Как производитель силикона для защиты от термического разгона проектирует многослойную защиту аккумуляторных батарей электромобилей

Силиконовая химия сегодня занимает центральное место в инженерии безопасности аккумуляторных батарей электромобилей. В данной статье рассматриваются четыре семейства силиконовых материалов, применяемых как скоординированная защита от термического разгона в литий-ионных батареях: керамизирующиеся силиконовые компаунды, которые при воздействии пламени затвердевают в керамический кокс; абляционные термобарьерные покрытия, наносимые на корпуса ячеек и крышки модулей; сжимаемые прокладки-заполнители зазоров, управляющие тепловым потоком между ячейками и охлаждающими пластинами; а также огнестойкие силиконовые кабельные компаунды, рассчитанные на прямое воздействие пламени. Мы рассмотрим механизмы отказов, которые устраняет каждый материал, типовые эксплуатационные требования, задаваемые инженерами, и проектные компромиссы, которые следует учитывать закупочным командам при квалификации линейки силиконовой резины у производителя силикона для защиты от термического разгона.

Керамизирующийся силикон и механика формирования термобарьера

Керамизирующаяся силиконовая резина представляет собой композитную систему, в которой стандартная силиконовая эластомерная матрица наполнена неорганическими наполнителями, такими как диоксид кремния, слюда, стеклофритта и ATH. В нормальных условиях эксплуатации она ведёт себя как гибкая прокладка или заливочный компаунд. Когда температура поверхности поднимается выше примерно 350–400 °C, органическая основа разлагается, а минеральные наполнители спекаются в непрерывный керамический кокс. Именно это фазовое превращение является защитным событием: слой кокса обладает очень низкой теплопроводностью, блокирует прямое воздействие пламени и сохраняет форму достаточно долго, чтобы замедлить передачу тепла к соседним ячейкам.

Для использования на уровне батарейного блока керамизирующиеся силиконы обычно заливаются в межмодульные швы, наносятся в виде покрытия на крышки шинопроводов или отливаются на структурных перегородках. К задаваемым характеристикам относятся значения LOI выше 30 процентов, рейтинги UL94 V-0 при определённых толщинах, а также контролируемые коэффициенты расширения кокса во избежание чрезмерных внутренних напряжений. Службе закупок следует убедиться, что состав не выделяет токопроводящих остатков, которые могли бы создать мостики между высоковольтными компонентами, и что плотность отверждённого материала достаточно низка, чтобы избежать штрафов по массе на уровне модуля.

Термоинтерфейсные материалы: прокладки-заполнители зазоров и герметики

Распространение термического разгона — это, по сути, задача теплопередачи, и прокладки-заполнители зазоров решают её задолго до какого-либо возгорания. Силиконовые заполнители зазоров наполняются оксидом алюминия, нитридом бора или гибридными керамическими порошками для обеспечения теплопроводности, как правило, в диапазоне от одного до пяти ватт на метр-кельвин, при этом оставаясь достаточно мягкими для смачивания поверхностей пакетных ячеек, призматических ячеек или массивов цилиндрических ячеек. Прокладка сжимается при сборке модуля, вытесняет воздух и создаёт непрерывный проводящий путь от стенки ячейки к охлаждающей пластине или каналу охлаждения.

Помимо теплопроводности, силиконовое связующее обеспечивает электрическую прочность, обычно превышающую 10 киловольт на миллиметр, и сохраняет эластичность во всём рабочем диапазоне температур от минус 40 до 150 °C. На ранней стадии теплового события та же прокладка замедляет кондуктивную теплопередачу от инициирующей ячейки к её соседям, выигрывая время для вмешательства BMS. При оценке прокладок-заполнителей зазоров инженеры должны запрашивать данные об объёмном удельном сопротивлении, твёрдости после отверждения, остаточной деформации при сжатии на проектной высоте стека, а также сведения о газовыделении по ASTM E-595, если батарейный блок будет эксплуатироваться в вакуумных средах или при пониженном давлении.

Огнестойкие силиконовые компаунды для высоковольтной кабельной разводки и шинопроводов

Высоковольтные кабельные линии внутри аккумуляторного блока подвергаются двойной опасности: постоянным рабочим температурам до 180 °C вблизи инверторов электродвигателя и возможности прямого воздействия пламени при термическом разгоне. Силиконовые кабельные компаунды, обычно марок HCR или LSR с наполнением ATH или гидроксидом магния, обеспечивают сочетание гибкости, электрической прочности и самозатухающего поведения, которого невозможно добиться от PVC, TPE или сшитого полиэтилена при том же температурном классе.

Эти компаунды сертифицируются по стандартам распространения пламени IEC 60332 и по специализированным протоколам OEM, моделирующим локальное событие вентиляции ячейки с находящимися рядом кабельными жгутами. Изоляция должна сохранять целостность достаточно долго, чтобы пассажиры могли покинуть транспортное средство, а спасательные службы — оценить состояние батарейного блока. Закупочным командам также следует проверять показатели низкого дымовыделения и низкой токсичности, сертификат отсутствия галогенов при необходимости, а также совместимость с материалом проводника, поскольку некоторые огнезащитные наполнители могут со временем реагировать с чистой медью или алюминием. Квалифицированный производитель силикона для защиты от термического разгона предоставит испытательные пластины, данные по старению и рекомендации по экструзии, согласованные с процессом волочения проволоки заказчика.

Самая надёжная защита от распространения термического разгона — это никогда не один отдельный материал. Это многоуровневая система, в которой керамизирующийся силикон герметизирует границы модулей, прокладки-заполнители зазоров регулируют тепловой поток между ячейками, термобарьерные покрытия защищают корпуса ячеек, а огнестойкие кабельные компаунды сохраняют целостность цепей при воздействии пламени. Каждый слой должен быть квалифицирован независимо, а затем повторно квалифицирован как часть интегрированного батарейного блока.

Чтобы запросить технические описания, образцы или инженерную поддержку по любому из материалов, рассмотренных выше, пожалуйста, свяжитесь с нами, указав архитектуру батарейного блока, класс напряжения и целевой формат ячеек.

См. также: Преимущества жидкой силиконовой резины в производстве · Как выбрать подходящий силиконовый каучук для вашего применения