Чому звичайні ізоляційні матеріали виходять з ладу під час перегріву батареї електромобіля?

Звичайна електрична ізоляція може розм’якшуватися, стискатися, горіти, карбонізуватися, тріскатися або втрачати діелектричну міцність під впливом екстремального тепла, полум’я, гарячих часток, тиску та газів, що виділяються під час теплового відтоку батареї.

Правильним рішенням є використання теплових бар’єрів, спеціально розроблених для високотемпературної ізоляції, низької тепловіддачі, вогнестійкості, діелектричної стабільності та механічної цілісності в умовах неправильного використання. Матеріал, який добре працює при нормальній робочій температурі батареї, автоматично не підходить для виходу тепла.

Чому тепловий розгін відрізняється від звичайного нагріву батареї?

Звичайна ізоляція може витримати тривалу роботу при високій температурі, але швидко виходить з ладу, коли теплова відтік додає пряме полум’я, тиск, гарячі частки та концентрований тепловий потік.

Рішення полягає в тому, щоб оцінити ізоляцію на предмет неправильного використання, а не лише на температурні показники постійного використання. UL Solutions зазначає, що тепловий розгін батареї може спричинити струменеве полум’я, викинуті частинки, високу температуру та тиск усередині корпусу, тобто захисний матеріал має протистояти кільком одночасним механізмам відмови.^[1]

Ця відмінність є критичною. Матеріал, розрахований на звичайну електроізоляцію при 105°C, 125°C або навіть вище, все ще може втратити структуру або діелектричні характеристики під впливом умов прямого витікання тепла.

Чому звичайна полімерна ізоляція може розм’якшитися або зруйнуватися?

Багато звичайних полімерних плівок і пінопластів призначені для електроізоляції, амортизації або герметизації, а не для прямого впливу сильного тепла, тому вони можуть розм’якшитися, стиснутися, розплавитися або остаточно деформуватися.

Правильним рішенням є вибір матеріалів, термостійкість яких залишається достатньою за фактичної температури зловживання та тривалості впливу. Високотемпературна слюда, бар’єри на основі кераміки, аерогелеві системи та спеціальні силіконові матеріали зазвичай розглядаються, коли звичайна ізоляція не може підтримувати свою функцію.

При виборі матеріалу необхідно розрізняти стійкість до робочих температур і стійкість до теплових розбігів . Це не однакові характеристики.

Чому лише UL 94 V-0 недостатньо?

Матеріал може досягати UL 94 V-0 і все ще забезпечувати недостатній захист від поширення тепла від клітини до клітини, оскільки класифікація маломасштабного полум’я не представляє повної термічної події.

Рішення полягає в тому, щоб розглядати вогнестійкість лише як одну властивість матеріалу та окремо перевіряти теплоізоляцію, стійкість до теплового потоку, механічне утримання, вплив вентиляційного газу та ефективність розповсюдження на рівні системи. Роджерс особливо зазначає, що як тільки клітина входить до термічної втечі, піна V-0 не зупиняє виділення енергії сама по собі; архітектура упаковки та теплові бар'єри залишаються критичними.^[2]

Це одна з найпоширеніших помилок у специфікаціях матеріалів батареї: 'V-0' не означає 'тепловий захист'.

Які режими відмови повинна витримати ізоляція батареї?

Якщо інженер оцінює лише вогнестійкість, ізоляція все одно може вийти з ладу внаслідок ерозії, тиску, гарячих частинок, діелектричного пробою, втрати при стисненні або передачі тепла до сусідньої комірки.

Правильне рішення полягає в тому, щоб перед вибором бар'єрного матеріалу перевірити повне середовище відмови. Оцінка корпусу батареї UL спеціально поєднує високу температуру, тиск і викинуті частинки, оскільки теплова розбіжність — це подія з кількома фізичними властивостями, а не простий тест полум’ям.^[1]

Чому низька теплопровідність важлива?

Матеріал може залишатися фізично недоторканим, але все одно не служити тепловим бар’єром, якщо тепло проходить через нього досить швидко, щоб активувати сусідню комірку.

Рішення полягає в тому, щоб контролювати як живучість матеріалу, так і теплопередачу через бар’єр. UL Prospector зазначає, що аерогелі, керамічні ковдри та інкапсулюючі піни можуть добре працювати при низькій теплопровідності та щільності, тоді як слюда забезпечує міцну електроізоляцію, але може вимагати більшої товщини для достатнього протипожежного захисту.^[3]

Тому важливою цілью проектування є не просто «чи горить матеріал?», а й «скільки тепла досягає захищеної сторони та як швидко?»

Чому тонких пластикових плівок може бути недостатньо?

Тонкі полімерні плівки можуть забезпечувати відмінне діелектричне розділення під час нормальної роботи, але мають дуже невелику термічну масу або товщину, щоб протистояти тривалому теплообміну під час теплового відтоку.

Правильним рішенням є використання тонких плівок переважно для електричної ізоляції, де це доречно, і додавання спеціального теплового бар’єру, коли цього вимагає ризик поширення тепла. Багатошарова структура може розділяти функції електроізоляції, теплоізоляції, механічного захисту та адгезії.

Спроба змусити одну тонку електричну плівку виконувати всі чотири функції зазвичай призводить до неприйнятних компромісів.

Чому звичайної піни може бути недостатньо?

Звичайний пінопласт може добре працювати як компресійна прокладка, ущільнювач або поглинач вібрації, але втрачає міцність або ізоляційні характеристики під прямим впливом тепла.

Рішення полягає у використанні піни, спеціально розробленої та перевіреної для поширення тепла, коли компонент має забезпечувати як стиснення, так і вогнезахист. Матеріали ProCell EV Firewall від Роджерса є прикладами силіконових еластомерних систем, розроблених спеціально для поєднання функції стиснення акумулятора із захистом від поширення тепла.^[4]

Це ілюструє важливе правило: звичайний силіконовий пінопласт і силіконові бар’єри з термостійкістю не повинні автоматично розглядатися як матеріал одного класу.

Чому слюду зазвичай використовують для захисту від теплового витоку?

Там, де звичайна полімерна ізоляція не може зберегти електричну ізоляцію та бар’єрну структуру при високій температурі, несправність може оголити сусідні комірки, шини або компоненти упаковки.

Рішення полягає у використанні слюди там, де потрібна високотемпературна діелектрична стабільність і жорсткий тепловий захист. Слюда має потужну електроізоляційну здатність і широко використовується в системах теплового та протипожежного захисту акумуляторів електромобілів, хоча необхідна товщина та конструкція все ще залежать від конкретної архітектури блоку.^[3]

Слюда особливо корисна для огороджень комірок, стінок модулів, ізоляції шин, захисту кришки пакета та інших місць, де стабільність форми та електрична ізоляція мають значення.

Чи повинен один матеріал впоратися з усією проблемою теплових відходів?

Очікування, що один ізоляційний лист забезпечить вогнестійкість, наднизьку теплопередачу, відновлення стиснення, герметизацію, контроль вібрації, діелектричну ізоляцію та структурний захист, може призвести до того, що дорогий матеріал не відповідатиме одній критичній вимозі.

Кращим рішенням часто є багатошарова система, в якій кожен матеріал виконує ту функцію, з якою найкраще справляється. Наприклад, слюда може забезпечити високотемпературний діелектричний захист, аерогель може зменшити передачу тепла, а спеціальна силіконова піна може забезпечити стійкість до стиснення та поширення тепла.

UL Prospector також зазначає, що комбінації матеріалів можуть бути необхідними для задоволення структурних вимог і вимогливих випробувань на температурний розгін.^[3]

Як вибрати теплоізоляцію?

Вибір матеріалу лише з номінальної температури в таблиці даних може створити помилкову впевненість, оскільки справжнє зловживання акумулятором включає час, тепловий потік, полум’я, частки, тиск, геометрію та сусідні компоненти.

Правильним рішенням є вибір матеріалу з фактичного формату комірки, місця несправності, необхідного часу затримки, цільової температури захищеної сторони, електричних вимог, механічного навантаження, доступної товщини та специфікації тесту на зловживання. Потім зразки матеріалів повинні бути валідовані в репрезентативних збірках.

Технічна інформація для визначення в першу чергу:

Хімічний склад і формат елемента, розташування бар’єру, максимальна доступна товщина, вимоги до діелектрика, очікуваний напрямок вентиляційного отвору, ціль поширення тепла, вимога до стиснення, робоча температура, клейка конструкція, механічне кріплення та відповідний стандарт випробувань на зловживання акумулятором.

Як перевірити ефективність теплового бар'єру?

Матеріал, який пройшов випробування на невелике полум’я, все одно може вийти з ладу всередині фактичної батареї, оскільки з’єднання, кріплення, вентиляційні шляхи, стиснення та сусідні компоненти змінюють шлях теплового потоку.

Рішення полягає в тому, щоб перевірити продуктивність як на рівні матеріалу, так і на рівні системи за репрезентативних умов теплового розгону. UL 2596 оцінює матеріали корпусу батареї за умов термічного та механічного впливу, тоді як вимоги щодо безпеки батареї електромобілів, такі як ISO 6469-1 і Регламент ООН № 100, стосуються безпеки акумуляторної системи зберігання енергії на рівні транспортного засобу.^[1][5][6]

ЄЕК ООН також продовжила роботу над посиленням вимог щодо розповсюдження тепла для систем акумуляторів електромобілів, підтверджуючи те, що захист від теплового розбігу є проблемою безпеки на рівні системи, а не проблемою вогнестійкості одного матеріалу.^[6]

Потрібно вибрати тепловий бар’єр для електричної батареї?

Для попереднього аналізу матеріалу підготуйте комірку, модуль або пакет, доступну товщину, цільову температуру захищеної сторони, вимоги до діелектрика, вимоги до стиснення, хімічний склад комірки, напрямок вентиляційного отвору, геометрію CAD, вимоги до адгезиву та застосовну мішень для випробувань на відтік тепла.

Правильний бар’єр слід вибирати на основі фактичного режиму несправності, а не просто на основі рейтингу полум’я чи температури, надрукованих у таблиці даних.

FAQ

Чи може звичайна електрична ізоляція витримати перегріву батареї?

Не обов'язково. Звичайна електрична ізоляція може працювати при нормальних робочих температурах, але втрачати міцність, форму або діелектричні характеристики під час екстремального впливу тепла.

Чи достатньо UL 94 V-0 для теплового бар’єру акумулятора EV?

Номер V-0 вказує на специфічну поведінку щодо займистості під час стандартизованого випробування, але захист від термічного витоку також залежить від теплопередачі, товщини матеріалу, вентиляції, конструкції бар’єру та архітектури упаковки.

Чому слюда краща, ніж звичайний пластик для термічної втечі?

Слюда забезпечує набагато сильнішу високотемпературну діелектрику та структурну стабільність, ніж багато звичайних полімерних плівок, що робить її корисною для жорстких теплових та електричних бар’єрів.

Чи може силіконова піна захистити від перегріву?

Спеціально розроблені та перевірені силіконові матеріали можуть забезпечити захист від поширення тепла, але звичайна силіконова піна не повинна автоматично вважатися такою ж ефективністю.

Які властивості є найбільш важливими для теплового бар’єру?

До важливих властивостей належать термостійкість, вогнестійкість, діелектрична міцність, стійкість до високих температур, стійкість до ерозії, механічна цілісність, товщина, щільність і сумісність із структурою батареї.

Чи завжди найвищий показник температури є найкращим вибором?

Ні. Ефективність тепловіддачі залежить від теплового потоку, часу впливу, геометрії, товщини, конструкції матеріалу та дизайну системи, а не лише від номінальної температури.

15-річна перспектива компонентів автомобільних акумуляторів

Базуючись на 15-річному досвіді виробництва автомобільних компонентів і джгутів, я ніколи не схвалюю матеріал ізоляції батареї просто тому, що він є електроізоляційним, вогнестійким або розрахований на тривалу високу температуру.

Теплова розбіжність створює зовсім інше середовище збою: інтенсивне тепло, полум'я, тиск, гарячі частинки, електричний стрес і час впливу діють разом. Надійне рішення полягає в тому, щоб спочатку визначити фактичний шлях відмови, а потім вибрати слюду, аерогель, керамічний матеріал, спеціальний силікон або багатошарову конструкцію, яка може захистити це точне місце.

Авторитетні посилання

[1] Рішення UL — Теплова оцінка корпусу акумулятора та UL 2596

[2] Rogers Corporation — Де UL 94 V-0 має значення в реальних проектах

[3] UL Prospector — вибір протипожежних матеріалів для акумулятора електромобіля

[4] Rogers Corporation — ProCell EV Firewall Protection Thermal Propagation Protection

[5] ISO — ISO 6469-1:2019 Дорожні транспортні засоби з електричним приводом, безпека акумуляторної системи зберігання енергії

[6] ЄЕК ООН — Правила ООН № 100 Ред. 3, Безпека електричного приводу