Почему обычные изоляционные материалы выходят из строя при перегреве батареи электромобиля?

Обычная электроизоляция может размягчаться, сжиматься, гореть, обугливаться, растрескиваться или терять диэлектрическую прочность под воздействием экстремального тепла, пламени, горячих частиц, давления и отходящих газов, образующихся во время теплового разгона батареи.

Правильным решением является использование термозащитных барьеров, специально разработанных для высокотемпературной изоляции, низкой теплопередачи, огнестойкости, диэлектрической стабильности и механической целостности в условиях неправильного обращения. Материал, который хорошо работает при нормальной рабочей температуре аккумулятора, не является автоматически пригодным для термического выхода из-под контроля.

Почему тепловой разгон отличается от обычного нагрева батареи?

Обычная изоляция может выдержать длительную эксплуатацию при повышенной температуре, но быстро выйдет из строя, когда термический неуправляемый эффект добавляет прямое пламя, давление, горячие частицы и концентрированный тепловой поток.

Решение состоит в том, чтобы оценить изоляцию от условий неправильного обращения, а не просто оценить температурные показатели непрерывного использования. UL Solutions отмечает, что термический разгон батареи может привести к образованию струйного пламени, выбросу частиц, высокой температуре и давлению внутри корпуса, а это означает, что защитный материал должен выдерживать несколько одновременных механизмов отказа.^[1]

Это различие имеет решающее значение. Материал, рассчитанный на нормальную электроизоляцию при температуре 105 °C, 125 °C или даже выше, может все равно потерять структуру или диэлектрические характеристики при воздействии прямых термических условий.

Почему обычная полимерная изоляция может размягчиться или разрушиться?

Многие обычные полимерные пленки и пенопласты предназначены для электроизоляции, амортизации или герметизации, а не для прямого воздействия сильного теплового излучения, поэтому они могут размягчаться, сжиматься, плавиться или необратимо деформироваться.

Правильным решением является выбор материалов, термическая стабильность которых остается достаточной при фактической температуре эксплуатации и длительности воздействия. Высокотемпературная слюда, барьеры на керамической основе, системы аэрогеля и специально разработанные силиконовые материалы обычно используются в тех случаях, когда обычная изоляция не может сохранять свои функции.

При выборе материала необходимо различать устойчивость к рабочей температуре и устойчивость к тепловому выходу из-под контроля . Это не одна и та же спецификация.

Почему одного только UL 94 V-0 недостаточно?

Материал может соответствовать требованиям UL 94 V-0 и при этом обеспечивать недостаточную защиту от распространения тепла от ячейки к ячейке, поскольку классификация мелкомасштабного пламени не отражает полного события термического выхода из-под контроля.

Решение состоит в том, чтобы рассматривать класс пламени как одно из свойств материала и отдельно проверять теплоизоляцию, сопротивление теплового потока, механическое удержание, воздействие выхлопных газов и характеристики распространения на уровне системы. Роджерс особо отмечает, что как только ячейка выходит из-под контроля температуры, пена V-0 сама по себе не останавливает выделение энергии; архитектура упаковки и тепловые барьеры остаются критически важными.^[2]

Это одна из самых распространенных ошибок в спецификации материалов для аккумуляторов: «V-0» не означает «устойчивость к температурному побегу».

Какие режимы отказов должна выдерживать изоляция батареи?

Если инженер оценивает только огнестойкость, изоляция все равно может выйти из строя из-за эрозии, давления, горячих частиц, пробоя диэлектрика, потерь при сжатии или передачи тепла соседнему элементу.

Правильным решением является проверка всей среды сбоя перед выбором барьерного материала. Оценка аккумуляторного корпуса UL специально учитывает высокую температуру, давление и выбрасываемые частицы, поскольку тепловой разгон — это мультифизическое явление, а не простое испытание пламенем.^[1]

Почему важна низкая теплопроводность?

Материал может оставаться физически неповрежденным, но при этом не выполнять функцию теплового барьера, если тепло проходит через него достаточно быстро, чтобы активировать соседнюю ячейку.

Решение состоит в том, чтобы контролировать как живучесть материала, так и передачу тепла через барьер. UL Prospector отмечает, что аэрогели, керамические покрытия и герметизирующие пены могут хорошо работать при низкой теплопроводности и плотности, в то время как слюда обеспечивает надежную электрическую изоляцию, но может потребоваться большая толщина для достаточной противопожарной защиты.^[3]

Поэтому важной целью проектирования является не просто «горит ли материал?», но также «сколько тепла достигает защищаемой стороны и как быстро?»

Почему тонких пластиковых пленок может быть недостаточно?

Тонкие полимерные пленки могут обеспечить превосходное диэлектрическое разделение во время нормальной работы, но содержат очень небольшую тепловую массу или толщину, чтобы противостоять устойчивой передаче тепла во время неконтролируемой теплопередачи.

Правильным решением является использование тонких пленок в первую очередь для электрической изоляции, где это возможно, и добавление специального теплового барьера, когда этого требует риск распространения тепла. Многослойная структура позволяет разделить функции электроизоляции, теплоизоляции, механической защиты и адгезии.

Попытка заставить одну тонкую электрическую пленку выполнять все четыре функции обычно приводит к неприемлемым компромиссам.

Почему обычной пены может быть недостаточно?

Обычный пенопласт может хорошо работать в качестве компрессионной прокладки, уплотнителя или поглотителя вибрации, но теряет прочность или изоляционные характеристики при прямом воздействии теплового неконтролируемого воздействия.

Решение состоит в том, чтобы использовать пену, специально разработанную и проверенную для распространения тепла, когда компонент должен обеспечивать как сжатие, так и огнезащиту. Материалы Rogers ProCell EV Firewall представляют собой примеры силиконовых эластомерных систем, разработанных специально для объединения функций сжатия аккумуляторов с защитой от распространения тепла.^[4]

Это иллюстрирует важное правило: обычную силиконовую пену и силиконовые барьеры, устойчивые к неуправляемому нагреву, не следует автоматически рассматривать как один и тот же класс материала.

Почему слюда обычно используется для защиты от термического разгона?

Если обычная полимерная изоляция не может сохранять электрическую изоляцию и барьерную структуру при высокой температуре, разрушение может привести к повреждению близлежащих ячеек, шин или компонентов блока.

Решением является использование слюды там, где необходимы высокотемпературная диэлектрическая стабильность и жесткая тепловая защита. Слюда обладает сильными электроизоляционными свойствами и широко используется в системах термической и противопожарной защиты аккумуляторов электромобилей, хотя требуемая толщина и конструкция по-прежнему зависят от конкретной архитектуры аккумулятора.^[3]

Слюда особенно полезна для барьеров ячеек, стенок модулей, изоляции шин, защиты крышек упаковки и других мест, где важны стабильность формы и электрическая изоляция.

Должен ли один материал решить всю проблему теплового разгона?

Ожидание, что один изоляционный лист обеспечит огнестойкость, сверхнизкую теплопередачу, восстановление при сжатии, герметизацию, контроль вибрации, диэлектрическую изоляцию и структурную защиту, может привести к тому, что дорогой материал по-прежнему не соответствует одному важнейшему требованию.

Лучшим решением часто является многослойная система, в которой каждый материал выполняет ту функцию, с которой он справляется лучше всего. Например, слюда может обеспечить диэлектрическую защиту при высоких температурах, аэрогель может уменьшить теплопередачу, а специальная силиконовая пена может обеспечить устойчивость к сжатию и распространению тепла.

UL Prospector также отмечает, что комбинации материалов могут быть необходимы для удовлетворения структурных требований и проведения испытаний на термоустойчивость.^[3]

Как следует выбирать теплоизоляцию?

Выбор материала только по температурным характеристикам таблицы данных может создать ложную уверенность, поскольку реальное злоупотребление аккумулятором связано со временем, тепловым потоком, пламенем, частицами, давлением, геометрией и соседними компонентами.

Правильным решением является выбор материала с учетом фактического формата элемента, места отказа, требуемого времени задержки, целевой температуры защищаемой стороны, электрических требований, механической нагрузки, доступной толщины и спецификаций испытаний на неправильное обращение. Затем образцы материалов должны быть проверены на репрезентативных сборках.

Инженерная информация, которую необходимо определить в первую очередь:

Химический состав и формат элемента, расположение барьера, максимально доступная толщина, диэлектрические требования, ожидаемое направление выхода воздуха, цель распространения тепла, требования к сжатию, рабочая температура, клеевая конструкция, механическое крепление и применимый стандарт испытаний аккумуляторов на неправильное обращение.

Как следует проверять эффективность теплового барьера?

Материал, прошедший небольшое испытание на пламя, все равно может выйти из строя внутри самой батареи, поскольку соединения, крепежи, вентиляционные пути, сжатие и соседние компоненты изменяют путь теплового потока.

Решение состоит в том, чтобы проверить производительность как на уровне материала, так и на уровне системы в репрезентативных условиях температурного выхода из-под контроля. UL 2596 оценивает материалы корпуса аккумулятора при термическом и механическом воздействии, а требования безопасности аккумуляторов для электромобилей, такие как ISO 6469-1 и Правила ООН № 100, касаются безопасности перезаряжаемых систем хранения энергии на уровне транспортного средства.^[1][5][6]

ЕЭК ООН также продолжила работу над более строгими требованиями к распространению тепла для аккумуляторных систем электромобилей, подчеркивая, что защита от термического разгона является проблемой безопасности на уровне системы, а не проблемой огнестойкости одного материала.^[6]

Хотите выбрать термобарьер для аккумулятора электромобиля?

Для предварительного анализа материала подготовьте расположение элемента, модуля или пакета, доступную толщину, целевую температуру защищенной стороны, требования к диэлектрическим характеристикам, требования к сжатию, химический состав элемента, направление вентиляционного отверстия, геометрию CAD, требования к клею и применимый объект для испытаний на неуправляемость при нагревании.

Правильный барьер следует выбирать исходя из фактического режима отказа, а не просто из значения огнестойкости или температуры, напечатанных в таблице технических данных.

Часто задаваемые вопросы

Может ли обычная электрическая изоляция выдержать тепловой разгон батареи?

Не обязательно. Обычная электроизоляция может работать при нормальных рабочих температурах, но терять прочность, форму или диэлектрические характеристики при экстремальном термическом воздействии.

Достаточно ли стандарта UL 94 V-0 для теплового барьера аккумулятора электромобиля?

Номер V-0 указывает на особые характеристики воспламеняемости при стандартизированном тесте, но защита от неконтролируемого теплового воздействия также зависит от теплопередачи, толщины материала, вентиляции, конструкции барьера и архитектуры упаковки.

Почему слюда лучше обычного пластика для защиты от теплового побега?

Слюда обеспечивает гораздо более высокую диэлектрическую и структурную стабильность при высоких температурах, чем многие обычные полимерные пленки, что делает ее полезной для создания жестких тепловых и электрических барьеров.

Может ли силиконовая пена защитить от термического разгона?

Специально разработанные и проверенные силиконовые материалы могут обеспечить защиту от распространения тепла, но нельзя автоматически считать, что обычная силиконовая пена обеспечивает такие же характеристики.

Какие свойства наиболее важны в тепловом барьере?

К важным свойствам относятся термостойкость, огнестойкость, диэлектрическая прочность, высокотемпературная стабильность, устойчивость к эрозии, механическая целостность, толщина, плотность и совместимость с конструкцией аккумулятора.

Всегда ли самый высокий температурный режим является лучшим выбором?

Нет. Характеристики термического разгона зависят от теплового потока, времени воздействия, геометрии, толщины, конструкции материала и конструкции системы, а не только от номинальной температуры.

15-летний взгляд на компоненты автомобильных аккумуляторов

Основываясь на 15-летнем опыте производства автомобильных компонентов и жгутов проводов, я никогда не одобряю изоляционный материал для аккумулятора только потому, что он является электроизоляционным, огнестойким или рассчитан на постоянную высокую температуру.

Термический разгон создает совершенно другую среду отказа: интенсивное тепло, пламя, давление, горячие частицы, электрическое напряжение и время воздействия действуют вместе. Надежное решение — сначала определить фактический путь отказа, а затем выбрать слюду, аэрогель, керамический материал, специальный силикон или многослойную конструкцию, которая может защитить именно это место.

Авторитетные ссылки

[1] Решения UL — оценка температурного разгона батарейного шкафа и UL 2596

[2] Rogers Corporation — Где значение UL 94 V-0 в реальных проектах

[3] UL Prospector — Выбор противопожарных материалов для аккумулятора электромобиля

[4] Rogers Corporation — Межсетевой экран ProCell EV, защита от распространения тепла

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

[6] ЕЭК ООН — Правила ООН № 100 Ред. 3 «Безопасность электроэнергетических поездов»