Ako sa používajú sľudové listy na úrovni buniek, modulov a balení v batériách EV?

Ak sa tepelný únik tepla môže voľne pohybovať z jedného článku na druhý, lokálne zlyhanie batérie môže prerásť do šírenia na úrovni modulov a prípadne ohroziť celú batériu.

Najúčinnejšie využitie sľudy je preto na každej úrovni iné: tenké bariéry medzi článkami, väčšie tepelné a elektrické bariéry okolo modulov a ohňovzdorná izolácia na vrchnákoch, stenách, prípojniciach a iných kritických rozhraniach. Sľuda nie je aktívny chladiaci materiál; jeho hlavnou úlohou je oddialiť prenos tepla, udržiavať dielektrickú separáciu a chrániť okolité štruktúry počas abnormálnych vysokoteplotných udalostí.

Ako sa sľuda používa na bunkovej úrovni?

Keď sú dva články tesne zbalené, priamy prenos tepla z povrchu na povrch môže umožniť zlyhávajúcemu článku rýchlo zohriať svojho suseda a zvýšiť riziko šírenia tepla z článku na článok.

Riešením je inštalácia tenkých sľudových plátov, sľudových laminátov alebo umelých sľudových bariér medzi susednými článkami tam, kde architektúra batérie vyžaduje tepelné a dielektrické oddelenie. Bariéra vytvára dodatočný tepelný odpor pri zachovaní elektrickej izolácie medzi vodivými povrchmi buniek a okolitými štruktúrami.

Pevná sľuda a sľudové lamináty sa používajú ako bariéry medzi batériovými článkami, pretože si zachovávajú elektrickú izolačnú schopnosť pri zvýšených teplotách a môžu pomôcť spomaliť prenos tepla počas tepelnej udalosti.^[1]

Sľuda na úrovni buniek je obzvlášť praktická s prizmatickým usporiadaním a usporiadaním vreciek, kde sú veľké ploché povrchy otočené k sebe. Architektúry valcových buniek môžu namiesto toho používať tvarované bariéry, objímky, krúžky, rozpery alebo iné materiály na šírenie tepla v závislosti od rozmiestnenia buniek a smeru vetrania.

Sľuda by nemala blokovať navrhnutú ventilačnú cestu buniek. Bariéra, ktorá spomaľuje laterálny prenos tepla, ale presmeruje horúci plyn na inú kritickú zložku, môže vytvoriť iný spôsob zlyhania.

Ako sa sľuda používa na úrovni modulu?

Aj keď jednotlivé články majú tepelné bariéry, vážna udalosť môže stále vystaviť rám modulu, prípojnice, koncové dosky, susedné skupiny článkov a elektrické komponenty extrémnemu teplu.

Riešením je použitie väčších sľudových komponentov ako bariéry na strane modulu, izolácia koncových dosiek, izolácia prípojníc, horná ochrana a tepelné oddelenie medzi skupinami článkov. Na tejto úrovni už sľuda nechráni len jedno bunkové rozhranie; stáva sa súčasťou tepelno-izolačnej a elektroizolačnej architektúry modulu.

Komponenty sľudy sa bežne používajú na elektrickú izoláciu medzi článkami, modulmi a vodivými časťami, ako aj na tepelné bariéry a protipožiarnu ochranu vo vnútri batériových systémov EV.^[2]

Výber materiálu na úrovni modulu by mal brať do úvahy aj kompresiu. Niektoré architektúry batérií vyžadujú riadený tlak na vrecúško alebo prizmatické články, čo znamená, že pevnú sľudovú dosku možno kombinovať s poddajnejšou podložkou, než by sa očakávalo, že bude sama o sebe poskytovať ochranu proti ohňu aj kompresiu.

Ako sa sľuda používa na úrovni balenia?

Ak tepelná udalosť unikne z modulu, horúci plyn, plameň, častice a sálavé teplo môžu napadnúť veko batérie, stenu krytu, vysokonapäťové prípojnice, vedenie, konektory alebo blízke konštrukcie vozidla.

Riešením je použitie väčších sľudových listov a tvarovaných komponentov okolo kritických hraníc balenia, vrátane spodnej strany veka balenia, obvodových stien, rozhraní medzi modulmi, oblastí prípojníc a vysokonapäťových elektrických komponentov. Sľuda na úrovni balenia poskytuje konečnú tepelnú a dielektrickú bariéru medzi zónou vnútornej poruchy batérie a krytom alebo vozidlom.

Priemyselné aplikácie zahŕňajú bariéry článkov a modulov, izoláciu okolo vnútorného obvodu batérie, ochranu veka balenia a flexibilnú sľudovú izoláciu okolo komponentov, ako sú prípojnice a vedenie.^[3]

Úroveň balenia vo všeobecnosti vyžaduje väčšie pokrytie povrchu ako bariéry na úrovni buniek, takže hmotnosť, hrúbka, upevnenie, odolnosť voči vibráciám, výrezy, vetracie otvory a montážne tolerancie sú dôležitejšie.

Pridanie najhrubšieho sľudového listu všade nie je automaticky najbezpečnejším dizajnom. Tepelné bariéry musia fungovať s odvetrávaním plynu, odľahčením tlaku, chladiacimi doskami, elektrickými vôľami, použiteľnosťou a celkovou hmotnosťou balenia.

Aký je rozdiel medzi sľudou na úrovni bunky, modulu a balenia?

Použitie rovnakej hrúbky a geometrie sľudy na každej úrovni batérie môže pridať zbytočnú hmotu a zároveň ponechať najdôležitejšie tepelné cesty nedostatočne chránené.

Správnym riešením je vybrať sľudu podľa spôsobu poruchy na každom mieste, a nie považovať ju za jednu univerzálnu izolačnú fóliu batérie. Bunkové bariéry uprednostňujú miestne riadenie šírenia, modulové bariéry chránia väčšie elektrické a štrukturálne zóny a obalové bariéry chránia kryt a rozhranie vozidla.

Zjednodušená logika návrhu je:

Úroveň bunky: Zastavte prenos tepla priamo do susednej bunky.
Úroveň modulu: Zabráňte jednej bunkovej skupinke v ohrození celého modulu.
Úroveň balenia: Zabráňte teplu a plameňu na úrovni modulu napadnúť kryt a okolité vozidlo.

Ako by sa mala vybrať hrúbka sľudy?

Sľudový list, ktorý je príliš tenký, nemusí poskytnúť dostatočné tepelné oneskorenie, zatiaľ čo zbytočne hrubý list zvyšuje hmotnosť balenia, náklady, výšku stohu a náročnosť montáže.

Riešením je určiť hrúbku testovaním šírenia tepla, dielektrickými požiadavkami, mechanickými obmedzeniami, časom expozície a umiestnením bariéry. Neexistuje jediná hrúbka sľudy, ktorá by bola správna pre každú batériu EV.

Požadovaná konštrukcia závisí od chémie bunky, formátu bunky, uloženej energie, rozostupov, očakávaného tepelného toku, smeru odvádzaného plynu, prípustnej teploty na chránenej strane, kvality sľudy, spojivového systému a od toho, či sa materiál používa samostatne alebo ako súčasť viacvrstvovej bariéry.

Z tohto dôvodu by mal byť výber materiálu založený na testovaní reprezentatívnej batérie a nie na jednoduchom špecifikovaní '1 mm sľudy' alebo '2 mm sľudy' zo všeobecného katalógu.

Mala by sľuda nahradiť aerogél alebo silikónovú penu?

Ošetrenie sľudy, aerogélu a silikónovej peny ako zameniteľných materiálov môže spôsobiť slabý tepelný výkon, pretože každý materiál rieši inú kombináciu problémov s izoláciou, kompresiou, tesnením a požiarnou ochranou.

Lepším riešením je často viacvrstvový dizajn, v ktorom sľuda poskytuje vysokoteplotnú dielektrickú a plameňovú ochranu, zatiaľ čo iný materiál poskytuje nízku tepelnú vodivosť, poddajnosť, odpruženie alebo tesnenie. Kombinácie materiálov by sa mali vyberať podľa skutočnej architektúry batérie a výsledku testu zneužitia.

Sľuda je užitočná najmä tam, kde sa vyžadujú štrukturálne tepelné bariéry a elektrická izolácia. Materiály na báze aerogélu môžu ponúkať veľmi nízku tepelnú vodivosť, zatiaľ čo silikónové peny môžu poskytnúť obnovenie kompresie a prispôsobenie medzery.

Od jedného materiálu by sa nemalo očakávať, že bude vykonávať všetky funkcie batérie.

Čo by sa malo skontrolovať pred navrhnutím časti batérie sľudy?

Objednanie plochej sľudovej dosky pred potvrdením geometrie batérie môže mať za následok zablokovanie prieduchov, zlú montážnu vôľu, prasknutý materiál, nekryté tepelné cesty alebo interferenciu s prípojnicami a chladiacimi štruktúrami.

Správnym riešením je navrhnúť komponent sľudy zo skutočného CAD CAD modulu, modulu alebo balenia a scenára tepelného úniku. Hrúbka, výrezy, otvory, vzdialenosti okrajov, požiadavky na ohýbanie, lepidlo, spôsob montáže, dielektrické požiadavky a prípustné rozmerové tolerancie by sa mali definovať pred rezaním prototypu.

Technické informácie, ktoré treba poskytnúť:

Pošlite formát bunky, umiestnenie sľudy, výkres CAD, požadovaný rozsah hrúbky, maximálne rozmery, dielektrický cieľ, cieľ tepelnej bariéry, požiadavku na lepidlo, požiadavku na kompresiu, prevádzkovú teplotu a príslušnú špecifikáciu testu zneužitia batérie.

Ako by sa mali sľudové tepelné bariéry overiť?

Sľudová doska môže prežiť laboratórny plameňový test, ale stále zlyhá vo vnútri batérie, ak horúce častice obídu bariéru, spoje sa otvoria počas vibrácií alebo sa teplo prenesie cez nekryté okraje a upevňovacie prvky.

Riešením je overenie materiálu aj zostavenej architektúry batérie v reprezentatívnych podmienkach tepelného úniku, elektrických, mechanických a environmentálnych podmienok. Samotná horľavosť materiálu nepreukazuje, že konštrukcia článku, modulu alebo balenia môže kontrolovať šírenie tepla.

UL Solutions vykonáva testovanie zneužitia batérií elektromobilov, požiaru a šírenia tepla a medzi bežne používanými rámcami testovania batérií uvádza normy vrátane UL 2580, GB 38031, SAE J2464, SAE J2929, UN 38.3 a UNECE R100.^[4]

ISO 6469-1 špecifikuje bezpečnostné požiadavky na dobíjacie systémy na skladovanie energie používané v elektricky poháňaných cestných vozidlách, zatiaľ čo práca EHK OSN na predpise č. 100 sa špecificky zaoberá šírením tepla a ochranou cestujúcich pred nebezpečnými batériovými udalosťami.^[5][6]

Potrebujete vlastný sľudový list pre batériu EV?

Na kontrolu prototypu pripravte CAD článok, modul alebo balík, miesto inštalácie sľudy, cieľovú hrúbku, požiadavku na dielektrikum, cieľ tepelného úniku, maximálne rozmery, výrezy, konštrukciu lepidla, množstvo vzorky a ročný dopyt.

Definovanie presnej úrovne inštalácie najprv výrazne zjednoduší výber správnej triedy sľudy, hrúbky, geometrie a výrobného procesu.

FAQ

Na čo sa sľuda používa v batérii EV?

Sľuda sa používa hlavne na vysokoteplotnú elektrickú izoláciu, tepelné bariéry, protipožiarnu ochranu a kontrolu šírenia tepelných únikov okolo článkov, modulov, prípojníc a konštrukcií akumulátorov.

Môže byť sľuda umiestnená medzi články batérie?

áno. Tenké sľudové pláty alebo umelé sľudové bariéry môžu byť inštalované medzi susednými článkami tam, kde konštrukcia batérie vyžaduje dodatočnú dielektrickú izoláciu a odolnosť voči šíreniu tepla.

Kde sa sľuda používa v batériovom module?

Typické miesta zahŕňajú hranice skupín článkov, bočné steny modulov, koncové dosky, prípojnice, hornú ochranu a elektricky vodivé štruktúry vyžadujúce dielektrickú izoláciu.

Kde sa sľuda používa v batérii?

Sľudu možno použiť pod vekom balenia, pozdĺž stien krytu, medzi modulmi, okolo prípojníc a vysokonapäťových komponentov a na iných miestach, ktoré vyžadujú tepelné alebo elektrické bariéry.

Zastaví Mica Thermal Runaway?

Žiadny materiál nemôže zaručiť, že nedôjde k úniku tepla. Sľuda sa používa ako pasívna bariéra na spomalenie prenosu tepla, udržiavanie izolácie a pomáha znižovať alebo oneskorovať šírenie do susedných komponentov.

Je hrubšia sľuda vždy lepšia pre batérie EV?

Nie. Väčšia hrúbka môže zlepšiť schopnosť bariéry v niektorých dizajnoch, ale tiež zvyšuje hmotnosť, priestor na balenie, náklady a náročnosť montáže. Hrúbka musí byť overená pre špecifickú architektúru batérie.

Mala by sa sľuda testovať na úrovni bunky, modulu alebo balenia?

Konečná úroveň validácie by mala odrážať spôsob použitia materiálu. Skríning na úrovni buniek je užitočný, ale stále sa môžu vyžadovať testy na úrovni modulu a balenia, pretože cesty šírenia, vetracie plyny, geometria krytu a susedné komponenty menia správanie systému.

15-ročná perspektíva komponentov automobilovej batérie

Na základe 15-ročných skúseností s výrobou automobilových komponentov a káblových zväzkov nevyberám sľudu iba podľa teplotného hodnotenia alebo hrúbky. Prvá otázka vždy znie, kde je časť umiestnená: bunka, modul alebo balík.

Bunková bariéra musí kontrolovať lokálny prenos tepla bez narušenia vetrania; modulová bariéra musí chrániť elektrické a štrukturálne rozhrania; a obalová bariéra musí chrániť kryt a okolité vozidlo. Spoľahlivý dizajn pochádza z prispôsobenia triedy sľudy, hrúbky, tvaru, spôsobu upevnenia a overovacieho testu presnej ceste zlyhania.

Autoritatívne referencie

[1] Elmelin — Sľudová izolácia pre bezpečnosť batérií EV a bunkové bariéry

[2] Elmelin — Sľudové komponenty pre tepelnú a elektrickú izoláciu batérií

[3] Electrolock — Tepelná ochrana v batériách EV: Úloha sľudy

[4] Riešenia UL — Testovanie zneužitia batérie EV, požiaru a šírenia tepla

[5] ISO — ISO 6469-1: 2019 Elektricky poháňané cestné vozidlá, bezpečnosť systému na ukladanie energie

[6] EHK OSN – Predpis OSN č. 100 Tepelné šírenie