperaturę roboczą i odporność na niekontrolowaną temperaturę . To nie są te same specyfikacje.

Dlaczego sama norma UL 94 V-0 nie wystarczy?

Materiał może osiągnąć normę UL 94 V-0, a mimo to zapewniać niewystarczającą ochronę przed rozprzestrzenianiem się ciepła między komórkami, ponieważ klasyfikacja płomienia na małą skalę nie odzwierciedla całkowitego zdarzenia niekontrolowanej ucieczki termicznej.

Rozwiązaniem jest potraktowanie oceny płomienia jako tylko jednej właściwości materiału i oddzielna weryfikacja izolacji termicznej, odporności na strumień ciepła, retencji mechanicznej, narażenia na gaz odlotowy i wydajności propagacji na poziomie systemu. Rogers wyraźnie zauważa, że ​​gdy ogniwo wejdzie w stan niestabilności termicznej, pianka V-0 sama w sobie nie zatrzymuje uwalniania energii; architektura opakowania i bariery termiczne pozostają krytyczne.^[2]

Jest to jeden z najczęstszych błędów w specyfikacji materiałów baterii: „V-0” nie oznacza „odporności na niestabilność termiczną”.

Jakie tryby awarii musi przetrwać izolacja akumulatora?

Jeśli inżynier oceni tylko odporność na płomień, izolacja może nadal ulec uszkodzeniu na skutek erozji, ciśnienia, gorących cząstek, przebicia dielektrycznego, utraty kompresji lub przenoszenia ciepła do sąsiedniego ogniwa.

Prawidłowym rozwiązaniem jest sprawdzenie całego środowiska awarii przed wyborem materiału barierowego. Ocena obudowy akumulatora przeprowadzona przez UL uwzględnia w szczególności wysoką temperaturę, ciśnienie i wyrzucane cząstki, ponieważ niestabilność cieplna to zdarzenie wielofizyczne, a nie prosty test płomienia.^[1]

Dlaczego niska przewodność cieplna ma znaczenie?

Materiał może pozostać fizycznie nienaruszony, ale nadal nie będzie stanowić bariery termicznej, jeśli ciepło przejdzie przez niego wystarczająco szybko, aby pobudzić sąsiednią komórkę.

Rozwiązaniem jest kontrolowanie zarówno trwałości materiału, jak i przenikania ciepła przez barierę. UL Prospector zauważa, że ​​aerożele, koce ceramiczne i pianki kapsułkujące mogą dobrze działać przy niskiej przewodności cieplnej i gęstości, podczas gdy mika zapewnia silną izolację elektryczną, ale może wymagać większej grubości, aby zapewnić wystarczającą ochronę przeciwpożarową.^[3]

Dlatego ważnym celem projektowym jest nie tylko to, „czy materiał się pali?”, ale także „ile ciepła dociera do chronionej strony i jak szybko?”

Dlaczego cienkie folie z tworzyw sztucznych mogą być niewystarczające?

Cienkie folie polimerowe mogą zapewniać doskonałą separację dielektryczną podczas normalnej pracy, ale zawierają bardzo małą masę termiczną lub grubość, aby zapobiec trwałemu przenoszeniu ciepła podczas niekontrolowanej temperatury.

Prawidłowym rozwiązaniem jest użycie cienkich folii przede wszystkim do izolacji elektrycznej, tam gdzie to konieczne, i dodanie dedykowanej bariery termicznej, gdy wymaga tego ryzyko propagacji ciepła. Struktura wielowarstwowa może oddzielić funkcje izolacji elektrycznej, izolacji termicznej, ochrony mechanicznej i przyczepności.

Próba, aby jedna cienka folia elektryczna spełniała wszystkie cztery funkcje, zwykle wymusza niedopuszczalne kompromisy.

Dlaczego zwykła pianka może nie wystarczyć?

Konwencjonalna pianka może dobrze działać jako podkładka dociskowa, uszczelka lub pochłaniacz drgań, ale traci wytrzymałość lub właściwości izolacyjne pod bezpośrednim wpływem niekontrolowanej temperatury.

Rozwiązaniem jest użycie pianki specjalnie opracowanej i zatwierdzonej pod kątem propagacji ciepła, gdy element musi zapewniać zarówno ochronę przed ściskaniem, jak i ognioodporność. Materiały firmy Rogers ProCell EV Firewall to przykłady systemów elastomerów silikonowych opracowanych specjalnie w celu połączenia funkcji kompresji akumulatora z ochroną przed propagacją ciepła.^[4]

To ilustruje ważną zasadę: zwykła pianka silikonowa i bariery silikonowe odporne na działanie ciepła nie powinny być automatycznie traktowane jako ta sama klasa materiałów.

Dlaczego mika jest powszechnie stosowana do ochrony przed niekontrolowaną temperaturą?

Tam, gdzie zwykła izolacja polimerowa nie jest w stanie zachować izolacji elektrycznej i struktury bariery w wysokiej temperaturze, awaria może odsłonić pobliskie ogniwa, szyny zbiorcze lub elementy pakietu.

Rozwiązaniem jest zastosowanie miki tam, gdzie wymagana jest stabilność dielektryczna w wysokiej temperaturze i sztywna ochrona termiczna. Mika ma dobrą izolację elektryczną i jest szeroko stosowana w zastosowaniach związanych z temperaturą i ochroną przeciwpożarową akumulatorów pojazdów elektrycznych, chociaż wymagana grubość i konstrukcja nadal zależą od konkretnej architektury pakietu.^[3]

Mika jest szczególnie przydatna do stosowania w barierach komórkowych, ścianach modułów, izolacji szyn zbiorczych, ochronie pokryw opakowań i innych miejscach, gdzie liczy się stabilność kształtu i izolacja elektryczna.

Czy jeden materiał powinien poradzić sobie z całym problemem niekontrolowanej niekontrolowanej temperatury?

Oczekiwanie, że jeden arkusz izolacyjny zapewni odporność ogniową, bardzo niskie przenikanie ciepła, odzysk ciepła po ściskaniu, uszczelnienie, kontrolę wibracji, izolację dielektryczną i ochronę strukturalną, może skutkować kosztownym materiałem, który nadal nie spełnia jednego krytycznego wymagania.

Lepszym rozwiązaniem jest często system wielowarstwowy, w którym każdy materiał spełnia funkcję, którą najlepiej obsługuje. Na przykład mika może zapewnić ochronę dielektryczną w wysokiej temperaturze, aerożel może zmniejszyć przenoszenie ciepła, a specjalistyczna pianka silikonowa może zapewnić odporność na ściskanie i propagację ciepła.

UL Prospector podobnie zauważa, że ​​w celu spełnienia wymagań konstrukcyjnych i wymagających testów niekontrolowanej utraty ciepła mogą być konieczne kombinacje materiałów.^[3]

Jak wybrać izolację termiczną?

Wybór materiału na podstawie samej temperatury znamionowej w arkuszu danych może dać fałszywą pewność, ponieważ rzeczywiste nadużywanie baterii wiąże się z czasem, strumieniem ciepła, płomieniem, cząstkami, ciśnieniem, geometrią i sąsiednimi komponentami.

Prawidłowym rozwiązaniem jest wybranie materiału na podstawie rzeczywistego formatu ogniwa, miejsca uszkodzenia, wymaganego czasu opóźnienia, docelowej temperatury strony chronionej, wymagań elektrycznych, obciążenia mechanicznego, dostępnej grubości i specyfikacji testu nadużyć. Próbki materiałów należy następnie poddać walidacji w reprezentatywnych zespołach.

Informacje inżynieryjne do zdefiniowania w pierwszej kolejności:

Skład chemiczny i format ogniwa, lokalizacja bariery, maksymalna dostępna grubość, wymagania dotyczące dielektryka, oczekiwany kierunek otworu wentylacyjnego, docelowy współczynnik propagacji ciepła, wymagania dotyczące kompresji, temperatura robocza, konstrukcja kleju, mocowanie mechaniczne i obowiązująca norma dotycząca testów nadużyć baterii.

Jak należy sprawdzać skuteczność bariery termicznej?

Materiał, który przejdzie test płomienia na małą próbkę, może nadal ulec uszkodzeniu wewnątrz samego akumulatora, ponieważ połączenia, elementy złączne, ścieżki wentylacyjne, ściskanie i sąsiednie elementy zmieniają ścieżkę przepływu ciepła.

Rozwiązaniem jest sprawdzenie wydajności na poziomie materiału i systemu w reprezentatywnych warunkach niestabilności termicznej. Norma UL 2596 ocenia materiały, z których wykonane są obudowy akumulatorów pod wpływem narażenia termicznego i mechanicznego, natomiast wymagania dotyczące bezpieczeństwa akumulatorów pojazdów elektrycznych, takie jak ISO 6469-1 i regulamin ONZ nr 100, dotyczą bezpieczeństwa systemów magazynowania energii wielokrotnego ładowania na poziomie pojazdu.^[1][5][6]

UNECE kontynuowała także prace nad bardziej rygorystycznymi wymogami w zakresie propagacji ciepła dla systemów akumulatorów pojazdów elektrycznych, podkreślając, że zabezpieczenie przed niekontrolowaną temperaturą jest kwestią bezpieczeństwa na poziomie systemu, a nie problemem dotyczącym palności pojedynczego materiału.^[6]

Chcesz wybrać barierę termiczną dla akumulatora EV?

W celu wstępnego przeglądu materiału należy przygotować lokalizację ogniwa, modułu lub pakietu, dostępną grubość, docelową temperaturę strony chronionej, wymagania dotyczące dielektryka, wymagania dotyczące kompresji, skład chemiczny ogniwa, kierunek odpowietrzenia, geometrię CAD, wymagania dotyczące kleju i mający zastosowanie cel testu niekontrolowanej niestabilności termicznej.

Właściwą barierę należy wybrać na podstawie rzeczywistego trybu awarii, a nie po prostu na podstawie wartości palności lub temperatury wydrukowanej w arkuszu danych.

Często zadawane pytania

Czy normalna izolacja elektryczna może przetrwać niestabilność termiczną akumulatora?

Nie koniecznie. Zwykła izolacja elektryczna może działać w normalnych temperaturach roboczych, ale traci wytrzymałość, kształt lub właściwości dielektryczne w przypadku ekstremalnej niekontrolowanej ekspozycji termicznej.

Czy norma UL 94 V-0 wystarczy dla bariery termicznej akumulatora EV?

Nie. V-0 wskazuje specyficzne zachowanie palności w standardowym teście, ale ochrona przed niekontrolowaną temperaturą zależy również od przenikania ciepła, grubości materiału, wentylacji, konstrukcji bariery i architektury opakowania.

Dlaczego mika jest lepsza od zwykłego plastiku w przypadku niestabilności termicznej?

Mika zapewnia znacznie większą stabilność dielektryczną i strukturalną w wysokiej temperaturze niż wiele zwykłych folii polimerowych, dzięki czemu jest przydatna do tworzenia sztywnych barier termicznych i elektrycznych.

Czy pianka silikonowa może chronić przed niekontrolowaną temperaturą?

Specjalnie opracowane i zatwierdzone materiały silikonowe mogą zapewnić ochronę przed rozprzestrzenianiem się ciepła, ale nie należy automatycznie zakładać, że zwykła pianka silikonowa zapewnia taką samą wydajność.

Jakie właściwości mają największe znaczenie w barierze termicznej?

Do ważnych właściwości należą odporność termiczna, ognioodporność, wytrzymałość dielektryczna, stabilność w wysokiej temperaturze, odporność na erozję, integralność mechaniczna, grubość, gęstość i zgodność ze strukturą akumulatora.

Czy najwyższa temperatura jest zawsze najlepszym wyborem?

Nie. Niestabilność cieplna zależy od strumienia ciepła, czasu ekspozycji, geometrii, grubości, konstrukcji materiału i projektu systemu, a nie samej wartości temperatury.

Perspektywa komponentów akumulatorów samochodowych na 15 lat

Bazując na 15-letnim doświadczeniu w produkcji podzespołów samochodowych i wiązek przewodów, nigdy nie zatwierdzam materiału izolacyjnego akumulatora tylko dlatego, że jest izolujący elektrycznie, trudnopalny lub przystosowany do długotrwałej pracy w wysokiej temperaturze.

Ucieczka termiczna stwarza zupełnie inne środowisko awarii: intensywne ciepło, płomień, ciśnienie, gorące cząstki, naprężenia elektryczne i czas ekspozycji działają razem. Niezawodnym rozwiązaniem jest najpierw zdefiniowanie rzeczywistej ścieżki uszkodzenia, a następnie wybranie miki, aerożelu, materiału ceramicznego, specjalnego silikonu lub konstrukcji wielowarstwowej, która może chronić dokładnie to miejsce.

Autorytatywne referencje

[1] Rozwiązania UL — ocena niestabilności termicznej obudowy akumulatora i UL 2596

[2] Rogers Corporation — gdzie UL 94 V-0 ma znaczenie w rzeczywistych projektach

[3] UL Prospector — Wybór materiałów przeciwpożarowych do akumulatora pojazdu elektrycznego

[4] Rogers Corporation — zapora sieciowa ProCell EV chroniąca przed propagacją ciepła

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

[6] UNECE — Regulamin ONZ nr 100, wersja 3, Bezpieczeństwo elektrycznych układów napędowych