Prečo bežné izolačné materiály zlyhajú počas tepelného úniku batérie elektromobilu?

Bežná elektrická izolácia môže zmäknúť, zmrštiť, horieť, karbonizovať, prasknúť alebo stratiť dielektrickú pevnosť, keď je vystavená kombinácii extrémneho tepla, plameňa, horúcich častíc, tlaku a vypúšťaných plynov vznikajúcich počas tepelného úniku batérie.

Správnym riešením je použitie tepelných bariér špeciálne navrhnutých pre vysokoteplotnú izoláciu, nízky prenos tepla, odolnosť voči plameňu, dielektrickú stabilitu a mechanickú integritu v podmienkach zneužitia. Materiál, ktorý funguje dobre pri normálnej prevádzkovej teplote batérie, nie je automaticky vhodný na tepelný únik.

Prečo sa tepelný únik líši od bežného ohrevu batérie?

Normálna izolácia môže prežiť dlhodobú prevádzku pri zvýšenej teplote, ale rýchlo zlyhá, keď tepelný únik pridá priamy plameň, tlak, horúce častice a koncentrovaný tepelný tok.

Riešením je vyhodnotiť izoláciu proti podmienkam zneužívania, a nie iba teplotné hodnotenia pri nepretržitom používaní. Spoločnosť UL Solutions poznamenáva, že tepelný únik batérie môže produkovať plameň podobný prúdeniu, vymrštené častice, vysokú teplotu a tlak vo vnútri krytu, čo znamená, že ochranný materiál musí vydržať niekoľko súčasných mechanizmov zlyhania.^[1]

Toto rozlíšenie je kritické. Materiál určený pre normálnu elektrickú izoláciu pri teplote 105 °C, 125 °C alebo dokonca vyššej môže pri vystavení priamemu tepelnému úniku stále stratiť štruktúru alebo dielektrické vlastnosti.

Prečo môže obyčajná polymérová izolácia zmäknúť alebo sa zrútiť?

Mnoho bežných polymérových fólií a pien je navrhnutých na elektrickú izoláciu, odpruženie alebo tesnenie – nie na priame vystavenie silnému tepelnému úniku – takže môžu zmäknúť, zmrštiť sa, roztopiť sa alebo trvalo deformovať.

Správnym riešením je vybrať materiály, ktorých tepelná stabilita zostáva dostatočná pri skutočnej teplote a dobe vystavenia. Vysokoteplotná sľuda, bariéry na báze keramiky, aerogélové systémy a špeciálne formulované silikónové materiály sa bežne zvažujú, keď bežná izolácia nedokáže udržať svoju funkciu.

Pri výbere materiálu sa musí rozlišovať medzi odolnosťou voči prevádzkovej teplote a odolnosťou proti úniku tepla . Nie sú to rovnaké špecifikácie.

Prečo nestačí len UL 94 V-0?

Materiál môže dosiahnuť UL 94 V-0 a stále poskytuje nedostatočnú ochranu proti šíreniu tepla medzi bunkami, pretože klasifikácia plameňa v malom rozsahu nepredstavuje úplný tepelný únik.

Riešením je považovať horľavosť len za jednu vlastnosť materiálu a samostatne overiť tepelnú izoláciu, odolnosť proti tepelnému toku, mechanickú retenciu, vystavenie výfukovým plynom a výkonnosť šírenia na úrovni systému. Rogers konkrétne poznamenáva, že akonáhle bunka prejde tepelným únikom, pena V-0 sama o sebe nezastaví uvoľňovanie energie; architektúra balenia a tepelné bariéry zostávajú kritické.^[2]

Toto je jedna z najčastejších chýb v špecifikáciách materiálov batérií: 'V-0' neznamená 'odolné voči tepelnej odolnosti'.

Aké režimy zlyhania musí izolácia batérie prežiť?

Ak inžinier vyhodnotí iba odolnosť voči plameňu, izolácia môže stále zlyhať v dôsledku erózie, tlaku, horúcich častíc, dielektrického rozpadu, straty kompresiou alebo prenosu tepla do susedného článku.

Správnym riešením je pred výberom materiálu bariéry preveriť celé prostredie zlyhania. Hodnotenie krytu batérie UL špecificky kombinuje vysokú teplotu, tlak a vymrštené častice, pretože tepelný únik je skôr multifyzikálna udalosť než jednoduchý test plameňom.^[1]

Prečo je dôležitá nízka tepelná vodivosť?

Materiál môže zostať fyzicky neporušený, ale stále zlyhá ako tepelná bariéra, ak cez neho prejde teplo dostatočne rýchlo na to, aby spustil susedný článok.

Riešením je kontrola prežitia materiálu a prenosu tepla cez bariéru. UL Prospector poznamenáva, že aerogély, keramické prikrývky a peny na zapuzdrenie môžu fungovať dobre pri nízkej tepelnej vodivosti a hustote, zatiaľ čo sľuda poskytuje silnú elektrickú izoláciu, ale môže vyžadovať väčšiu hrúbku pre dostatočnú požiarnu ochranu.^[3]

Dôležitým konštrukčným cieľom preto nie je len to, 'horie materiál?', ale aj 'koľko tepla sa dostane na chránenú stranu a ako rýchlo?''

Prečo môžu byť tenké plastové fólie nedostatočné?

Tenké polymérne filmy môžu poskytnúť vynikajúcu dielektrickú separáciu počas normálnej prevádzky, ale obsahujú veľmi malú tepelnú hmotu alebo hrúbku, aby odolali trvalému prenosu tepla počas tepelného úniku.

Správnym riešením je použiť tenké vrstvy predovšetkým na elektrickú izoláciu tam, kde je to vhodné, a pridať špeciálnu tepelnú bariéru, ak si to riziko šírenia tepla vyžaduje. Viacvrstvová štruktúra môže oddeliť funkcie elektrickej izolácie, tepelnej izolácie, mechanickej ochrany a priľnavosti.

Pokus o to, aby jeden tenký elektrický film vykonával všetky štyri funkcie, si zvyčajne vynucuje neprijateľné kompromisy.

Prečo môže byť obyčajná pena nedostatočná?

Bežná pena môže dobre fungovať ako kompresná podložka, tesnenie alebo tlmič vibrácií, ale pri priamom vystavení tepelnému úniku stráca pevnosť alebo izolačný výkon.

Riešením je použitie peny špeciálne formulovanej a overenej na šírenie tepla, keď komponent musí poskytovať ochranu proti stlačeniu a požiaru. Materiály Rogers ProCell EV Firewall sú príkladmi silikónových elastomérnych systémov vyvinutých špeciálne na kombinovanie funkcie kompresie batérie s ochranou proti šíreniu tepla.^[4]

Toto ilustruje dôležité pravidlo: obyčajná silikónová pena a silikónové bariéry s tepelnou odolnosťou by sa nemali automaticky považovať za rovnakú triedu materiálu.

Prečo sa sľuda bežne používa na ochranu pred tepelným únikom?

Tam, kde obyčajná polymérová izolácia nedokáže udržať elektrickú izoláciu a bariérovú štruktúru pri vysokej teplote, porucha môže odhaliť blízke články, prípojnice alebo súčasti balenia.

Riešením je použitie sľudy tam, kde sa vyžaduje vysokoteplotná dielektrická stabilita a tuhá tepelná ochrana. Sľuda má silnú schopnosť elektrickej izolácie a je široko používaná v tepelných a protipožiarnych aplikáciách batérií EV, hoci požadovaná hrúbka a konštrukcia stále závisia od konkrétnej architektúry balenia.^[3]

Sľuda je obzvlášť užitočná pre bunkové bariéry, steny modulov, izoláciu prípojníc, ochranu veka balenia a iné miesta, kde záleží na tvarovej stálosti a elektrickej izolácii.

Mal by jeden materiál zvládnuť celý problém tepelného úniku?

Očakávanie, že jedna izolačná doska poskytne požiarnu odolnosť, ultranízky prenos tepla, regeneráciu kompresie, tesnenie, kontrolu vibrácií, dielektrickú izoláciu a štrukturálnu ochranu môže viesť k drahému materiálu, ktorý stále nespĺňa jednu kritickú požiadavku.

Lepším riešením je často viacvrstvový systém, v ktorom každý materiál plní funkciu, ktorú najlepšie zvláda. Napríklad sľuda môže poskytnúť dielektrickú ochranu pri vysokej teplote, aerogél môže znížiť prenos tepla a špecializovaná silikónová pena môže poskytnúť odolnosť proti stlačeniu a šíreniu tepla.

UL Prospector podobne poznamenáva, že kombinácie materiálov môžu byť potrebné na splnenie štrukturálnych požiadaviek a náročných tepelných skúšok.^[3]

Ako by sa mala zvoliť tepelná izolácia?

Samotný výber materiálu podľa teplotného hodnotenia môže vytvoriť falošnú dôveru, pretože skutočné zneužívanie batérie zahŕňa čas, tepelný tok, plameň, častice, tlak, geometriu a susedné komponenty.

Správnym riešením je vybrať materiál zo skutočného formátu bunky, miesta poruchy, požadovaného času oneskorenia, cieľovej teploty na chránenej strane, elektrických požiadaviek, mechanického zaťaženia, dostupnej hrúbky a špecifikácie testu zneužitia. Vzorky materiálu by sa potom mali validovať v reprezentatívnych zostavách.

Inžinierske informácie, ktoré treba najskôr definovať:

Chémia a formát článku, umiestnenie bariéry, maximálna dostupná hrúbka, dielektrická požiadavka, predpokladaný smer vetrania, cieľ šírenia tepla, požiadavka na kompresiu, prevádzková teplota, adhézna konštrukcia, mechanické upevnenie a príslušný štandard testu zneužitia batérie.

Ako by sa mala overiť účinnosť tepelnej bariéry?

Materiál, ktorý prejde testom plameňa s malým kupónom, môže stále zlyhať vo vnútri skutočnej batérie, pretože spoje, upevňovacie prvky, vetracie cesty, kompresia a susedné komponenty menia cestu tepelného toku.

Riešením je overiť výkonnosť na úrovni materiálu aj na úrovni systému v reprezentatívnych podmienkach tepelného úniku. UL 2596 hodnotí materiály krytu batérie pri tepelnom a mechanickom vystavení, zatiaľ čo požiadavky na bezpečnosť batérií EV, ako sú ISO 6469-1 a nariadenie OSN č. 100, sa týkajú bezpečnosti dobíjacieho systému skladovania energie na úrovni vozidla.^[1][5][6]

EHK OSN tiež pokračovala v práci na prísnejších požiadavkách na šírenie tepla pre batériové systémy elektrických vozidiel, pričom zdôraznila, že tepelná ochrana pred únikom tepla je skôr otázkou bezpečnosti na úrovni systému než problémom s mierou horenia jedného materiálu.^[6]

Potrebujete vybrať tepelnú bariéru pre batériu EV?

Na predbežnú kontrolu materiálu pripravte umiestnenie článku, modulu alebo balenia, dostupnú hrúbku, cieľovú teplotu na chránenej strane, požiadavku na dielektrikum, požiadavku na kompresiu, chémiu článku, smer vetrania, geometriu CAD, požiadavku na lepidlo a použiteľný cieľ testu na tepelný únik.

Správna bariéra by sa mala vybrať zo skutočného režimu poruchy – nielen z hodnoty plameňa alebo čísla teploty vytlačeného na údajovom liste.

FAQ

Môže normálna elektrická izolácia prežiť tepelný únik batérie?

Nie nevyhnutne. Bežná elektrická izolácia môže fungovať pri normálnych prevádzkových teplotách, ale počas extrémneho tepelného úniku stráca pevnosť, tvar alebo dielektrický výkon.

Je UL 94 V-0 dostatočný pre tepelnú bariéru batérie EV?

Č. V-0 označuje špecifické správanie sa horľavosti podľa štandardizovaného testu, ale tepelná ochrana tiež závisí od prenosu tepla, hrúbky materiálu, vetrania, konštrukcie bariéry a architektúry balenia.

Prečo je sľuda lepšia ako obyčajný plast na tepelný únik?

Sľuda ponúka oveľa silnejšiu vysokoteplotnú dielektrickú a štrukturálnu stabilitu ako mnohé bežné polymérové ​​fólie, vďaka čomu je užitočná pre pevné tepelné a elektrické bariéry.

Môže silikónová pena chrániť pred tepelným únikom?

Špeciálne formulované a overené silikónové materiály môžu poskytnúť ochranu proti šíreniu tepla, ale nemožno automaticky predpokladať, že obyčajná silikónová pena poskytuje rovnaký výkon.

Na ktorých vlastnostiach v tepelnej bariére najviac záleží?

Medzi dôležité vlastnosti patrí tepelná odolnosť, ohňovzdornosť, dielektrická pevnosť, vysokoteplotná stabilita, odolnosť proti erózii, mechanická integrita, hrúbka, hustota a kompatibilita so štruktúrou batérie.

Je najvyššie hodnotenie teploty vždy tou najlepšou voľbou?

Nie. Výkon tepelného úniku závisí od tepelného toku, času expozície, geometrie, hrúbky, konštrukcie materiálu a dizajnu systému – nielen od teplotného hodnotenia.

15-ročná perspektíva komponentov automobilovej batérie

Na základe 15-ročných skúseností s výrobou automobilových komponentov a káblových zväzkov nikdy neschvaľujem izolačný materiál batérie len preto, že je elektricky izolujúci, spomaľuje horenie alebo je dimenzovaný na vysokú trvalú teplotu.

Tepelný únik vytvára úplne odlišné prostredie zlyhania: intenzívne teplo, plameň, tlak, horúce častice, elektrické napätie a doba expozície pôsobia spoločne. Spoľahlivým riešením je najprv definovať skutočnú cestu zlyhania a potom vybrať sľudu, aerogél, keramický materiál, špeciálny silikón alebo viacvrstvovú konštrukciu, ktorá dokáže ochrániť toto presné miesto.

Autoritatívne referencie

[1] UL Solutions — Thermal Runaway Evaluation a UL 2596

[2] Rogers Corporation – kde je UL 94 V-0 dôležitý v dizajne skutočného sveta

[3] UL Prospector — Výber materiálov požiarnej ochrany pre batériu EV

[4] Rogers Corporation — ProCell EV Firewall ochrana proti šíreniu tepla

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

[6] EHK OSN – Predpis OSN č. 100 Rev. 3, Bezpečnosť elektrických hnacích vlakov