Зашто обични изолациони материјали покваре током термичког бекства ЕВ батерије?

Обична електрична изолација може омекшати, скупити се, сагорети, карбонизирати, пуцати или изгубити диелектричну чврстоћу када је изложена комбинацији екстремне топлоте, пламена, врућих честица, притиска и испушних гасова који настају током термичког бијега батерије.

Исправно решење је да се користе баријере које одлазе од топлоте посебно дизајниране за изолацију при високим температурама, низак пренос топлоте, отпорност на пламен, диелектричну стабилност и механички интегритет у условима злоупотребе. Материјал који добро ради на нормалној радној температури батерије није аутоматски прикладан за топлотни догађај.

Зашто се термални бег разликује од нормалног грејања батерије?

Нормална изолација може да преживи дуготрајан рад на повишеној температури, али брзо пропадне када топлотни бег дода директан пламен, притисак, вруће честице и концентрисани топлотни ток.

Решење је да се процени изолација у односу на услове злоупотребе, а не само температурне оцене за континуирану употребу. УЛ Солутионс напомиње да топлотни одлазак батерије може произвести пламен налик млазу, избачене честице, високу температуру и притисак унутар кућишта, што значи да заштитни материјал мора да издржи неколико механизама истовременог квара.^[1]

Ова разлика је критична. Материјал који је оцењен за нормалну електричну изолацију на 105°Ц, 125°Ц, или чак и више, може и даље изгубити структуру или диелектричне перформансе када је изложен директним условима топлотног бежења.

Зашто обична полимерна изолација може омекшати или срушити?

Многи обични полимерни филмови и пене су дизајнирани за електричну изолацију, амортизацију или заптивање – а не директно излагање јакој топлоти која бежи – тако да се могу омекшати, скупити, истопити или трајно деформисати.

Исправно решење је да се изаберу материјали чија термичка стабилност остаје довољна при стварној температури злоупотребе и трајању излагања. Високотемпературни лискун, баријере на бази керамике, системи аерогелова и специјално формулисани силиконски материјали се обично разматрају када обична изолација не може да одржи своју функцију.

Одабир материјала мора разликовати отпорност на радну температуру и отпорност на топлотну отпорност . Ово нису исте спецификације.

Зашто сам УЛ 94 В-0 није довољан?

Материјал може достићи УЛ 94 В-0 и још увек пружити неадекватну заштиту од топлотног ширења од ћелије до ћелије јер класификација пламена малог обима не представља потпуни догађај топлотног бежања.

Решење је да се оцена пламена третира као само једно својство материјала и да се одвојено потврди топлотна изолација, отпор топлотног флукса, механичко задржавање, изложеност гасу у ваздуху и перформансе ширења на нивоу система. Роџерс посебно напомиње да када ћелија уђе у термални бег, В-0 пена не зауставља ослобађање енергије сама; архитектура пакета и топлотне баријере остају критичне.^[2]

Ово је једна од најчешћих грешака у спецификацијама у материјалима батерија: „В-0“ не значи „отпорност на термички бег“.

Који режими квара морају преживети изолацију батерије?

Ако инжењер процени само отпорност на пламен, изолација и даље може да поквари због ерозије, притиска, врућих честица, пропадања диелектрика, губитка компресије или преноса топлоте на суседну ћелију.

Исправно решење је да се прегледа комплетно окружење квара пре избора материјала за баријеру. УЛ-ова процена кућишта батерије посебно комбинује високу температуру, притисак и избачене честице јер је топлотни одлазак вишефизички догађај него једноставан тест пламена.^[1]

Зашто је ниска топлотна проводљивост важна?

Материјал може остати физички нетакнут, али и даље не функционише као топлотна баријера ако топлота прође кроз њега довољно брзо да покрене суседну ћелију.

Решење је да се контролише и преживљавање материјала и пренос топлоте кроз баријеру. УЛ Проспецтор напомиње да аерогелови, керамичка ћебад и пене за капсулирање могу добро да раде у ниској топлотној проводљивости и густини, док лискун пружа снажну електричну изолацију, али може захтевати већу дебљину за довољну заштиту од пожара.^[3]

Важан циљ дизајна стога није једноставно „да ли материјал гори?“ већ и „колико топлоте допире до заштићене стране и колико брзо?“

Зашто танке пластичне фолије могу бити недовољне?

Танки полимерни филмови могу да обезбеде одличну диелектричну сепарацију током нормалног рада, али садрже врло малу топлотну масу или дебљину да би се одупрли трајном преносу топлоте током топлотног бекства.

Исправно решење је коришћење танких филмова првенствено за електричну изолацију где је то прикладно и додавање наменске топлотне баријере када ризик од топлотног ширења то захтева. Вишеслојна структура може одвојити функције електричне изолације, топлотне изолације, механичке заштите и адхезије.

Покушај да један танак електрични филм изврши све четири функције обично доводи до неприхватљивих компромиса.

Зашто обична пена може бити недовољна?

Конвенционална пена може добро да делује као подлога за компресију, заптивка или апсорбер вибрација, али губи снагу или изолационе перформансе када је директно изложена топлотном бекству.

Решење је да се користи пена која је посебно формулисана и валидирана за топлотно ширење када компонента мора да обезбеди заштиту од компресије и од пожара. Рогерс-ови ПроЦелл ЕВ Фиревалл материјали су примери силиконских еластомерних система развијених посебно да комбинују функционалност компресије батерије са заштитом од топлотног ширења.^[4]

Ово илуструје важно правило: обична силиконска пена и силиконске баријере са температурним отпором не треба аутоматски да се третирају као иста класа материјала.

Зашто се лискун обично користи за термичку заштиту од бекства?

Тамо где обична полимерна изолација не може задржати електричну изолацију и структуру баријере на високој температури, квар може изложити оближње ћелије, сабирнице или компоненте паковања.

Решење је коришћење лискуна тамо где је потребна високотемпературна диелектрична стабилност и чврста термичка заштита. Лискун има снажну електричну изолацију и широко се користи у апликацијама за термичку и противпожарну заштиту ЕВ батерија, иако потребна дебљина и конструкција и даље зависе од специфичне архитектуре паковања.^[3]

Лискун је посебно користан за баријере ћелија, зидове модула, изолацију сабирница, заштиту поклопца паковања и друге локације где су стабилност облика и електрична изолација важни.

Да ли један материјал треба да реши цео проблем топлотног бекства?

Очекивање да један изолациони лист обезбеди отпорност на ватру, ултра-ниски пренос топлоте, опоравак од компресије, заптивање, контролу вибрација, диелектричну изолацију и структурну заштиту може резултирати скупим материјалом који и даље не испуњава један критични захтев.

Боље решење је често вишеслојни систем у коме сваки материјал обавља функцију којом се најбоље носи. На пример, лискун може да обезбеди диелектричну заштиту од високе температуре, аерогел може да смањи пренос топлоте, а специјализована силиконска пена може да обезбеди отпорност на компресију и топлотно ширење.

УЛ Проспецтор на сличан начин примећује да комбинације материјала могу бити неопходне да би се задовољили захтеви конструкције и захтевна испитивања топлотног одступања.^[3]

Како одабрати топлотну изолацију?

Само одабир материјала из табеле са подацима о температури може створити лажно поверење јер стварна злоупотреба батерије укључује време, топлотни ток, пламен, честице, притисак, геометрију и суседне компоненте.

Исправно решење је да се одабере материјал из стварног формата ћелије, локације квара, потребног времена кашњења, циљане температуре на заштићеној страни, електричних захтева, механичког оптерећења, доступне дебљине и спецификације теста злоупотребе. Узорке материјала онда треба валидирати у репрезентативним скуповима.

Инжењерске информације које треба прво дефинисати:

Хемија и формат ћелије, локација баријере, максимална расположива дебљина, захтеви за диелектриком, очекивани смер вентилације, циљ топлотног ширења, захтев за компресију, радна температура, лепљива конструкција, механичко причвршћивање и примењиви стандард за испитивање злоупотребе батерије.

Како треба потврдити перформансе термичке баријере?

Материјал који прође тест пламена малог купона и даље може да пропадне у стварној батерији јер спојеви, причвршћивачи, вентилациони путеви, компресија и суседне компоненте мењају пут топлотног тока.

Решење је да се валидирају перформансе и на нивоу материјала и на нивоу система у репрезентативним условима топлотног одступања. УЛ 2596 процењује материјале кућишта батерија под термичком и механичком изложеношћу, док безбедносни захтеви за ЕВ батерије, као што су ИСО 6469-1 и УН Уредба бр. 100, односе се на безбедност система за складиштење енергије који се може пунити на нивоу возила.^[1][5][6]

УНЕЦЕ је такође наставио рад на јачим захтевима за топлотно ширење за системе акумулатора електричних возила, појачавајући да је термичка заштита од бекства безбедносно питање на нивоу система, а не проблем степена пламена једног материјала.^[6]

Треба да изаберете термичку баријеру за ЕВ батерију?

За прелиминарни преглед материјала, припремите локацију ћелије, модула или паковања, доступну дебљину, циљну температуру на заштићеној страни, захтев за диелектриком, захтев за компресију, хемију ћелије, правац вентилације, ЦАД геометрију, захтев за лепљење и применљиву циљну мету за термичко одступање.

Исправну баријеру треба изабрати из стварног режима квара - не само из броја пламена или температуре одштампаног на таблици са подацима.

ФАК

Да ли нормална електрична изолација може да преживи топлотни бег батерије?

Не обавезно. Обична електрична изолација може да ради на нормалним радним температурама, али губи снагу, облик или диелектричне перформансе током екстремног излагања топлоти.

Да ли је УЛ 94 В-0 довољан за термичку баријеру ЕВ батерије?

Бр. В-0 указује на специфично понашање запаљивости под стандардизованим тестом, али термичка заштита од бекства такође зависи од преноса топлоте, дебљине материјала, вентилације, конструкције баријере и архитектуре паковања.

Зашто је лискун бољи од обичне пластике за термални бекство?

Лискун нуди много јачу диелектричну и структурну стабилност при високим температурама од многих обичних полимерних филмова, што га чини корисним за круте термичке и електричне баријере.

Може ли силиконска пена заштитити од топлотног бекства?

Посебно формулисани и валидирани силиконски материјали могу да обезбеде заштиту од топлотног ширења, али не треба аутоматски претпоставити да обична силиконска пена обезбеђује исте перформансе.

Која својства су најважнија у термалној баријери?

Важна својства укључују топлотну отпорност, отпорност на пламен, диелектричну чврстоћу, стабилност при високим температурама, отпорност на ерозију, механички интегритет, дебљину, густину и компатибилност са структуром батерије.

Да ли је највиша температура увек најбољи избор?

Не. Перформансе топлотног одступања зависе од топлотног флукса, времена излагања, геометрије, дебљине, конструкције материјала и дизајна система – не само од температурне оцене.

15-годишња перспектива компоненти аутомобилске батерије

На основу 15 година искуства у производњи аутомобилских компоненти и каблова, никада не одобравам материјал за изолацију батерија само зато што је електрично изолован, отпоран на ватру или је оцењен за високу континуирану температуру.

Термички бег ствара потпуно другачије окружење за квар: интензивна топлота, пламен, притисак, вруће честице, електрични стрес и време излагања делују заједно. Поуздано решење је да се прво дефинише стварна путања квара, а затим да се изабере лискун, аерогел, керамички материјал, специјални силикон или вишеслојна конструкција која може да заштити ту тачну локацију.

Ауторитативне референце

[1] УЛ Солутионс — Тхермал Рунаваи Евалуатион и УЛ 2596

[2] Рогерс Цорпоратион — Где је УЛ 94 В-0 битан у дизајну из стварног света

[3] УЛ Проспецтор — Избор материјала за заштиту од пожара за ЕВ батерију

[4] Рогерс Цорпоратион — ПроЦелл ЕВ Фиревалл Тхермал Пропагатион Протецтион

[5] ИСО — ИСО 6469-1:2019 Друмска возила на електрични погон, безбедност система за складиштење енергије који се може пунити

[6] УНЕЦЕ — Уредба УН бр. 100 Рев.3, Безбедност електричних погона