De ce materialele obișnuite de izolație se defectează în timpul evadării termice a bateriei EV?

Izolația electrică obișnuită se poate înmuia, micșora, arde, carboniza, fisura sau pierde rezistența dielectrică atunci când este expusă la combinația de căldură extremă, flacără, particule fierbinți, presiune și gaze de aerisire generate în timpul evacuării termice a bateriei.

Soluția corectă este folosirea barierelor termice de evaporare special concepute pentru izolarea la temperaturi înalte, transfer scăzut de căldură, rezistență la flacără, stabilitate dielectrică și integritate mecanică în condiții de abuz. Un material care funcționează bine la temperatura normală de funcționare a bateriei nu este automat adecvat pentru un eveniment de evadare termică.

De ce este Thermal Runaway diferită de încălzirea normală a bateriei?

Izolația normală poate supraviețui funcționării pe termen lung la temperaturi ridicate, dar eșuează rapid atunci când evadarea termică adaugă flacără directă, presiune, particule fierbinți și flux de căldură concentrat.

Soluția este de a evalua izolația față de condițiile de abuz, mai degrabă decât doar valorile nominale de temperatură de utilizare continuă. UL Solutions notează că evaporarea termică a bateriei poate produce flacără asemănătoare unui jet, particule ejectate, temperatură ridicată și presiune în interiorul carcasei, ceea ce înseamnă că materialul de protecție trebuie să reziste mai multor mecanisme de defecțiune simultane.^[1]

Această distincție este critică. Un material evaluat pentru izolație electrică normală la 105°C, 125°C sau chiar mai mult poate pierde în continuare structura sau performanța dielectrică atunci când este expus la condiții termice de evadare directă.

De ce izolația polimerică obișnuită se poate înmuia sau prăbuși?

Multe pelicule și spume polimerice obișnuite sunt concepute pentru izolarea electrică, amortizarea sau etanșarea - nu pentru expunerea directă la căldură termică severă - astfel încât acestea se pot înmuia, contracta, topi sau deforma permanent.

Soluția corectă este alegerea materialelor a căror stabilitate termică rămâne suficientă sub temperatura reală de abuz și durata expunerii. Mica de înaltă temperatură, barierele pe bază de ceramică, sistemele de aerogel și materialele siliconice special formulate sunt de obicei luate în considerare atunci când izolația obișnuită nu își poate menține funcția.

Selectarea materialului trebuie să facă distincția între rezistența la temperatură de funcționare și rezistența la evaporare termică . Acestea nu sunt aceleași specificații.

De ce UL 94 V-0 singur nu este suficient?

Un material poate atinge UL 94 V-0 și poate oferi totuși o protecție inadecvată împotriva propagării termice de la celulă la celulă, deoarece o clasificare la scară mică a flăcării nu reprezintă evenimentul de evadare termică completă.

Soluția este de a trata clasificarea la flacără ca o singură proprietate a materialului și de a valida separat izolarea termică, rezistența la fluxul de căldură, retenția mecanică, expunerea la gaz de ventilație și performanța de propagare la nivel de sistem. Rogers notează în mod specific că, odată ce o celulă intră în fugă termică, o spumă V-0 nu oprește eliberarea de energie de la sine; Arhitectura pachetului și barierele termice rămân critice.^[2]

Aceasta este una dintre cele mai frecvente greșeli de specificație în materialele bateriilor: „V-0” nu înseamnă „rezistență termică”.

Ce moduri de eroare trebuie să supraviețuiască izolarea bateriei?

Dacă un inginer evaluează doar rezistența la flacără, izolația poate să se defecteze din cauza eroziunii, presiunii, particulelor fierbinți, defectării dielectricului, pierderii prin compresie sau transferului de căldură către celula adiacentă.

Soluția corectă este ecranizarea întregului mediu de defecțiune înainte de a alege materialul de barieră. Evaluarea carcasei bateriei de la UL combină în mod specific temperaturile ridicate, presiunea și particulele ejectate, deoarece fuga termică este un eveniment multi-fizic, mai degrabă decât un simplu test de flacără.^[1]

De ce contează o conductivitate termică scăzută?

Un material poate rămâne intact fizic, dar totuși eșuează ca barieră termică dacă căldura trece prin el suficient de repede pentru a declanșa celula vecină.

Soluția este de a controla atât supraviețuirea materialului, cât și transferul de căldură prin barieră. UL Prospector observă că aerogelurile, păturile ceramice și spumele de încapsulare pot funcționa bine la conductivitate termică și densitate scăzute, în timp ce mica oferă o izolare electrică puternică, dar poate necesita mai multă grosime pentru o protecție suficientă la foc.^[3]

Prin urmare, ținta importantă de proiectare nu este doar „materialul arde?”, ci și „câtă căldură ajunge în partea protejată și cât de repede?”

De ce foliile subțiri de plastic pot fi insuficiente?

Filmele subțiri de polimer pot asigura o separare dielectrică excelentă în timpul funcționării normale, dar conțin foarte puțină masă termică sau grosime pentru a rezista transferului de căldură susținut în timpul evadării termice.

Soluția corectă este utilizarea foliilor subțiri în primul rând pentru izolarea electrică acolo unde este cazul și adăugarea unei bariere termice dedicate atunci când riscul de propagare termică o impune. O structură multistrat poate separa funcțiile de izolație electrică, izolație termică, protecție mecanică și aderență.

Încercarea de a face ca o peliculă electrică subțire să îndeplinească toate cele patru funcții, de obicei, forțează compromisuri inacceptabile.

De ce poate fi insuficientă spuma obișnuită?

Spuma convențională poate funcționa bine ca tampon de compresie, etanșare sau absorbant de vibrații, dar își pierde rezistența sau performanța de izolație atunci când este expusă direct la evadarea termică.

Soluția este utilizarea spumei special formulate și validate pentru propagarea termică atunci când componenta trebuie să asigure atât protecție la compresie, cât și la foc. Materialele Rogers ProCell EV Firewall sunt exemple de sisteme elastomerice din silicon dezvoltate special pentru a combina funcționalitatea de compresie a bateriei cu protecția împotriva propagarii termice.^[4]

Aceasta ilustrează o regulă importantă: spuma de silicon obișnuită și barierele din silicon cu rating termic nu trebuie tratate automat ca aceeași clasă de material.

De ce este utilizată în mod obișnuit mica pentru protecția termică împotriva fugării?

Acolo unde izolația polimerică obișnuită nu poate reține izolarea electrică și structura barierei la temperaturi ridicate, defecțiunea poate expune celulele, barele colectoare sau componentele pachetului din apropiere.

Soluția este să folosiți mica acolo unde sunt necesare stabilitate dielectrică la temperatură ridicată și protecție termică rigidă. Mica are o capacitate puternică de izolare electrică și este utilizat pe scară largă în aplicațiile termice și de protecție împotriva incendiilor bateriilor EV, deși grosimea și construcția necesare depind încă de arhitectura specifică a pachetului.^[3]

Mica este deosebit de utilă pentru barierele de celule, pereții modulelor, izolarea barelor colectoare, protecția capacului pachetului și alte locații în care stabilitatea formei și izolația electrică contează.

Un material ar trebui să se ocupe de întreaga problemă de fugă termică?

Așteptând ca o foaie de izolație să ofere rezistență la foc, transfer de căldură ultra-scăzut, recuperare prin compresie, etanșare, control al vibrațiilor, izolație dielectrică și protecție structurală poate duce la un material scump care încă nu îndeplinește o cerință critică.

Soluția mai bună este adesea un sistem multistrat în care fiecare material îndeplinește funcția pe care o descurcă cel mai bine. De exemplu, mica poate oferi protecție dielectrică la temperatură înaltă, aerogelul poate reduce transferul de căldură, iar spuma de silicon specializată poate oferi rezistență la compresie și propagare termică.

UL Prospector observă, în mod similar, că pot fi necesare combinații de materiale pentru a satisface cerințele structurale și testele de evaporare termică solicitante.^[3]

Cum ar trebui să fie selectată izolația termică?

Selectarea materialului dintr-o fișă de date poate crea o încredere falsă, deoarece abuzul real al bateriei implică timp, flux de căldură, flacără, particule, presiune, geometrie și componente învecinate.

Soluția corectă este selectarea materialului din formatul real al celulei, locația defecțiunii, timpul de întârziere necesar, ținta de temperatură pe partea protejată, cerințele electrice, sarcina mecanică, grosimea disponibilă și specificațiile testului de abuz. Probele de material ar trebui apoi validate în ansambluri reprezentative.

Informații tehnice de definit mai întâi:

Chimia și formatul celulei, locația barierei, grosimea maximă disponibilă, cerințele dielectrice, direcția așteptată de ventilație, ținta de propagare termică, cerința de compresie, temperatura de funcționare, construcția adezivă, fixarea mecanică și standardul aplicabil de testare a abuzului bateriei.

Cum ar trebui să fie validată performanța barierei termice?

Un material care trece un test de flacără cu cupon mic poate eșua în interiorul bateriei reale, deoarece îmbinările, elementele de fixare, căile de aerisire, compresia și componentele învecinate modifică calea fluxului de căldură.

Soluția este de a valida atât performanța la nivel de material, cât și la nivel de sistem în condiții de evadare termică reprezentative. UL 2596 evaluează materialele carcasei bateriilor sub expunere termică și mecanică, în timp ce cerințele de siguranță ale bateriei EV, cum ar fi ISO 6469-1 și Regulamentul ONU nr. 100, abordează siguranța sistemului de stocare a energiei reîncărcabile la nivelul vehiculului.^[1][5][6]

UNECE a continuat, de asemenea, lucrările privind cerințele mai stricte de propagare termică pentru sistemele de baterii ale vehiculelor electrice, întărind faptul că protecția termică împotriva evaporării este o problemă de siguranță la nivel de sistem, mai degrabă decât o problemă de clasificare a flăcării cu un singur material.^[6]

Trebuie să selectați o barieră termică pentru o baterie EV?

Pentru o revizuire preliminară a materialului, pregătiți locația celulei, modulului sau pachetului, grosimea disponibilă, ținta de temperatură pe partea protejată, cerința dielectrică, cerința de compresie, chimia celulei, direcția de aerisire, geometria CAD, cerințele de adeziv și ținta de testare termică aplicabilă.

Bariera corectă ar trebui să fie selectată din modul de defectare reală - nu doar dintr-o valoare a flăcării sau un număr de temperatură imprimat pe o fișă de date.

FAQ

Poate supraviețui izolația electrică normală evadarea termică a bateriei?

Nu neapărat. Izolația electrică obișnuită poate funcționa la temperaturi normale de funcționare, dar își pierde rezistența, forma sau performanța dielectrică în timpul expunerii termice extreme.

Este UL 94 V-0 suficient pentru o barieră termică a bateriei EV?

Nr. V-0 indică un comportament specific de inflamabilitate în cadrul unui test standardizat, dar protecția termică la evaporare depinde și de transferul de căldură, grosimea materialului, aerisire, construcția barierei și arhitectura pachetului.

De ce este mica mai bună decât plasticul obișnuit pentru fuga termică?

Mica oferă o stabilitate structurală și dielectrică la temperatură înaltă mult mai puternică decât multe filme polimerice obișnuite, făcându-l util pentru bariere termice și electrice rigide.

Poate spuma de silicon să protejeze împotriva evadării termice?

Materialele siliconice special formulate și validate pot oferi protecție la propagarea termică, dar nu se presupune automat că spuma de silicon obișnuită oferă aceeași performanță.

Ce proprietăți contează cel mai mult într-o barieră termică de fuga?

Proprietățile importante includ rezistența termică, rezistența la flacără, rezistența dielectrică, stabilitatea la temperatură ridicată, rezistența la eroziune, integritatea mecanică, grosimea, densitatea și compatibilitatea cu structura bateriei.

Este cea mai mare evaluare a temperaturii întotdeauna cea mai bună alegere?

Nu. Performanța termică de evaporare depinde de fluxul de căldură, timpul de expunere, geometria, grosimea, construcția materialului și designul sistemului — nu numai evaluarea temperaturii.

Perspectivă asupra componentelor bateriei auto pe 15 ani

Pe baza a 15 ani de experiență în fabricarea componentelor auto și a cablajelor de sârmă, nu aprob niciodată un material de izolație a bateriei pur și simplu pentru că este izolator electric, ignifug sau pentru o temperatură continuă ridicată.

Evadarea termică creează un mediu de defectare complet diferit: căldura intensă, flacăra, presiunea, particulele fierbinți, stresul electric și timpul de expunere acționează împreună. Soluția de încredere este să definiți mai întâi calea de defecțiune reală și apoi să selectați mica, aerogel, material ceramic, silicon special sau o construcție multistrat care poate proteja exact acea locație.

Referințe autorizate

[1] Soluții UL — Evaluare de evadare termică a carcasei bateriei și UL 2596

[2] Rogers Corporation — Unde contează UL 94 V-0 în proiectele din lumea reală

[3] UL Prospector — Selectarea materialelor de protecție împotriva incendiilor pentru o baterie EV

[4] Rogers Corporation — ProCell EV Firewall Thermal Propagation Protection

[5] ISO — ISO 6469-1:2019 Vehicule rutiere cu propulsie electrică, Siguranța sistemului de stocare a energiei reîncărcabile

[6] UNECE — Regulamentul ONU nr. 100 Rev.3, Siguranța trenurilor electrice