Как листы слюды используются на уровне элементов, модулей и пакетов в аккумуляторах для электромобилей?

Если позволить тепловому неконтролируемому теплу свободно перемещаться от одного элемента к другому, отказ локальной батареи может перерасти в распространение на уровне модуля и в конечном итоге поставить под угрозу весь аккумуляторный блок.

Поэтому наиболее эффективное использование слюды различно на каждом уровне: тонкие барьеры между ячейками, более крупные тепловые и электрические барьеры вокруг модулей и огнестойкая изоляция на крышках упаковки, стенах, шинах и других важных интерфейсах. Слюда не является активным охлаждающим материалом; его основная роль заключается в задержке теплопередачи, поддержании диэлектрического разделения и защите окружающих конструкций во время аномальных высокотемпературных явлений.

Как слюда используется на клеточном уровне?

Когда две ячейки плотно упакованы вместе, прямая передача тепла между поверхностями может позволить неисправной ячейке быстро нагреть соседнюю и увеличить риск распространения тепла от ячейки к ячейке.

Решение состоит в том, чтобы установить тонкие листы слюды, ламинаты слюды или специальные барьеры на основе слюды между соседними элементами там, где архитектура батареи требует термического и диэлектрического разделения. Барьер создает дополнительное тепловое сопротивление, сохраняя при этом электрическую изоляцию между проводящими поверхностями клеток и окружающими структурами.

Жесткая слюда и слюдяные ламинаты используются в качестве барьеров между аккумуляторными элементами, поскольку они сохраняют электроизоляционные способности при повышенных температурах и могут помочь замедлить передачу тепла во время термического воздействия.^[1]

Слюда на уровне ячеек особенно практична для призматических компоновок и компоновок с ячейками, где большие плоские поверхности обращены друг к другу. Вместо этого в архитектурах с цилиндрическими ячейками могут использоваться фасонные барьеры, гильзы, кольца, прокладки или другие материалы, распространяющие тепло, в зависимости от расстояния между ячейками и направления вентиляции.

Слюда не должна блокировать предусмотренный вентиляционный путь ячейки. Барьер, который замедляет боковое распространение тепла, но перенаправляет горячий газ к другому критическому компоненту, может создать другой режим отказа.

Как слюда используется на уровне модуля?

Даже если отдельные ячейки имеют тепловые барьеры, серьезное событие может привести к сильному нагреву корпуса модуля, шин, торцевых пластин, соседних групп ячеек и электрических компонентов.

Решение состоит в том, чтобы использовать более крупные слюдяные компоненты в качестве барьеров со стороны модуля, изоляции торцевой панели, изоляции шин, верхней защиты и термического разделения между группами ячеек. На этом уровне слюда больше не защищает только один интерфейс ячейки; он становится частью архитектуры распространения тепла и электроизоляции модуля.

Компоненты слюды обычно используются для электрической изоляции между элементами, модулями и проводящими частями, а также для тепловых барьеров и огнестойкой защиты внутри аккумуляторных систем электромобилей.^[2]

При выборе материала на уровне модуля также следует учитывать сжатие. Некоторые конструкции аккумуляторов требуют контролируемого давления на пакет или призматические элементы. Это означает, что жесткий лист слюды можно комбинировать с более податливой подушкой, а не ожидать, что он сам по себе обеспечит как противопожарную защиту, так и управление сжатием.

Как слюда используется на уровне упаковки?

Если тепловое событие выходит за пределы модуля, горячий газ, пламя, частицы и лучистое тепло могут поразить крышку аккумулятора, стену корпуса, высоковольтные шины, проводку, разъемы или близлежащие конструкции автомобиля.

Решение состоит в том, чтобы использовать более крупные листы слюды и фасонные компоненты вокруг критически важных границ упаковки, включая нижнюю часть крышки упаковки, стены по периметру, интерфейсы между модулями, области шин и высоковольтные электрические компоненты. Слюда на уровне упаковки обеспечивает окончательный тепловой и диэлектрический барьер между внутренней зоной отказа батареи и корпусом или транспортным средством.

Промышленные применения включают барьеры ячеек и модулей, изоляцию по внутреннему периметру аккумуляторного блока, защиту крышки аккумулятора и гибкую слюдяную изоляцию вокруг таких компонентов, как шины и проводка.^[3]

Уровень упаковки обычно требует большего покрытия поверхности, чем барьеры на уровне ячеек, поэтому вес, толщина, крепление, вибростойкость, вырезы, вентиляционные отверстия и допуски сборки становятся более важными.

Добавление повсюду самого толстого листа слюды автоматически не является самой безопасной конструкцией. Тепловые барьеры должны обеспечивать вентиляцию газа, сброс давления, охлаждающие пластины, электрические зазоры, удобство обслуживания и общую массу упаковки.

В чем разница между слюдой на уровне ячейки, модуля и упаковки?

Использование одинаковой толщины и геометрии слюды на каждом уровне батареи может привести к увеличению массы, но при этом наиболее важные тепловые пути останутся недостаточно защищенными.

Правильным решением является выбор слюды в соответствии с характером отказа в каждом месте, а не рассматривать ее как один универсальный изоляционный лист батареи. Барьеры ячеек отдают приоритет локальному контролю распространения, барьеры модулей защищают более крупные электрические и структурные зоны, а барьеры пакетов защищают корпус и интерфейс транспортного средства.

Упрощенная логика проектирования:

Уровень ячейки: предотвращение попадания тепла непосредственно в соседнюю ячейку.
Уровень модуля: не допускайте компрометации всего модуля одной группой ячеек.
Уровень упаковки: Предотвращает воздействие тепла и пламени на уровне модуля на корпус и окружающий автомобиль.

Как следует выбирать толщину слюды?

Слишком тонкий лист слюды может не обеспечить достаточную тепловую задержку, в то время как излишне толстый лист увеличивает вес упаковки, стоимость, высоту стопки и сложность сборки.

Решение состоит в том, чтобы определить толщину с помощью испытаний на тепловое распространение, диэлектрических требований, механических ограничений, времени воздействия и местоположения барьера. Не существует единой толщины слюды, подходящей для каждой батареи электромобиля.

Требуемая конструкция зависит от химического состава ячеек, формата ячеек, запасенной энергии, расстояния, ожидаемого теплового потока, направления отходящего газа, допустимой температуры на защищаемой стороне, марки слюды, системы связующего, а также от того, используется ли материал отдельно или как часть многослойного барьера.

По этой причине выбор материала должен основываться на репрезентативных испытаниях батарей, а не просто на выборе «слюды 1 мм» или «слюды 2 мм» из общего каталога.

Должна ли слюда заменить аэрогель или силиконовую пену?

Использование слюды, аэрогеля и силиконовой пены как взаимозаменяемых материалов может привести к ухудшению тепловых характеристик, поскольку каждый материал решает различную комбинацию проблем изоляции, сжатия, герметизации и огнезащиты.

Лучшим решением часто является многослойная конструкция, в которой слюда обеспечивает высокотемпературный диэлектрик и защиту от пламени, а другой материал обеспечивает низкую теплопроводность, податливость, амортизацию или герметизацию. Комбинации материалов следует выбирать с учетом фактической конструкции батареи и результатов испытаний на неправильное обращение.

Слюда особенно полезна там, где необходимы структурные тепловые барьеры и электрическая изоляция. Материалы на основе аэрогеля могут обеспечить очень низкую теплопроводность, а силиконовые пены могут обеспечить восстановление после сжатия и аккомодацию зазора.

Не следует ожидать, что один материал будет выполнять все функции аккумуляторной батареи.

Что следует проверить перед проектированием детали слюдяной батареи?

Заказ плоского листа слюды до подтверждения геометрии батареи может привести к закупорке вентиляционных отверстий, недостаточному монтажному зазору, растрескиванию материала, незакрытым путям прохождения тепла или помехам в шинах и охлаждающих конструкциях.

Правильным решением является проектирование слюдяного компонента на основе CAD фактической ячейки, модуля или пакета и сценария термического выхода из-под контроля. Толщина, вырезы, отверстия, краевые расстояния, требования к изгибу, клей, метод монтажа, требования к диэлектрике и допустимые допуски на размеры должны быть определены до резки прототипа.

Инженерная информация для предоставления:

Отправьте формат элемента, расположение слюды, чертеж САПР, требуемый диапазон толщины, максимальные размеры, диэлектрическую цель, цель термобарьера, требования к клею, требования к сжатию, рабочую температуру и применимые спецификации испытаний батареи на неправильное использование.

Как следует проверять тепловые барьеры из слюды?

Лист слюды может выдержать лабораторное испытание пламенем, но все равно выйдет из строя внутри батареи, если горячие частицы минуют барьер, соединения разомкнутся во время вибрации или передача тепла через непокрытые края и крепежные детали.

Решение состоит в том, чтобы проверить как материал, так и собранную архитектуру батареи в репрезентативных условиях термического разгона, электрических, механических условиях и условиях окружающей среды. Сама по себе воспламеняемость материала не доказывает, что конструкция элемента, модуля или блока может контролировать распространение тепла.

UL Solutions проводит испытания аккумуляторов электромобилей на предмет неправильного обращения, пожара и распространения тепла, а также перечисляет стандарты, в том числе UL 2580, GB 38031, SAE J2464, SAE J2929, UN 38.3 и UNECE R100, среди широко используемых систем тестирования аккумуляторов.^[4]

ISO 6469-1 определяет требования безопасности для перезаряжаемых систем хранения энергии, используемых в дорожных транспортных средствах с электрическим приводом, а работа ЕЭК ООН над Правилами № 100 конкретно касается распространения тепла и защиты пассажиров от опасных событий, связанных с аккумуляторами.^[5][6]

Нужен специальный лист слюды для аккумулятора электромобиля?

Для проверки прототипа подготовьте CAD ячейки, модуля или пакета, место установки слюды, целевую толщину, требования к диэлектрическим характеристикам, целевой показатель теплового разгона, максимальные размеры, вырезы, конструкцию клея, количество образцов и годовую потребность.

Если сначала определить точный уровень установки, гораздо проще выбрать правильный сорт, толщину, геометрию и производственный процесс слюды.

Часто задаваемые вопросы

Для чего используется слюда в аккумуляторе электромобиля?

Слюда в основном используется для высокотемпературной электроизоляции, тепловых барьеров, противопожарной защиты и контроля распространения тепла вокруг ячеек, модулей, шин и конструкций аккумуляторных батарей.

Можно ли поместить слюду между элементами батареи?

Да. Тонкие листы слюды или специальные слюдяные барьеры могут быть установлены между соседними элементами, если конструкция батареи требует дополнительной диэлектрической изоляции и сопротивления распространению тепла.

Где используется слюда в аккумуляторном модуле?

Типичные места включают границы групп ячеек, боковые стенки модулей, торцевые пластины, шины, верхнюю защиту и электропроводящие конструкции, требующие диэлектрической изоляции.

Где используется слюда в аккумуляторной батарее?

Слюду можно использовать под крышкой упаковки, вдоль стенок шкафа, между модулями, вокруг шин и высоковольтных компонентов, а также в других местах, где требуются тепловые или электрические барьеры.

Остановит ли слюда тепловой выход?

Ни один материал не может гарантировать, что не произойдет температурный разгон. Слюда используется в качестве пассивного барьера для замедления теплопередачи, поддержания изоляции и помогает уменьшить или задержать распространение тепла на соседние компоненты.

Всегда ли более толстая слюда лучше для аккумуляторов электромобилей?

Нет. Большая толщина может повысить барьерную способность некоторых конструкций, но также увеличивает вес, занимаемое упаковочное пространство, стоимость и сложность сборки. Толщина должна быть проверена для конкретной архитектуры батареи.

Следует ли тестировать слюду на уровне ячейки, модуля или упаковки?

Окончательный уровень валидации должен отражать то, как используется материал. Проверка на уровне ячеек полезна, но испытания на уровне модулей и пакетов все равно могут потребоваться, поскольку пути распространения, вентиляционные газы, геометрия корпуса и соседние компоненты меняют поведение системы.

15-летний взгляд на компоненты автомобильных аккумуляторов

Основываясь на 15-летнем опыте производства автомобильных компонентов и жгутов проводов, я выбираю слюду не только по температурному классу или толщине. Первый вопрос всегда заключается в том, где находится деталь: ячейка, модуль или пакет.

Клеточный барьер должен контролировать локальную передачу тепла, не нарушая вентиляцию; барьер модуля должен защищать электрические и структурные интерфейсы; а вьючный барьер должен защищать ограждение и окружающее транспортное средство. Надежная конструкция достигается за счет соответствия марки слюды, толщины, формы, метода крепления и проверочных испытаний конкретному пути отказа.

Авторитетные ссылки

[1] Elmelin — слюдяная изоляция для безопасности аккумуляторов электромобилей и барьеров для ячеек

[2] Elmelin — Слюдяные компоненты для тепло- и электроизоляции аккумуляторов

[3] Electrolock — защита от термического разгона в аккумуляторах электромобилей: роль слюды

[4] Решения UL — злоупотребление батареями электромобилей, испытания на распространение огня и тепла

[5] ISO — ISO 6469-1:2019 Дорожные транспортные средства с электроприводом, безопасность систем хранения перезаряжаемой энергии

[6] ЕЭК ООН — Правила ООН № 100 «Работы по распространению тепла»