Nordmann e Kuraray sono pronti per il futuro

Una delle principali sfide che l'industria automobilistica deve affrontare oggi è come aumentare l'autonomia dei veicoli elettrici. La ricerca di una maggiore efficienza ha anche creato una tendenza verso sistemi di batterie che utilizzano una tensione più elevata. Mentre le auto elettriche di un tempo erano dotate di batterie da 300-400 VDC, ad esempio, i modelli moderni come la Porsche Taycan sono in grado di sfruttare una tensione di 800V. Gli aggregati in grado di resistere a tali tensioni richiedono materiali isolanti ad alte prestazioni che siano anche molto leggeri.

I materiali GENESTAR™ consentono di ottenere entrambe le cose quando vengono utilizzati nei componenti delle batterie. Vengono utilizzati come alternative metalliche a basso peso e, grazie alla loro elevata resistenza al tracciamento, sono anche materiali isolanti ad alte prestazioni. Kuraray ha messo alla prova i suoi materiali GENESTAR™ PA9T sul proprio banco di prova per valutarne i limiti. I risultati? I risultati mostrano che i prodotti GENESTAR™ superano l'attuale limite di tensione massima di 600V. Anche a 750 V, tre tipi comuni di GENESTAR™ non hanno mostrato alcun guasto elettrico.

Indice di inseguimento comparativo

Il breakdown elettrico, noto anche come tracking, è la formazione di un percorso conduttivo attraverso la superficie di un materiale isolante. Nella maggior parte dei casi, ciò avviene a causa di una rottura del materiale stesso. Per motivi di comparazione e progettazione, la resistenza di un materiale al tracking è espressa dal suo Indice Comparativo di Tracking (CTI), che è la tensione più alta alla quale un materiale può resistere a 50 gocce di una soluzione corrosiva di sale di ammoniaca senza subire tracking. I materiali con un CTI elevato dimostrano una migliore resistenza alla tracciatura e consentono di progettare i componenti con una distanza di creepage (vedi Figura 1) tra i conduttori inferiore a quella specificata negli standard IEC 60664-1.

Per migliorare la ripetibilità e gli standard di confronto, sono state introdotte diverse categorie di livelli di prestazione (PLC) (vedere Tabella 1). I materiali di classe più alta erano classificati come 0, il che indicava che non si verificava alcun tracciamento nemmeno a 600 V. Oggi sempre più materiali plastici sono classificati come PLC 0, sia per le loro proprietà naturali (come nel caso delle poliftalamidi, o PPA) sia per l'uso di additivi che aumentano la resistenza al tracking di alcuni tipi di PPS e PBT.

Con l'evoluzione verso tensioni sempre più elevate e parti di veicoli sempre più piccole, pensare oltre le attuali classi di PLC potrebbe rappresentare la prossima opportunità per migliorare i veicoli elettrici. Quanto si può estendere la tabella dei PLC oltre i 600 V, ad esempio? Qual è il limite reale?

Per curiosità scientifica, il dipartimento di ricerca e sviluppo di Kuraray ha iniziato ad approfondire questa domanda con una serie di test, alla ricerca dei limiti della sua famiglia di prodotti GENESTAR™ PA9T. Le resine GENESTAR™ PA9T sono PPA a catena lunga caratterizzati da un basso assorbimento d'acqua. La maggior parte dei gradi, da quelli non rinforzati a quelli V0 privi di alogeni con il 30% di rinforzo in fibra di vetro, ha un CTI superiore a 600 V o alla Classe PLC 0.

Risultati del test

In un primo tentativo di valutare i limiti delle resine GENESTAR™ PA9T, sono state effettuate misurazioni CTI secondo lo standard IEC 60112. La tensione è stata portata a 625 V e si è scoperto che l'apparente limite di 600 V delle classi PLC di corrente era molto probabilmente un risultato dell'impostazione della prova, poiché in alcuni casi si è verificato un tracciamento attraverso l'aria (Figura 2, sopra). Si è ipotizzato che questo guasto fosse stato causato dal bordo dell'elettrodo, poiché gli studi dimostrano che la presenza di tale bordo provoca un'intensità di campo maggiore rispetto a una superficie piatta. Per aggirare questo problema, gli elettrodi sono stati ruotati di 180°. In questo modo si è creata una distanza maggiore tra gli elettrodi e il bordo dell'elettrodo opposto, mantenendo invariata la distanza di separazione (Figura 2, in basso).

Dopo aver effettuato questa piccola regolazione, è stato possibile aumentare la tensione a 750 V senza compromettere la capacità di inseguimento. Ciò è stato confermato da una misura di controllo con un materiale con un CTI di 550V.

Cinque diversi materiali GENESTAR™ sono stati poi misurati con questa configurazione (vedi Tabella 2) con tensioni di prova fino a 750V. Solo per due di essi, uno standard non rinforzato (N1000A-M41) e uno standard al 30% di GF (G1300A-M41), è stato osservato un tracking rispettivamente a 675V e 725V. Per le altre tre varietà, non è stata evidenziata alcuna tracciatura nemmeno a 750V.

Va notato che i riempitivi inorganici, come le fibre di vetro, hanno dimostrato di avere un effetto positivo nei test, in quanto tutti i gradi rinforzati con GF dei materiali GENESTAR™ hanno dimostrato una maggiore resistenza alla tracciatura o di fatto non hanno causato alcuna scarica a 750V. Per i tipi non rinforzati, il tracciamento osservato a 675 V è ancora ben al di sopra della corrente massima. Grazie alla loro maggiore duttilità, si può ipotizzare anche un'eccellente resistenza alle cricche da shock termico. Per questo motivo, i tipi GENESTAR™ rappresentano la scelta ideale, ad esempio, per le parti metalliche sovrastampate.

Sebbene la configurazione sperimentale non andasse oltre i 750 V, questi risultati dimostrano che c'è un ampio margine di manovra oltre i 600 V, poiché non è stato osservato alcun inseguimento per i comuni prodotti GENESTAR™ anche a 150 V oltre il limite.