เหตุใดวัสดุฉนวนทั่วไปจึงล้มเหลวในระหว่างที่แบตเตอรี่ EV หนีความร้อน

ฉนวนไฟฟ้าทั่วไปอาจทำให้อ่อนตัว หดตัว เผาไหม้ ทำให้เกิดคาร์บอน แตก หรือสูญเสียความเป็นฉนวนเมื่อสัมผัสกับความร้อนสูง เปลวไฟ อนุภาคร้อน ความดัน และก๊าซระบายที่เกิดขึ้นในระหว่างที่ความร้อนของแบตเตอรี่หมด

วิธีแก้ปัญหาที่ถูกต้องคือการใช้แผงกั้นความร้อนซึ่งออกแบบมาเป็นพิเศษสำหรับฉนวนที่มีอุณหภูมิสูง การถ่ายเทความร้อนต่ำ ความต้านทานเปลวไฟ ความคงตัวของฉนวน และความสมบูรณ์ทางกลภายใต้สภาวะการใช้งานที่ไม่เหมาะสม วัสดุที่ทำงานได้ดีที่อุณหภูมิการทำงานของแบตเตอรี่ปกติไม่เหมาะกับเหตุการณ์ความร้อนหนีไฟโดยอัตโนมัติ

เหตุใด Thermal Runaway จึงแตกต่างจากการให้ความร้อนแบตเตอรี่ปกติ

ฉนวนปกติอาจทนทานต่อการทำงานในระยะยาวที่อุณหภูมิสูงขึ้น แต่จะล้มเหลวอย่างรวดเร็วเมื่อความร้อนที่หนีออกไปเพิ่มเปลวไฟ ความดัน อนุภาคร้อน และฟลักซ์ความร้อนที่เข้มข้น

วิธีแก้ไขคือการประเมินฉนวนต่อสภาวะการใช้งานที่ไม่เหมาะสม แทนที่จะประเมินเฉพาะอุณหภูมิการใช้งานต่อเนื่องเท่านั้น โซลูชัน UL ตั้งข้อสังเกตว่าการระบายความร้อนของแบตเตอรี่อาจทำให้เกิดเปลวไฟคล้ายไอพ่น อนุภาคที่ถูกพุ่งออกมา อุณหภูมิสูง และความดันภายในตัวเครื่อง ซึ่งหมายความว่าวัสดุป้องกันจะต้องทนทานต่อกลไกความล้มเหลวหลายประการพร้อมกัน^[1]

ความแตกต่างนี้เป็นสิ่งสำคัญ วัสดุที่ได้รับการจัดอันดับสำหรับฉนวนไฟฟ้าปกติที่อุณหภูมิ 105°C, 125°C หรือสูงกว่านั้น อาจยังคงสูญเสียโครงสร้างหรือสมรรถนะของฉนวนเมื่อสัมผัสกับสภาวะการหนีความร้อนโดยตรง

เหตุใดฉนวนโพลีเมอร์ธรรมดาจึงสามารถอ่อนตัวหรือยุบตัวได้

ฟิล์มและโฟมโพลีเมอร์ธรรมดาจำนวนมากได้รับการออกแบบมาเพื่อเป็นฉนวนไฟฟ้า การกันกระแทก หรือการปิดผนึก — ไม่ใช่การสัมผัสโดยตรงกับความร้อนที่หนีความร้อนอย่างรุนแรง — ดังนั้นพวกมันอาจนิ่ม หดตัว ละลาย หรือเสียรูปอย่างถาวร

แนวทางแก้ไขที่ถูกต้องคือการเลือกวัสดุที่มีเสถียรภาพทางความร้อนเพียงพอภายใต้อุณหภูมิการใช้งานจริงและระยะเวลาการรับแสง ไมกาอุณหภูมิสูง แผงกั้นที่ทำจากเซรามิก ระบบแอโรเจล และวัสดุซิลิโคนสูตรพิเศษ มักได้รับการพิจารณาเมื่อฉนวนธรรมดาไม่สามารถรักษาฟังก์ชันการทำงานได้

การเลือก วัสดุต้องแยกแยะความแตกต่างระหว่าง ความต้านทานต่ออุณหภูมิในการทำงาน และ ความต้านทานการหนีความร้อนจากความร้อน ใช้ สิ่งเหล่านี้ไม่ใช่ข้อกำหนดเดียวกัน

เหตุใด UL 94 V-0 เพียงอย่างเดียวจึงไม่เพียงพอ

วัสดุสามารถบรรลุมาตรฐาน UL 94 V-0 และยังคงมีการป้องกันการแพร่กระจายความร้อนจากเซลล์สู่เซลล์ไม่เพียงพอ เนื่องจากการจำแนกเปลวไฟขนาดเล็กไม่ได้แสดงถึงเหตุการณ์การหนีความร้อนโดยสมบูรณ์

วิธีแก้ปัญหาคือให้ถือว่าระดับเปลวไฟเป็นเพียงคุณสมบัติของวัสดุเดียว และแยกตรวจสอบฉนวนกันความร้อน ความต้านทานฟลักซ์ความร้อน การกักเก็บเชิงกล การสัมผัสกับก๊าซระบาย และประสิทธิภาพการแพร่กระจายระดับระบบ Rogers ตั้งข้อสังเกตเป็นพิเศษว่าเมื่อเซลล์เข้าสู่การระบายความร้อน โฟม V-0 จะไม่หยุดการปล่อยพลังงานด้วยตัวมันเอง สถาปัตยกรรมบรรจุภัณฑ์และแผงกั้นความร้อนยังคงมีความสำคัญ^[2]

นี่เป็นหนึ่งในข้อผิดพลาดด้านข้อมูลจำเพาะที่พบบ่อยที่สุดในวัสดุแบตเตอรี่: 'V-0' ไม่ได้หมายความว่า 'กันความร้อนไม่ไหลออก'

ฉนวนแบตเตอรี่ต้องทนโหมดความล้มเหลวแบบใด

หากวิศวกรประเมินเฉพาะความต้านทานเปลวไฟ ฉนวนอาจยังคงล้มเหลวจากการกัดเซาะ ความดัน อนุภาคร้อน การสลายไดอิเล็กทริก การสูญเสียแรงอัด หรือการถ่ายเทความร้อนไปยังเซลล์ที่อยู่ติดกัน

วิธีแก้ปัญหาที่ถูกต้องคือการคัดกรองสภาพแวดล้อมที่เสียหายทั้งหมดก่อนที่จะเลือกวัสดุกั้น การประเมินกล่องแบตเตอรี่ของ UL จะรวมเอาอุณหภูมิ ความดัน และอนุภาคที่พุ่งออกมาสูงเป็นพิเศษ เนื่องจากการหนีความร้อนเป็นเหตุการณ์ทางฟิสิกส์หลายรูปแบบ ไม่ใช่การทดสอบเปลวไฟแบบธรรมดา^[1]

เหตุใดการนำความร้อนต่ำจึงมีความสำคัญ?

วัสดุสามารถคงสภาพทางกายภาพไว้ได้ แต่ยังคงล้มเหลวในฐานะเกราะป้องกันความร้อนหากความร้อนผ่านเข้าไปเร็วพอที่จะกระตุ้นเซลล์ข้างเคียง

วิธีแก้ไขคือการควบคุมทั้งความอยู่รอดของวัสดุและการถ่ายเทความร้อนผ่านสิ่งกีดขวาง UL Prospector ตั้งข้อสังเกตว่าแอโรเจล ผ้าห่มเซรามิก และโฟมห่อหุ้มสามารถทำงานได้ดีในค่าการนำความร้อนและความหนาแน่นต่ำ ในขณะที่ไมก้าให้ฉนวนไฟฟ้าที่แข็งแกร่ง แต่อาจต้องมีความหนามากขึ้นเพื่อการป้องกันอัคคีภัยที่เพียงพอ^[3]

เป้าหมายการออกแบบที่สำคัญจึงไม่ใช่แค่ 'วัสดุไหม้ไหม' แต่ยังรวมถึง 'ความร้อนไปถึงด้านที่ได้รับการป้องกันมากน้อยเพียงใด และเร็วแค่ไหน'

เหตุใดฟิล์มพลาสติกบางจึงไม่เพียงพอ?

ฟิล์มโพลีเมอร์บางสามารถแยกอิเล็กทริกได้ดีเยี่ยมในระหว่างการทำงานปกติ แต่มีมวลความร้อนหรือความหนาน้อยมาก เพื่อต้านทานการถ่ายเทความร้อนอย่างต่อเนื่องระหว่างการหนีความร้อน

วิธีแก้ปัญหาที่ถูกต้องคือการใช้ฟิล์มบางเพื่อการแยกทางไฟฟ้าเป็นหลักตามความเหมาะสม และเพิ่มแผงกั้นความร้อนเฉพาะเมื่อมีความเสี่ยงในการแพร่กระจายความร้อน โครงสร้างหลายชั้นสามารถแยกการทำงานของฉนวนไฟฟ้า ฉนวนกันความร้อน การป้องกันทางกล และการยึดเกาะ

การพยายามทำให้ฟิล์มไฟฟ้าบางๆ แผ่นเดียวทำงานได้ทั้งสี่ฟังก์ชัน มักจะบังคับให้ต้องประนีประนอมซึ่งไม่อาจยอมรับได้

ทำไมโฟมธรรมดาถึงไม่เพียงพอ?

โฟมทั่วไปอาจทำหน้าที่เป็นแผ่นอัด ซีล หรือตัวดูดซับแรงสั่นสะเทือนได้ดี แต่จะสูญเสียความแข็งแรงหรือประสิทธิภาพของฉนวนเมื่อสัมผัสกับความร้อนโดยตรง

วิธีแก้ไขคือการใช้โฟมสูตรเฉพาะและผ่านการรับรองสำหรับการแพร่กระจายความร้อน เมื่อส่วนประกอบต้องมีทั้งการบีบอัดและการป้องกันอัคคีภัย วัสดุไฟร์วอลล์ ProCell EV ของ Rogers คือตัวอย่างของระบบซิลิโคนอีลาสโตเมอร์ที่พัฒนาขึ้นโดยเฉพาะเพื่อรวมฟังก์ชันการบีบอัดแบตเตอรี่เข้ากับการป้องกันการแพร่กระจายความร้อน^[4]

นี่แสดงให้เห็นถึงกฎที่สำคัญ: โฟมซิลิโคนธรรมดาและแผงกั้นซิลิโคนที่ทนต่อความร้อนไม่ควรถือเป็นวัสดุประเภทเดียวกันโดยอัตโนมัติ

เหตุใดไมกาจึงมักใช้สำหรับการป้องกันความร้อนที่หนีไม่พ้น?

ในกรณีที่ฉนวนโพลีเมอร์ธรรมดาไม่สามารถคงการแยกทางไฟฟ้าและโครงสร้างกั้นที่อุณหภูมิสูงได้ ความล้มเหลวอาจทำให้เซลล์ บัสบาร์ หรือส่วนประกอบของแพ็คที่อยู่ใกล้เคียงหลุดออกมาได้

วิธีแก้ไขคือใช้ไมกาที่ต้องการความเสถียรของไดอิเล็กทริกที่อุณหภูมิสูงและการป้องกันความร้อนที่เข้มงวด ไมก้ามีความสามารถในการเป็นฉนวนไฟฟ้าที่แข็งแกร่ง และมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในการใช้งานด้านความร้อนและการป้องกันอัคคีภัยของแบตเตอรี่ EV แม้ว่าความหนาและโครงสร้างที่ต้องการยังคงขึ้นอยู่กับสถาปัตยกรรมของบรรจุภัณฑ์เฉพาะ^[3]

ไมกามีประโยชน์อย่างยิ่งสำหรับแผงกั้นเซลล์ ผนังโมดูล ฉนวนบัสบาร์ การป้องกันฝาแพ็ค และตำแหน่งอื่นๆ ที่ความเสถียรของรูปร่างและฉนวนไฟฟ้ามีความสำคัญ

วัสดุชนิดเดียวควรจัดการกับปัญหาการหนีความร้อนทั้งหมดหรือไม่

การคาดหวังว่าแผ่นฉนวนหนึ่งแผ่นจะมีคุณสมบัติทนไฟ การถ่ายเทความร้อนต่ำเป็นพิเศษ การกู้คืนการบีบอัด การปิดผนึก การควบคุมการสั่นสะเทือน การแยกอิเล็กทริก และการป้องกันโครงสร้าง อาจส่งผลให้วัสดุมีราคาแพงแต่ยังคงไม่ผ่านข้อกำหนดที่สำคัญประการหนึ่ง

วิธีแก้ปัญหาที่ดีกว่ามักเป็นระบบหลายชั้นซึ่งวัสดุแต่ละชนิดทำหน้าที่ได้อย่างดีที่สุด ตัวอย่างเช่น ไมกาสามารถให้การป้องกันอิเล็กทริกที่อุณหภูมิสูง แอโรเจลสามารถลดการถ่ายเทความร้อน และโฟมซิลิโคนชนิดพิเศษสามารถให้ความต้านทานการบีบอัดและการแพร่กระจายความร้อน

UL Prospector ตั้งข้อสังเกตในทำนองเดียวกันว่าการผสมวัสดุอาจจำเป็นเพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดด้านโครงสร้างและการทดสอบการหนีความร้อน^[3]

ควรเลือกฉนวนกันความร้อน Runaway อย่างไร?

การเลือกวัสดุจากพิกัดอุณหภูมิในเอกสารข้อมูลเพียงอย่างเดียวสามารถสร้างความมั่นใจที่ผิดพลาดได้ เนื่องจากการใช้งานแบตเตอรี่จริงโดยไม่ได้ตั้งใจนั้นเกี่ยวข้องกับเวลา ฟลักซ์ความร้อน เปลวไฟ อนุภาค ความดัน รูปทรง และส่วนประกอบใกล้เคียง

วิธีแก้ปัญหาที่ถูกต้องคือการเลือกวัสดุจากรูปแบบเซลล์จริง ตำแหน่งที่เกิดข้อผิดพลาด เวลาหน่วงที่ต้องการ เป้าหมายอุณหภูมิด้านที่มีการป้องกัน ข้อกำหนดทางไฟฟ้า โหลดทางกล ความหนาที่มีอยู่ และข้อกำหนดการทดสอบการใช้งานในทางที่ผิด ตัวอย่างวัสดุควรได้รับการตรวจสอบความถูกต้องในชุดประกอบที่เป็นตัวแทน

ข้อมูลทางวิศวกรรมที่ต้องนิยามก่อน:

เคมีและรูปแบบของเซลล์ ตำแหน่งสิ่งกีดขวาง ความหนาสูงสุดที่มีอยู่ ข้อกำหนดไดอิเล็กทริก ทิศทางช่องระบายอากาศที่คาดหวัง เป้าหมายการแพร่กระจายความร้อน ข้อกำหนดการบีบอัด อุณหภูมิในการทำงาน โครงสร้างกาว การยึดติดทางกล และมาตรฐานการทดสอบการใช้แบตเตอรี่ในทางที่ผิด

ควรตรวจสอบประสิทธิภาพของแผงกั้นความร้อนอย่างไร

วัสดุที่ผ่านการทดสอบเปลวไฟคูปองขนาดเล็กยังคงสามารถล้มเหลวภายในแบตเตอรี่จริงได้ เนื่องจากข้อต่อ ตัวยึด เส้นทางระบายอากาศ การบีบอัด และส่วนประกอบใกล้เคียงเปลี่ยนเส้นทางการไหลของความร้อน

วิธีแก้ไขคือการตรวจสอบประสิทธิภาพทั้งระดับวัสดุและระดับระบบภายใต้สภาวะการหนีความร้อนที่เป็นตัวแทน UL 2596 ประเมินวัสดุของกล่องแบตเตอรี่ภายใต้การสัมผัสความร้อนและกลไก ในขณะที่ข้อกำหนดด้านความปลอดภัยของแบตเตอรี่ EV เช่น ISO 6469-1 และ UN Regulation No. 100 กล่าวถึงความปลอดภัยของระบบกักเก็บพลังงานแบบชาร์จได้ในระดับยานพาหนะ^[1][5][6]

UNECE ยังได้ดำเนินการอย่างต่อเนื่องเกี่ยวกับข้อกำหนดการแพร่กระจายความร้อนที่เข้มงวดมากขึ้นสำหรับระบบแบตเตอรี่รถยนต์ไฟฟ้า โดยเสริมว่าการป้องกันความร้อนที่หนีไม่พ้นเป็นปัญหาด้านความปลอดภัยระดับระบบ มากกว่าปัญหาระดับเปลวไฟจากวัสดุเดี่ยว^[6]

จำเป็นต้องเลือกแผงกั้นความร้อนสำหรับแบตเตอรี่ EV หรือไม่?

สำหรับการตรวจสอบวัสดุเบื้องต้น ให้เตรียมตำแหน่งเซลล์ โมดูล หรือบรรจุภัณฑ์ ความหนาที่มีอยู่ เป้าหมายอุณหภูมิด้านที่มีการป้องกัน ข้อกำหนดเกี่ยวกับไดอิเล็กทริก ข้อกำหนดในการบีบอัด เคมีของเซลล์ ทิศทางช่องระบายอากาศ รูปทรง CAD ข้อกำหนดด้านกาว และเป้าหมายการทดสอบการหนีความร้อนที่บังคับใช้

ควรเลือกสิ่งกีดขวางที่ถูกต้องจากโหมดความล้มเหลวที่เกิดขึ้นจริง ไม่ใช่แค่จากระดับเปลวไฟหรือหมายเลขอุณหภูมิที่พิมพ์บนแผ่นข้อมูลเท่านั้น

คำถามที่พบบ่อย

ฉนวนไฟฟ้าปกติสามารถอยู่รอดจากความร้อนของแบตเตอรี่ได้หรือไม่?

ไม่จำเป็น. ฉนวนไฟฟ้าทั่วไปอาจทำงานได้ที่อุณหภูมิการทำงานปกติ แต่จะสูญเสียความแข็งแรง รูปร่าง หรือสมรรถนะของฉนวนระหว่างการสัมผัสความร้อนที่รุนแรง

UL 94 V-0 เพียงพอสำหรับแผงกั้นความร้อนแบตเตอรี่ EV หรือไม่

ไม่ V-0 บ่งชี้พฤติกรรมการติดไฟเฉพาะภายใต้การทดสอบมาตรฐาน แต่การป้องกันความร้อนที่หนีไม่พ้นยังขึ้นอยู่กับการถ่ายเทความร้อน ความหนาของวัสดุ การระบายอากาศ การสร้างแผงกั้น และสถาปัตยกรรมของบรรจุภัณฑ์ด้วย

เหตุใดไมก้าจึงดีกว่าพลาสติกทั่วไปสำหรับเทอร์โมอะเวย์

ไมกามีความคงตัวของไดอิเล็กทริกและโครงสร้างที่อุณหภูมิสูงได้ดีกว่าฟิล์มโพลีเมอร์ทั่วไปหลายตัว ทำให้มีประโยชน์สำหรับแผงกั้นความร้อนและไฟฟ้าที่มีความแข็ง

โฟมซิลิโคนสามารถป้องกันความร้อนหนีไฟได้หรือไม่?

วัสดุซิลิโคนที่มีสูตรพิเศษและผ่านการตรวจสอบแล้วสามารถให้การป้องกันการแพร่กระจายความร้อนได้ แต่ไม่ควรถือว่าโฟมซิลิโคนธรรมดามีประสิทธิภาพเท่ากันโดยอัตโนมัติ

คุณสมบัติใดที่สำคัญที่สุดในแผงกั้นระบายความร้อน?

คุณสมบัติที่สำคัญ ได้แก่ ความต้านทานความร้อน ความต้านทานเปลวไฟ ความเป็นฉนวน ความเสถียรที่อุณหภูมิสูง ความต้านทานการกัดกร่อน ความสมบูรณ์ทางกล ความหนา ความหนาแน่น และความเข้ากันได้กับโครงสร้างของแบตเตอรี่

อัตราอุณหภูมิสูงสุดเป็นตัวเลือกที่ดีที่สุดเสมอไปหรือไม่?

ไม่ ประสิทธิภาพการหนีความร้อนขึ้นอยู่กับฟลักซ์ความร้อน เวลาสัมผัส เรขาคณิต ความหนา โครงสร้างวัสดุ และการออกแบบระบบ ไม่ใช่ระดับอุณหภูมิเพียงอย่างเดียว

มุมมองส่วนประกอบแบตเตอรี่รถยนต์ 15 ปี

จากประสบการณ์ 15 ปีของประสบการณ์การผลิตชิ้นส่วนยานยนต์และชุดสายไฟ ฉันไม่เคยอนุมัติวัสดุฉนวนแบตเตอรี่เลยเพียงเพราะว่าเป็นฉนวนไฟฟ้า ไม่ลามไฟ หรือจัดระดับให้อุณหภูมิสูงต่อเนื่อง

การหนีความร้อนทำให้เกิดสภาพแวดล้อมความล้มเหลวที่แตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิง: ความร้อนที่รุนแรง เปลวไฟ ความดัน อนุภาคร้อน ความเค้นทางไฟฟ้า และเวลาสัมผัสจะทำงานร่วมกัน วิธีแก้ปัญหาที่เชื่อถือได้คือการกำหนดเส้นทางความเสียหายที่เกิดขึ้นจริงก่อน แล้วจึงเลือกไมก้า แอโรเจล วัสดุเซรามิก ซิลิโคนชนิดพิเศษ หรือโครงสร้างหลายชั้นที่สามารถปกป้องตำแหน่งที่แน่นอนนั้นได้

การอ้างอิงที่เชื่อถือได้

[1] โซลูชัน UL - การประเมินการหนีความร้อนของตู้แบตเตอรี่และ UL 2596

[2] Rogers Corporation — UL 94 V-0 มีความสำคัญในการออกแบบในโลกแห่งความเป็นจริง

[3] UL Prospector — การเลือกวัสดุป้องกันอัคคีภัยสำหรับแบตเตอรี่ EV

[4] Rogers Corporation — การป้องกันการแพร่กระจายความร้อนของไฟร์วอลล์ ProCell EV

[5] ISO — ISO 6469-1:2019 ยานพาหนะบนถนนที่ขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้า ความปลอดภัยของระบบจัดเก็บพลังงานแบบชาร์จได้

[6] UNECE — ระเบียบ UN หมายเลข 100 Rev.3, ความปลอดภัยของระบบส่งกำลังไฟฟ้า