Режим на термично управление на чисто електрическо превозно средство: охлаждане чрез потапяне на батерията

При новото приложение на автомобилната електрификация е много важно електрическите компоненти да се охлаждат и загряват, за да се поддържат при оптимална работна температура, защото това може да гарантира експлоатационния живот и ефективността на електрическите компоненти. Следователно, подходящата система за управление на топлината е от съществено значение. С други думи, необходимо е да се проектира подходяща система за управление на топлината за използваните електрически компоненти.
Ако работната температура на батерията е твърде висока, това може да доведе до загуба на капацитет на батерията, а в екстремни случаи може да доведе до термично изтичане. Ако работната температура на батерията е твърде ниска, това може да доведе до по-ниска ефективност на батерията, по-високо съпротивление, по-нисък капацитет на батерията и образуване на литиев дендрит (литиево покритие). Литиевото покритие ще доведе до ускорено стареене и повреда на ядрото на батерията.
Целта на термичното управление е да се гарантира, че системата е на оптимална работна и безопасна температура. По-сложното е, че оптималната температура на акумулаторната система може да се промени с промяната на режима на работа. Оптималната температура за бързо зареждане може да е различна от тази за шофиране или паркиране (паркиране).
Понастоящем използваните системи за термично управление на батерията включват основно газово охлаждане, индиректно течно охлаждане, директно течно охлаждане (известно още като охлаждане чрез потапяне) и материали за промяна на фазата. [1]

Описание на различни охладителни системи
Системите за въздушно охлаждане са най-широко използвани поради техния прост дизайн, ниска цена и липса на течове. Въздушното охлаждане се разделя на активен тип с принудителна конвекция и пасивен тип с естествена конвекция. В сравнение с течността и другите среди въздухът има малък топлинен капацитет (Cp=1.006 kJ/kgK при стандартна температура) и ниска топлопроводимост, така че е малко вероятно въздушното охлаждане да се превърне в предпочитана технология за следващото поколение електрически превозни средства с по-големи пакети батерии и по-бърза скорост на зареждане. [1]
Течното охлаждане може да бъде разделено на непряк и директен режим. В сравнение с въздуха охлаждащата течност има по-голям топлинен капацитет и по-висока топлопроводимост. Благодарение на балансирания контрол на температурата, индиректното течно охлаждане в момента е едно от най-често използваните решения в управлението на топлината на батерията. Най-често използваната охлаждаща течност е смес от вода и гликол. Принципът на непрякото охлаждане е охлаждащата течност да тече през канала в долната или страничната част на клетката/батерийния модул, за да пренесе топлината от системата.
Охлаждащият ефект може да се подобри чрез използване на специфични термоинтерфейсни материали (TIM).
В сравнение с въздушното охлаждане, недостатъкът на индиректното течно охлаждане е сложността на системата. Повече компоненти и канали/тръбопроводи могат да причинят повече повреди, допълнително тегло и проблеми с течовете.
Друга нововъзникваща технология за охлаждане е директното течно охлаждане, известно също като охлаждане с потапяне, което напълно потапя батерията в диелектричната течност. Това е непроводима течност с висока устойчивост на електрически пробив. Въвеждането на тази технология означава, че сложността на процеса на батерията и дизайна на компонентите може да бъде значително намалена, а също така помага за намаляване на теглото и обема на системата, значително подобрявайки стабилността и баланса на контрола на температурата на батерията. Охлаждането чрез потапяне може да загрее или охлади батерията според нуждите без използване на топлообменник, което води до значително подобрение на ефективността. Охлаждането чрез потапяне на батериите на електрически превозни средства все още е в начален стадий, но има някои случаи на употреба, като например патентованата система за ядро ​​на батерията с пълно потапяне на Faraday Future [2], технологията за охлаждане с потапяне на рали автомобила Дакар Audi RS Q e -tron [3] или системата IMMERSIO, създадена от бивши служители на Panasonic и Tesla ™ System [4].

Потопяема охладителна система за рали Дакар в Audi RS Q e-tron
Диелектричната течност, която обикновено се използва при охлаждане чрез потапяне, е забавяща пламъка, което може да попречи на термичното изпускане. В момента на пазара има няколко групи охлаждащи среди - хидрофлуороетер, въглеводородно масло, силиконово масло и флуориран въглеводород. Хората обръщат все повече внимание на биоразградимите диелектрични течности.
Характеристиките на охлаждащата течност играят важна роля в управлението на топлината и трябва да отговарят на следните изисквания:
- Добра електрическа изолация
-Висок специфичен топлинен капацитет и висока топлопроводимост
-Незапалим и/или с висока точка на запалване
-Лесен за производство и може да се доставя в големи количества
-Има подходящ работен температурен диапазон
- Дълъг срок на годност на течността
В допълнение към горните изисквания, съвместимостта на материалите, ниската плътност, ниският вискозитет и защитата на околната среда също трябва да се вземат предвид при избора на подходяща охлаждаща течност за потапяне.

Описание на различни охлаждащи течности
Хидрофлуороетери - Хидрофлуороетерите от приложенията на силовата електроника получиха голямо внимание в областта на охлаждането чрез потапяне на чисто електрически превозни средства. Литературата показва, че неговата ефективност на охлаждане е значително подобрена в сравнение със системата за въздушно охлаждане. Благодарение на незапалимостта на хидрофлуороетера и почти липсата на точка на възпламеняване, безопасността на системата също е подобрена. Ефективността на тази система за потапяне в хидрофлуороетер през целия жизнен цикъл остава да бъде проучена. В допълнение, плътността на HFE е с около 40 процента по-висока от тази на системата вода-гликол, което има отрицателно въздействие върху теглото и пробега на чисто електрическите превозни средства. В допълнение, разходите за материали и опазването на околната среда също са важни фактори, които възпрепятстват използването на хидрофлуороетер в системата за управление на топлината на електрически превозни средства.
Въглеводороди - включително минерално масло, полимер - олефин (PAO) и синтетично въглеводородно масло. Въглеводородите са дестилационни продукти на нефт, което ги прави евтини и нискотоксични и подходящи за охлаждане чрез потапяне в подходящ работен температурен диапазон. Недостатъкът на тези течности е, че могат да бъдат запалими и да имат точка на възпламеняване.

Естери - Поради ниската си цена, високата точка на запалване, добрите диелектрични свойства и биоразградимостта, те са широко използвани в различни индустрии. Естерите се делят на синтетични и естествени. Синтетичният естер е продукт на химическа реакция между полиол и карбоксилна киселина, докато естественият естер е продукт на растително масло. Двата източника отговарят и на различни атрибути. Синтетичният естер има добра окислителна стабилност, което има положителен ефект върху удължаването на периода на поддръжка на автомобила; Въпреки това, в сравнение с естествения естер, неговата точка на възпламеняване обикновено е по-ниска. Недостатъкът на системата, базирана на естер, е, че вискозитетът се увеличава със стареенето на материала и след това неговият охлаждащ капацитет намалява.
Основното предимство на силиконовото масло - силиконовото масло е, че има добра температурна устойчивост и диелектрични свойства при високи и ниски температури.
Вода/гликол - смес от вода и гликол. В сравнение с други системи, вода/гликол има относително висока проводимост и топлопроводимост и има предимства в цената. Въпреки това, проводимостта на гликоловата смес от воден тип ограничава използването й само за индиректно течно охлаждане. В процеса на използване мерките за уплътняване на системата за непряко течно охлаждане са много важни, тъй като това може да предотврати изтичането на сместа към батерията или окабеляването и след това може да предотврати късо съединение и окончателна топлинна загуба на контрол. [5]

Накратко, има много решения за управление на топлината; В Detweeler вярваме, че системата за термично управление на чисто електрически превозни средства може да бъде подобрена чрез правилното използване на материали и композити. Със стабилното развитие на индустрията за мобилни пътувания в посока на електрификация, фокусът сега е да се подпомогнат производителите на охлаждаща течност, доставчиците на всички нива и производителите на оригинално оборудване за надграждане на техните системи за управление на топлината; В тази връзка материалната експертиза на Detweller е приложена на високо ниво. Химическата съвместимост е ключът към метода на охлаждане с директно потапяне, тъй като различната охлаждаща течност може да доведе до различни решения за уплътняване.
При избора на най-доброто решение за уплътняване за всяка потопяема охладителна система трябва да се извършат тестове. Що се отнася до индустрията за електрически превозни средства, перфлуорополиетерът (PFPE) изглежда е в челните редици на приложението на охлаждащата течност поради техните незапалими характеристики и характеристики с нисък вискозитет. Въпреки това, без значение какъв вид охлаждаща течност се използва в електрическите превозни средства, е необходимо да се осигури съвместимост с решенията за уплътняване, за да се избегне корозия/разрушаване на уплътненията с течение на времето в тази сурова среда и да се предотвратят произтичащите от това проблеми. [1]
Безопасността е критична

Най-важният проблем за безопасността на акумулаторната система е да се предотврати пожар и топлинно бягство. Тъй като акумулаторната система с потапящо охлаждане е директно потопена в охлаждащата течност, цялата област трябва да бъде запечатана със специални уплътнителни еластомерни компоненти и изборът на еластомер трябва да бъде правилен. По-добре е да имате определено ниво на химическа устойчивост и устойчивост на атмосферни влияния през целия експлоатационен цикъл на превозното средство.
В Detwelle провеждаме експерименти и точни анализи на различни видове охлаждаща течност в контакт с различни материали; Чрез тези тестове можем да определим кои видове полимери или еластомери са най-подходящи за уплътняване на тези течности.
Дори в етапа на симулационен анализ важен параметър, който трябва да се контролира, е термичното стареене. Материалът е тестван при висока температура (до 100 градуса C) за дълго време (до 1000 часа). Според първата група тестове за PFPE, силиконово масло и масло от семена, формулата, базирана на IC-DAT10 и IC-DAT30 на DETWELLER, се представя добре в повечето охлаждащи течности и като цяло трябва да се използва като избор на уплътнителни материали. Всеки IC-DAT код представлява различна серия еластомер, така че това изследване сравнява производителността на различни серии полимер в избраната течност.
Съгласно този стриктен тестов процес бяха сравнени физическите свойства на материала преди и след потапяне в тези течности. Промяната на обема, показана на фигурата по-долу, се използва като индикатор за химическа стабилност във времето след потапяне в охлаждаща течност. В допълнение, ние също така проверихме и разбрахме термичната стабилност, промените в свойствата на опън, компресията и изтичането.

Резултати от химическа стабилност на стандартна каучукова формула, потопена в различни видове охлаждаща течност (масло от семена, силиконово масло и различни PFPE) за потапяща охладителна система
Във втората група тестове, показани на Фигура 2, ние се фокусираме върху безхалогенна, нетоксична биологична основа и биоразградима охлаждаща течност. Всички измерени охлаждащи течности са разделени на две категории с потенциал за глобално затопляне (GWP) от 0 и<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.
Промяната на обема на стандартната каучукова формула след потапяне в тези течности показва, че повечето от тестваните каучукови формули имат очевидни промени. Може да се види, че сред всички тествани материали само формулата с код IC-DAT41 е подходящата кандидат формула.

Резултати от химическа стабилност на стандартна каучукова формула, потопена в специфичен тип охлаждаща течност на биологична основа за потапяща охладителна система
Спекулира се, че полярността на уплътнителния материал ще повлияе на химическата стабилност на уплътнителния елемент. В допълнение към IC-DAT41, Detweller изучава други кандидат-материали, подходящи за използване като охлаждащи течности на биологична основа. Detweller използва различни собствени формули за тестване и накрая избира коя формула е най-добрият уплътнителен материал за конкретната тествана охлаждаща течност.