Modul de management termic al vehiculului pur electric: răcire prin imersie baterie

În noua aplicație a electrificării automobilelor, este foarte importantă răcirea și încălzirea componentelor electrice pentru a le menține la temperatura optimă de lucru, deoarece aceasta poate garanta durata de viață și eficiența componentelor electrice. Prin urmare, un sistem adecvat de management termic este esențial. Cu alte cuvinte, este necesară proiectarea unui sistem de management termic adecvat pentru componentele electrice utilizate.
Dacă temperatura de funcționare a bateriei este prea mare, poate duce la pierderea capacității bateriei și, în cazuri extreme, poate duce la evadarea termică. Dacă temperatura de funcționare a bateriei este prea scăzută, aceasta poate duce la o eficiență mai scăzută a bateriei, o rezistență mai mare, o capacitate mai mică a bateriei și formarea de dendrite de litiu (stratul de placare cu litiu). Placarea cu litiu va duce la îmbătrânirea accelerată și la defecțiunea miezului bateriei.
Scopul managementului termic este de a se asigura că sistemul este la temperatura optimă de funcționare și sigură. Mai complex este faptul că temperatura optimă a sistemului de baterii se poate modifica odată cu schimbarea modului de funcționare. Temperatura optimă pentru încărcare rapidă poate fi diferită de cea pentru conducere sau parcare (parcare).
În prezent, sistemele de management termic al bateriei utilizate includ în principal răcirea cu gaz, răcirea indirectă cu lichid, răcirea directă cu lichid (cunoscută și sub denumirea de răcire prin imersie) și materiale cu schimbare de fază. [1]

Descrierea diferitelor sisteme de răcire
Sistemele de răcire cu aer sunt cele mai utilizate pe scară largă datorită designului lor simplu, costurilor reduse și fără scurgeri. Răcirea cu aer este împărțită în tip activ cu convecție forțată și tip pasiv cu convecție naturală. În comparație cu lichidul și alte medii, aerul are o capacitate termică mică (Cp{0}},006 kJ/kgK la temperatură standard) și o conductivitate termică scăzută, astfel încât răcirea cu aer este puțin probabil să devină tehnologia preferată pentru următoarea generație de vehicule electrice cu baterii mai mari și viteză de încărcare mai mare. [1]
Răcirea cu lichid poate fi împărțită în moduri indirecte și directe. În comparație cu aerul, lichidul de răcire are o capacitate termică mai mare și o conductivitate termică mai mare. Datorită controlului echilibrat al temperaturii, răcirea indirectă cu lichid este în prezent una dintre cele mai frecvent utilizate soluții în managementul termic al bateriei. Cel mai des folosit lichid de răcire este un amestec de apă și glicol. Principiul răcirii indirecte este de a lăsa lichidul de răcire să curgă prin canalul din partea inferioară sau laterală a modulului celulei/baterie pentru a transfera căldura din sistem.
Efectul de răcire poate fi îmbunătățit prin utilizarea unor materiale specifice de interfață termică (TIM).
În comparație cu răcirea cu aer, dezavantajul răcirii indirecte cu lichid este complexitatea sistemului. Mai multe componente și canale/conducte pot cauza mai multe defecțiuni, greutate suplimentară și probleme de scurgere.
O altă tehnologie de răcire emergentă este răcirea directă cu lichid, cunoscută și sub numele de răcire prin imersie, care scufundă complet bateria în lichidul dielectric. Acesta este un lichid neconductor cu rezistență ridicată la defecțiunea electrică. Introducerea acestei tehnologii înseamnă că complexitatea procesului bateriei și a designului componentelor poate fi mult redusă și, de asemenea, ajută la reducerea greutății și volumului sistemului, îmbunătățind semnificativ stabilitatea și echilibrul controlului temperaturii bateriei. Răcirea prin imersie poate încălzi sau răci bateria după cum este necesar, fără a utiliza schimbătorul de căldură, ceea ce aduce o îmbunătățire semnificativă a eficienței. Răcirea prin imersie a bateriilor de vehicule electrice este încă la început, dar au existat unele cazuri de utilizare, cum ar fi sistemul patentat de bază a bateriei cu imersiune completă al Faraday Future [2], tehnologia de răcire prin imersie a mașinii de raliu Dakar Audi RS Q e -tron [3], sau IMMERSIO creat de Panasonic și foștii angajați ai Tesla ™ System [4].

Sistem de răcire prin imersie pentru Raliul Dakar la Audi RS Q e-tron
Lichidul dielectric utilizat în mod obișnuit în răcirea prin imersie este ignifug, care poate inhiba evenimentul de evaporare termică. În prezent, pe piață există mai multe grupuri de medii de răcire - hidrofluoreter, ulei de hidrocarburi, ulei de silicon și hidrocarbură fluorură. Oamenii acordă din ce în ce mai multă atenție lichidelor dielectrice biodegradabile.
Caracteristicile lichidului de răcire joacă un rol important în managementul termic și ar trebui să îndeplinească următoarele cerințe:
-Izolatie electrica buna
-Capacitate termică specifică mare și conductivitate termică ridicată
- Neinflamabil și/sau punct de aprindere ridicat
-Usor de produs si poate fi furnizat in cantitati mari
-Există un interval adecvat de temperatură de funcționare
- Perioada mare de valabilitate a lichidului
Pe lângă cerințele de mai sus, compatibilitatea materialului, densitatea scăzută, vâscozitatea scăzută și protecția mediului trebuie de asemenea luate în considerare atunci când se selectează lichidul de răcire de imersie adecvat.

Descrierea diferitelor lichide de răcire
Hidrofluoreteri - Hidrofluoreterii din aplicațiile electronice de putere au primit o mare atenție în domeniul răcirii prin imersie a vehiculelor electrice pur. Literatura de specialitate arată că eficiența sa de răcire este semnificativ îmbunătățită în comparație cu sistemul de răcire cu aer. Datorită neinflamabilității hidrofluoreterului și aproape fără punct de aprindere, siguranța sistemului a fost de asemenea îmbunătățită. Performanța acestui sistem de răcire cu imersie în hidrofluoroeter pe întreg ciclul de viață rămâne de studiat. În plus, densitatea HFE este cu aproximativ 40 la sută mai mare decât cea a sistemului apă-glicol, ceea ce are un impact negativ asupra greutății și autonomiei vehiculelor pur electrice. În plus, costul materialului și protecția mediului sunt, de asemenea, factori importanți care împiedică utilizarea hidrofluoreterului în sistemul de management termic al vehiculelor electrice.
Hidrocarburi - inclusiv ulei mineral, polimer - Olefină (PAO) și ulei de hidrocarburi sintetice. Hidrocarburile sunt produse de distilare a petrolului, ceea ce le face cu costuri reduse și cu toxicitate scăzută și potrivite pentru răcirea prin imersie în intervalul corespunzător de temperatură de funcționare. Dezavantajul acestor lichide este că pot fi inflamabile și au un punct de aprindere.

Esteri - Datorită costului scăzut, punctului de aprindere ridicat, proprietăților dielectrice bune și biodegradabilității, au fost utilizați pe scară largă în diverse industrii. Esterii sunt împărțiți în sintetici și naturali. Esterul sintetic este produsul reacției chimice dintre poliol și acidul carboxilic, în timp ce esterul natural este produsul uleiului vegetal. Cele două surse corespund, de asemenea, unor atribute diferite. Esterul sintetic are o bună stabilitate la oxidare, ceea ce are un impact pozitiv asupra prelungirii perioadei de întreținere a vehiculului; Cu toate acestea, în comparație cu esterul natural, punctul său de aprindere este de obicei mai scăzut. Dezavantajul sistemului pe bază de ester este că vâscozitatea crește odată cu îmbătrânirea materialului, iar apoi capacitatea sa de răcire scade.
Principalul avantaj al uleiului de silicon - uleiul de silicon este că are o rezistență bună la temperatură și proprietăți dielectrice la temperaturi ridicate și scăzute.
Apă/glicol - amestec de apă și glicol. În comparație cu alte sisteme, apa/glicolul are o conductivitate și o conductivitate termică relativ ridicate și prezintă avantaje de cost. Cu toate acestea, conductivitatea amestecului de glicol de tip apă limitează utilizarea acestuia numai pentru răcirea indirectă cu lichid. În procesul de utilizare, măsurile de etanșare ale sistemului de răcire indirectă cu lichid sunt foarte importante, deoarece acest lucru poate împiedica scurgerea amestecului la baterie sau cablare și apoi poate preveni scurtcircuitul și pierderea finală a controlului termic. [5]

Pe scurt, există multe soluții pentru managementul termic; La Detweeler, credem că sistemul de management termic al vehiculelor pur electrice poate fi îmbunătățit prin utilizarea corectă a materialelor și compozitelor. Odată cu dezvoltarea constantă a industriei de călătorii mobile în direcția electrificării, accentul este acum de a sprijini producătorii de lichide de răcire, furnizorii de la toate nivelurile și OEM-urile pentru a-și moderniza sistemele de management termic; În acest sens, expertiza materială a Detweller a fost aplicată la un nivel înalt. Compatibilitatea chimică este cheia metodei de răcire prin imersie directă, deoarece lichidul de răcire diferit poate duce la soluții de etanșare diferite.
Atunci când se selectează cea mai bună soluție de etanșare pentru fiecare sistem de răcire prin imersie, trebuie efectuate teste. În ceea ce privește industria vehiculelor electrice, perfluoropolieterul (PFPE) pare să fie în fruntea aplicării lichidului de răcire datorită caracteristicilor lor neinflamabile și de vâscozitate scăzută. Oricum, indiferent de ce fel de lichid de răcire este utilizat pe vehiculele electrice, este necesar să se asigure compatibilitatea cu soluțiile de etanșare pentru a evita coroziunea/degradarea etanșărilor în timp în acest mediu dur și pentru a preveni problemele rezultate. [1]
Siguranța este critică

Cea mai importantă problemă de siguranță a sistemului de baterii este prevenirea incendiului și a evadării termice. Deoarece sistemul de baterii cu răcire prin imersie este imersat direct în lichidul de răcire, întreaga zonă trebuie etanșată cu componente speciale din elastomer de etanșare, iar selecția elastomerului trebuie să fie corectă. Este mai bine să aveți un anumit nivel de rezistență chimică și rezistență la intemperii pe parcursul ciclului de viață al vehiculului.
La Detwelle, efectuăm experimente și analize precise asupra diferitelor tipuri de lichid de răcire în contact cu diferite materiale; Prin aceste teste, putem determina ce tipuri de polimeri sau elastomeri sunt cele mai potrivite pentru etanșarea acestor lichide.
Chiar și în etapa de analiză a simulării, un parametru important care trebuie controlat este îmbătrânirea termică. Materialul este testat la temperaturi ridicate (până la 100 de grade C) pentru o perioadă lungă de timp (până la 1000 de ore). Conform primului grup de teste pentru PFPE, ulei de silicon și ulei de semințe, formula bazată pe IC-DAT10 și IC-DAT30 a DETWELLER funcționează bine în majoritatea lichidelor de răcire și ar trebui, în general, să fie utilizată ca alegere a materialelor de etanșare. Fiecare cod IC-DAT reprezintă diferite serii de elastomeri, astfel încât acest studiu compară performanța diferitelor serii de polimeri în lichidul selectat.
Conform acestui proces strict de testare, au fost comparate proprietățile fizice ale materialului înainte și după scufundarea în aceste lichide. Modificarea volumului prezentată în figura de mai jos este utilizată ca indicator al stabilității chimice în timp după imersarea în lichid de răcire. În plus, am verificat și am înțeles și stabilitatea termică, modificările proprietăților la tracțiune, setarea compresiei și scurgerile.

Rezultatele stabilității chimice ale formulei standard de cauciuc imersate în diferite tipuri de lichid de răcire (ulei de semințe, ulei de silicon și diverse PFPE) pentru sistemul de răcire prin imersie
În al doilea grup de teste prezentate în Figura 2, ne concentrăm pe bază biologică fără halogen, netoxică și pe lichidul de răcire biodegradabil. Toți agenții de răcire măsurați sunt împărțiți în două categorii cu potențial de încălzire globală (GWP) de 0 și<1. In addition, this study also includes so-called mixed liquids, which not only provide cooling effect, but also provide lubrication effect for the propulsion system.
Modificarea volumului formulei standard de cauciuc după imersarea în aceste lichide arată că majoritatea formulelor de cauciuc testate au modificări evidente. Se poate observa că dintre toate materialele testate, doar formula cu codul IC-DAT41 este formula candidată potrivită.

Rezultatele stabilității chimice ale formulei standard de cauciuc imersate într-un anumit tip de lichid de răcire pe bază de bio pentru sistemul de răcire prin imersie
Se speculează că polaritatea materialului de etanșare va afecta stabilitatea chimică a elementului de etanșare. În plus față de IC-DAT41, Detweller studiază și alte materiale candidate potrivite pentru utilizare ca lichide de răcire de imersie pe bază de bio. Detweller folosește diferite formulări brevetate pentru testare și, în cele din urmă, selectează care formulare este cel mai bun material de etanșare pentru lichidul de răcire specific testat.