Nordmann et Kuraray sont prêts pour l'avenir

L'un des principaux défis auxquels est confrontée l'industrie automobile aujourd'hui est d'augmenter l'autonomie des véhicules électriques. La recherche d'une plus grande efficacité a également créé une tendance vers des systèmes de batteries utilisant une tension plus élevée. Alors que les premières voitures électriques étaient équipées de batteries de 300 à 400 VDC, par exemple, les modèles modernes tels que la Porsche Taycan sont capables de tirer parti d'une tension de 800 V. Les agrégats capables de supporter de telles tensions peuvent être utilisés pour la fabrication de véhicules électriques. Les agrégats capables de supporter de telles tensions nécessitent des matériaux d'isolation très performants et très légers.

Les matériaux GENESTAR™ permettent les deux lorsqu'ils sont utilisés dans les composants des batteries. Ils sont utilisés comme alternatives métalliques permettant de réduire le poids et, grâce à leur résistance au cheminement élevée, sont également des matériaux d'isolation haute performance - et Kuraray a mis ses matériaux GENESTAR™ PA9T à l'épreuve sur son propre banc d'essai afin d'en évaluer les limites. Les résultats ? Les résultats montrent que les produits GENESTAR™ dépassent la limite de tension maximale actuelle de 600V. Même à 750V, trois grades courants de GENESTAR™ n'ont montré aucune rupture électrique.

Indice de suivi comparatif

Le claquage électrique, également connu sous le nom de tracking, est la formation d'un chemin conducteur à travers la surface d'un matériau isolant. Dans la plupart des cas, ce phénomène résulte d'un claquage du matériau lui-même. Pour des raisons de comparaison et de conception, la résistance d'un matériau au cheminement est exprimée par son indice de cheminement comparatif (CTI), qui est la tension la plus élevée à laquelle un matériau peut résister à 50 gouttes d'une solution corrosive de sel d'ammoniaque sans cheminement. Les matériaux ayant un CTI élevé présentent une meilleure résistance au cheminement et permettent de concevoir des pièces avec une ligne de fuite (voir figure 1) entre les conducteurs plus petite que celle spécifiée dans les normes IEC 60664-1.

Pour améliorer la répétabilité et les normes de comparaison, diverses catégories de niveau de performance (PLC) ont été introduites (voir tableau 1). Les matériaux de la classe la plus élevée étaient classés 0, ce qui indiquait qu'il n'y avait pas de suivi même à 600V. Aujourd'hui, de plus en plus de matériaux plastiques sont classés PLC 0, soit en raison de leurs propriétés naturelles (comme les polyphtalamides, ou PPA), soit grâce à l'utilisation d'additifs qui augmentent la résistance au cheminement de certains types de PPS et de PBT.

Les tendances évoluant vers des tensions toujours plus élevées et des pièces de véhicules toujours plus petites, la réflexion au-delà des classes PLC actuelles pourrait représenter la prochaine opportunité d'améliorer les véhicules électriques. Jusqu'où peut-on étendre la table PLC au-delà de 600 V, par exemple ? Quelle est la véritable limite ?

Par curiosité scientifique, le département de recherche et développement de Kuraray a commencé à plonger plus profondément dans cette question avec une série de tests, à la recherche des limites de sa famille de produits GENESTAR™ PA9T. Les résines GENESTAR™ PA9T sont des PPA à longue chaîne caractérisés par une faible absorption d'eau. La plupart des grades - allant des types non renforcés aux types V0 sans halogène avec 30 % de fibres de verre de renfort - ont un ITC supérieur à 600 V ou à la classe PLC 0.

Résultats des tests

Dans une première tentative d'évaluation des limites des résines GENESTAR™ PA9T, des mesures CTI ont été effectuées conformément à la norme IEC 60112. La tension a été augmentée jusqu'à 625 V, et il s'est avéré que la limite apparente de 600 V des classes PLC actuelles résultait très probablement de la configuration de l'essai, puisque le suivi s'est produit à travers l'air dans certains cas (figure 2, ci-dessus). On a supposé que cette rupture avait été causée par le bord de l'électrode, car les études montrent que la présence d'un tel bord provoque une intensité de champ plus élevée que celle d'une surface plane. Pour contourner ce problème, les électrodes ont été tournées de 180°. Cela a permis de créer une plus grande distance entre les électrodes et le bord opposé de l'électrode, tout en conservant la même distance de dégagement (figure 2, en bas).

Après ce petit ajustement, la tension a pu être augmentée jusqu'à 750V sans affecter la capacité de suivi. Ceci a été confirmé par une mesure de contrôle utilisant un matériau avec un CTI de 550V.

Cinq matériaux GENESTAR™ différents ont ensuite été mesurés à l'aide de cette configuration (voir tableau 2) avec des tensions d'essai allant jusqu'à 750 V. Pour deux d'entre eux seulement, un matériau standard non renforcé (N1000A-M41) et un matériau standard à 30 % de GF (G1300A-M41), un suivi a été observé à 675 V et 725 V respectivement. Pour les trois autres variétés, aucune trace n'a été observée, même à 750 V.

Il convient de noter que les charges inorganiques telles que les fibres de verre ont eu un effet positif lors des essais, car toutes les qualités de matériaux GENESTAR™ renforcées par des GF ont montré une plus grande résistance au cheminement ou n'ont en fait pas provoqué de décharge du tout à 750V. Pour les types non renforcés, la résistance au cheminement observée à 675 V est encore bien supérieure à la valeur maximale du courant. En raison de leur ductilité plus élevée, on peut également supposer une excellente résistance à la fissuration due aux chocs thermiques. Pour cette raison, les types GENESTAR™ représentent un choix idéal pour les pièces métalliques surmoulées, par exemple.

Bien que le dispositif expérimental ne soit pas allé au-delà de 750 V, ces résultats démontrent qu'il existe une grande marge de manœuvre au-delà de 600 V, car aucun suivi n'a été observé pour les produits GENESTAR™ courants, même à 150 V au-dessus de la limite.