Como as folhas de mica são usadas nos níveis de célula, módulo e pacote em baterias EV?

Se o calor térmico descontrolado puder se mover livremente de uma célula para outra, uma falha local da bateria poderá se transformar em propagação no nível do módulo e, eventualmente, ameaçar todo o conjunto de baterias.

O uso mais eficaz da mica é, portanto, diferente em cada nível: barreiras finas entre células, barreiras térmicas e elétricas maiores ao redor dos módulos e isolamento resistente ao fogo em tampas de embalagens, paredes, barramentos e outras interfaces críticas. A mica não é um material de resfriamento ativo; sua principal função é retardar a transferência de calor, manter a separação dielétrica e proteger as estruturas circundantes durante eventos anormais de alta temperatura.

Como a mica é usada no nível celular?

Quando duas células estão firmemente compactadas, a transferência direta de calor superfície a superfície pode permitir que uma célula em falha aqueça rapidamente sua vizinha e aumente o risco de propagação térmica célula a célula.

A solução é instalar folhas finas de mica, laminados de mica ou barreiras projetadas à base de mica entre células adjacentes onde a arquitetura da bateria requer separação térmica e dielétrica. A barreira cria resistência térmica adicional enquanto mantém o isolamento elétrico entre as superfícies das células condutoras e as estruturas circundantes.

A mica rígida e os laminados de mica são usados ​​como barreiras entre as células da bateria porque retêm a capacidade de isolamento elétrico em temperaturas elevadas e podem ajudar a retardar a transferência de calor durante um evento térmico.^[1]

A mica em nível de célula é particularmente prática com layouts prismáticos e de células em bolsa, onde grandes superfícies planas ficam voltadas uma para a outra. As arquiteturas de células cilíndricas podem, em vez disso, usar barreiras moldadas, mangas, anéis, espaçadores ou outros materiais de propagação térmica, dependendo do espaçamento da célula e da direção de ventilação.

A mica não deve bloquear o caminho de ventilação da célula projetado. Uma barreira que retarda a propagação lateral do calor, mas redireciona o gás quente para outro componente crítico, pode criar um modo de falha diferente.

Como a Mica é usada no nível do módulo?

Mesmo quando células individuais possuem barreiras térmicas, um evento grave ainda pode expor a estrutura do módulo, os barramentos, as placas terminais, os grupos de células vizinhos e os componentes elétricos a calor extremo.

A solução é usar componentes maiores de mica como barreiras laterais do módulo, isolamento da placa final, isolamento do barramento, proteção superior e separação térmica entre grupos de células. Neste nível, a mica não protege mais apenas uma interface celular; torna-se parte da arquitetura de propagação térmica e isolamento elétrico do módulo.

Os componentes de mica são comumente usados ​​para isolamento elétrico entre células, módulos e peças condutoras, bem como para barreiras térmicas e proteção resistente ao fogo dentro de sistemas de baterias EV.^[2]

A seleção de materiais em nível de módulo também deve considerar a compressão. Algumas arquiteturas de bateria precisam de pressão controlada na bolsa ou nas células prismáticas, o que significa que uma folha de mica rígida pode ser combinada com uma almofada mais compatível, em vez de fornecer proteção contra incêndio e gerenciamento de compressão por si só.

Como a Mica é usada no nível do pacote?

Se um evento térmico escapar do módulo, gases quentes, chamas, partículas e calor radiante poderão atacar a tampa da bateria, a parede do gabinete, os barramentos de alta tensão, a fiação, os conectores ou as estruturas próximas do veículo.

A solução é usar folhas de mica maiores e componentes moldados em torno dos limites críticos do pacote, incluindo a parte inferior da tampa do pacote, paredes perimetrais, interfaces módulo a módulo, regiões de barramentos e componentes elétricos de alta tensão. A mica em nível de pacote fornece uma barreira térmica e dielétrica final entre a zona de falha interna da bateria e o gabinete ou veículo.

As aplicações industriais incluem barreiras de células e módulos, isolamento ao redor do perímetro interno da bateria, proteção da tampa do pacote e isolamento flexível de mica ao redor de componentes como barramentos e fiação.^[3]

O nível do pacote geralmente requer uma cobertura de superfície maior do que as barreiras no nível da célula, portanto, peso, espessura, fixação, resistência à vibração, recortes, aberturas de ventilação e tolerâncias de montagem tornam-se mais importantes.

Adicionar a folha de mica mais espessa em todos os lugares não é automaticamente o design mais seguro. As barreiras térmicas devem funcionar com ventilação de gás, alívio de pressão, placas de resfriamento, folgas elétricas, facilidade de manutenção e massa total do pacote.

Qual é a diferença entre mica de nível de célula, módulo e pacote?

Usar a mesma espessura e geometria de mica em todos os níveis da bateria pode adicionar massa desnecessária e, ao mesmo tempo, deixar os caminhos térmicos mais importantes insuficientemente protegidos.

A solução correta é selecionar a mica de acordo com o modo de falha em cada local, em vez de tratá-la como uma folha universal de isolamento de bateria. As barreiras celulares priorizam o controle de propagação local, as barreiras modulares protegem zonas elétricas e estruturais maiores e as barreiras compactas protegem o gabinete e a interface do veículo.

Uma lógica de design simplificada é:

Nível da Célula: Impede que o calor se mova diretamente para a célula vizinha.
Nível do Módulo: Evita que um grupo de células comprometa o módulo completo.
Nível do pacote: evita que o calor e a chama no nível do módulo ataquem o gabinete e o veículo ao redor.

Como a espessura da mica deve ser selecionada?

Uma folha de mica muito fina pode não fornecer atraso térmico suficiente, enquanto uma folha desnecessariamente espessa aumenta o peso da embalagem, o custo, a altura da pilha e a dificuldade de montagem.

A solução é determinar a espessura através de testes de propagação térmica, requisitos dielétricos, restrições mecânicas, tempo de exposição e localização da barreira. Não existe uma espessura única de mica correta para todas as baterias EV.

A construção necessária depende da química da célula, formato da célula, energia armazenada, espaçamento, fluxo de calor esperado, direção do gás de ventilação, temperatura permitida no lado protegido, grau de mica, sistema aglutinante e se o material é usado sozinho ou como parte de uma barreira multicamadas.

Por esse motivo, a seleção do material deve ser baseada em testes representativos da bateria, em vez de simplesmente especificar “1 mm mica” ou “2 mm mica” em um catálogo genérico.

A Mica Deve Substituir o Aerogel ou a Espuma de Silicone?

Tratar mica, aerogel e espuma de silicone como materiais intercambiáveis ​​pode criar um desempenho térmico ruim porque cada material resolve uma combinação diferente de problemas de isolamento, compressão, vedação e proteção contra fogo.

A melhor solução geralmente é um design multicamadas em que a mica fornece proteção dielétrica e contra chamas em alta temperatura, enquanto outro material fornece baixa condutividade térmica, conformidade, amortecimento ou vedação. As combinações de materiais devem ser selecionadas de acordo com a arquitetura real da bateria e o resultado do teste de abuso.

A mica é particularmente útil onde são necessárias barreiras térmicas estruturais e isolamento elétrico. Os materiais à base de aerogel podem oferecer condutividade térmica muito baixa, enquanto as espumas de silicone podem proporcionar recuperação de compressão e acomodação de lacunas.

Não se deve esperar que um material desempenhe todas as funções da bateria.

O que deve ser verificado antes de projetar uma peça de bateria de mica?

Encomendar uma folha de mica plana antes de confirmar a geometria da bateria pode resultar em aberturas de ventilação bloqueadas, folga insuficiente na montagem, material rachado, caminhos térmicos descobertos ou interferência em barramentos e estruturas de resfriamento.

A solução correta é projetar o componente de mica a partir do CAD real da célula, módulo ou pacote e do cenário de fuga térmica. Espessura, recortes, furos, distâncias de borda, requisitos de dobra, adesivo, método de montagem, requisitos dielétricos e tolerâncias dimensionais permitidas devem ser definidos antes do corte do protótipo.

Informações de engenharia a serem fornecidas:

Envie o formato da célula, localização da mica, desenho CAD, faixa de espessura necessária, dimensões máximas, alvo dielétrico, alvo de barreira térmica, requisito de adesivo, requisito de compressão, temperatura operacional e especificação aplicável de teste de abuso de bateria.

Como as barreiras térmicas de mica devem ser validadas?

Uma folha de mica pode sobreviver a um teste de chama de laboratório, mas ainda assim falhar dentro de uma bateria se partículas quentes ultrapassarem a barreira, se as juntas se abrirem durante a vibração ou se houver transferência de calor através de bordas e fixadores descobertos.

A solução é validar o material e a arquitetura da bateria montada sob condições representativas de fuga térmica, elétrica, mecânica e ambiental. A inflamabilidade do material por si só não demonstra que um projeto de célula, módulo ou pacote possa controlar a propagação térmica.

A UL Solutions realiza testes de abuso de bateria EV, incêndio e propagação térmica e lista padrões incluindo UL 2580, GB 38031, SAE J2464, SAE J2929, UN 38.3 e UNECE R100 entre estruturas de teste de bateria comumente usadas.^[4]

A ISO 6469-1 especifica os requisitos de segurança para sistemas recarregáveis ​​de armazenamento de energia utilizados em veículos rodoviários de propulsão elétrica, enquanto o trabalho da UNECE no Regulamento n.º 100 aborda especificamente a propagação térmica e a proteção dos ocupantes contra eventos perigosos da bateria.^[5][6]

Precisa de uma folha de mica personalizada para uma bateria EV?

Para uma revisão do protótipo, prepare o CAD da célula, módulo ou pacote, local de instalação da mica, alvo de espessura, requisito dielétrico, alvo de fuga térmica, dimensões máximas, recortes, construção adesiva, quantidade de amostra e demanda anual.

Definir primeiro o nível exato de instalação torna muito mais fácil selecionar o grau de mica, espessura, geometria e processo de fabricação corretos.

Perguntas frequentes

Para que é usada a mica em uma bateria EV?

A mica é usada principalmente para isolamento elétrico de alta temperatura, barreiras térmicas, proteção contra incêndio e controle de propagação de fuga térmica em torno de células, módulos, barramentos e estruturas de baterias.

A mica pode ser colocada entre as células da bateria?

Sim. Folhas finas de mica ou barreiras de mica projetadas podem ser instaladas entre células adjacentes onde o projeto da bateria requer isolamento dielétrico adicional e resistência à propagação térmica.

Onde a mica é usada em um módulo de bateria?

Locais típicos incluem limites de grupos de células, paredes laterais de módulos, placas finais, barramentos, proteção superior e estruturas eletricamente condutoras que exigem isolamento dielétrico.

Onde a mica é usada em uma bateria?

A mica pode ser usada sob a tampa do pacote, ao longo das paredes do gabinete, entre módulos, ao redor de barramentos e componentes de alta tensão e em outros locais que exijam barreiras térmicas ou elétricas.

A Mica impede a fuga térmica?

Nenhum material pode garantir que não ocorrerá fuga térmica. A mica é usada como barreira passiva para retardar a transferência de calor, manter o isolamento e ajudar a reduzir ou retardar a propagação para componentes vizinhos.

A mica mais espessa é sempre melhor para baterias EV?

Não. Uma espessura maior pode melhorar a capacidade de barreira em alguns projetos, mas também aumenta o peso, o espaço de embalagem, o custo e a dificuldade de montagem. A espessura deve ser validada para a arquitetura específica da bateria.

A Mica deve ser testada em nível de célula, módulo ou pacote?

O nível de validação final deve refletir como o material é utilizado. A triagem em nível de célula é útil, mas testes em nível de módulo e pacote ainda podem ser necessários porque caminhos de propagação, gases de ventilação, geometria do invólucro e componentes vizinhos alteram o comportamento do sistema.

Perspectiva de componentes de baterias automotivas em 15 anos

Com base em 15 anos de experiência na fabricação de componentes automotivos e chicotes de fios, não seleciono a mica apenas pela classificação de temperatura ou espessura. A primeira pergunta é sempre onde fica a peça: Célula, Módulo ou Pacote.

Uma barreira celular deve controlar a transferência de calor local sem perturbar a ventilação; uma barreira modular deve proteger as interfaces elétricas e estruturais; e uma barreira de embalagem deve proteger o recinto e o veículo circundante. O design confiável vem da combinação do grau, espessura, formato, método de fixação e teste de validação da mica com esse caminho exato de falha.

Referências autorizadas

[1] Elmelin — Isolamento de mica para segurança de baterias EV e barreiras celulares

[2] Elmelin — Componentes de mica para isolamento térmico e elétrico de baterias

[3] Electrolock — Proteção contra fuga térmica em baterias EV: o papel da mica

[4] Soluções UL — Testes de abuso de bateria EV, incêndio e propagação térmica

[5] ISO — ISO 6469-1:2019 Veículos rodoviários com propulsão elétrica, segurança de sistemas de armazenamento de energia recarregável

[6] UNECE — Regulamento da ONU nº 100 Trabalho de Propagação Térmica