Način toplotnega upravljanja popolnoma električnega vozila: hlajenje s potopom baterije

Pri novi uporabi avtomobilske elektrifikacije je zelo pomembno, da se električne komponente ohladijo in segrejejo, da se ohranijo na optimalni delovni temperaturi, saj lahko to zagotovi življenjsko dobo in učinkovitost električnih komponent. Zato je nujen ustrezen sistem toplotnega upravljanja. Z drugimi besedami, potrebno je oblikovati ustrezen sistem toplotnega upravljanja za uporabljene električne komponente.
Če je delovna temperatura akumulatorja previsoka, lahko pride do izgube kapacitete akumulatorja, v skrajnih primerih pa tudi do toplotnega uhajanja. Če je delovna temperatura baterije prenizka, lahko povzroči manjšo učinkovitost baterije, večjo upornost, manjšo kapaciteto baterije in nastanek litijevega dendrita (plast litijeve prevleke). Prevleka z litijem bo povzročila pospešeno staranje in odpoved jedra baterije.
Cilj toplotnega upravljanja je zagotoviti, da je sistem na optimalni delovni in varni temperaturi. Bolj zapleteno je, da se optimalna temperatura akumulatorskega sistema lahko spremeni s spremembo načina delovanja. Optimalna temperatura za hitro polnjenje se lahko razlikuje od temperature za vožnjo ali parkiranje (parkiranje).
Trenutno uporabljeni sistemi za toplotno upravljanje baterije vključujejo predvsem plinsko hlajenje, posredno tekočinsko hlajenje, neposredno tekočinsko hlajenje (znano tudi kot potopno hlajenje) in materiale za spreminjanje faz. [1]

Opis različnih hladilnih sistemov
Sistemi zračnega hlajenja se najpogosteje uporabljajo zaradi svoje preproste zasnove, nizkih stroškov in brez puščanja. Zračno hlajenje delimo na aktivno s prisilno konvekcijo in na pasivno z naravno konvekcijo. V primerjavi s tekočino in drugimi mediji ima zrak majhno toplotno zmogljivost (Cp=1.006 kJ/kgK pri standardni temperaturi) in nizko toplotno prevodnost, zato je malo verjetno, da bo zračno hlajenje postalo prednostna tehnologija za naslednjo generacijo električnih vozil z večjimi paketi baterij in hitrejšo hitrostjo polnjenja. [1]
Tekočinsko hlajenje lahko razdelimo na indirektni in neposredni način. V primerjavi z zrakom ima hladilna tekočina večjo toplotno zmogljivost in večjo toplotno prevodnost. Zaradi uravnoteženega nadzora temperature je posredno tekočinsko hlajenje trenutno ena najpogosteje uporabljenih rešitev pri toplotnem upravljanju baterij. Najpogosteje uporabljena hladilna tekočina je mešanica vode in glikola. Načelo posrednega hlajenja je, da hladilno sredstvo teče skozi kanal na dnu ali ob strani modula celica/baterija za prenos toplote iz sistema.
Učinek hlajenja je mogoče izboljšati z uporabo posebnih toplotnih vmesnikov (TIM).
V primerjavi z zračnim hlajenjem je slabost posrednega tekočinskega hlajenja kompleksnost sistema. Več komponent in kanalov/cevovodov lahko povzroči več okvar, dodatno težo in težave s puščanjem.
Druga nova tehnologija hlajenja je neposredno tekočinsko hlajenje, znano tudi kot potopno hlajenje, ki popolnoma potopi baterijo v dielektrično tekočino. To je neprevodna tekočina z visoko odpornostjo na električni preboj. Uvedba te tehnologije pomeni, da se lahko kompleksnost baterijskega procesa in zasnove komponent močno zmanjša, poleg tega pa pomaga zmanjšati težo in prostornino sistema, kar bistveno izboljša stabilnost in uravnoteženost nadzora temperature baterije. Potopno hlajenje lahko po potrebi ogreje ali ohladi baterijo brez uporabe toplotnega izmenjevalnika, kar znatno izboljša učinkovitost. Potopno hlajenje akumulatorjev električnih vozil je še v povojih, vendar je bilo nekaj primerov uporabe, kot je patentiran sistem jedra baterije s polno potopom podjetja Faraday Future [2], tehnologija potopnega hlajenja avtomobila za reli Dakar Audi RS Q e -tron [3] ali sistem IMMERSIO, ki so ga ustvarili bivši zaposleni pri Panasonicu in Tesli ™ System [4].

Potopni hladilni sistem za reli Dakar v Audiju RS Q e-tron
Dielektrična tekočina, ki se običajno uporablja pri potopnem hlajenju, je negorljiva, kar lahko zavira dogodek toplotnega uhajanja. Trenutno je na trgu na voljo več skupin hladilnih medijev - hidrofluoroeter, ogljikovodikovo olje, silikonsko olje in fluorirani ogljikovodik. Ljudje vse več pozornosti namenjajo biorazgradljivim dielektrikom.
Lastnosti hladilne tekočine igrajo pomembno vlogo pri upravljanju toplote in morajo izpolnjevati naslednje zahteve:
- Dobra električna izolacija
-Visoka specifična toplotna kapaciteta in visoka toplotna prevodnost
-Nevnetljivo in/ali visoko plamenišče
-Enostaven za proizvodnjo in se lahko dobavi v velikih količinah
- Obstaja primerno delovno temperaturno območje
-Dolg rok trajanja tekočine
Poleg zgornjih zahtev je treba pri izbiri ustrezne potopne hladilne tekočine upoštevati tudi združljivost materiala, nizko gostoto, nizko viskoznost in zaščito okolja.

Opis različnih hladilnih tekočin
Hidrofluoroetri - Hidrofluoroetri iz aplikacij močnostne elektronike so bili deležni velike pozornosti na področju potopnega hlajenja čisto električnih vozil. Literatura kaže, da je njegova učinkovitost hlajenja bistveno izboljšana v primerjavi s sistemom zračnega hlajenja. Zaradi nevnetljivosti hidrofluoroetra in skoraj brez plamenišča je izboljšana tudi varnost sistema. Delovanje tega potopnega hladilnega sistema s hidrofluoroetrom v celotnem življenjskem ciklu je treba še preučiti. Poleg tega je gostota HFE približno 40 odstotkov višja od gostote sistema voda-glikol, kar negativno vpliva na težo in doseg čisto električnih vozil. Poleg tega so stroški materiala in varstvo okolja prav tako pomembni dejavniki, ki ovirajo uporabo hidrofluoroetra v sistemu toplotnega upravljanja električnih vozil.
Ogljikovodiki - vključno z mineralnim oljem, polimerom - olefini (PAO) in sintetičnimi ogljikovodiki. Ogljikovodiki so destilacijski produkti nafte, zaradi česar so poceni in nizko strupeni ter primerni za potopno hlajenje v ustreznem delovnem temperaturnem območju. Pomanjkljivost teh tekočin je, da so lahko vnetljive in imajo plamenišče.

Estri – Zaradi nizkih stroškov, visokega plamenišča, dobrih dielektričnih lastnosti in biorazgradljivosti so bili pogosto uporabljeni v različnih industrijah. Estre delimo na sintetične in naravne. Sintetični ester je produkt kemijske reakcije med poliolom in karboksilno kislino, naravni ester pa produkt rastlinskega olja. Oba vira ustrezata tudi različnim atributom. Sintetični ester ima dobro oksidacijsko stabilnost, kar pozitivno vpliva na podaljšanje obdobja vzdrževanja vozila; Vendar pa je v primerjavi z naravnim estrom njegovo plamenišče običajno nižje. Pomanjkljivost sistema na osnovi estra je, da viskoznost narašča s staranjem materiala, nato pa se njegova hladilna sposobnost zmanjšuje.
Glavna prednost silikonskega olja - silikonskega olja je, da ima dobro temperaturno obstojnost in dielektrične lastnosti pri visokih in nizkih temperaturah.
Voda/glikol - mešanica vode in glikola. V primerjavi z drugimi sistemi ima voda/glikol relativno visoko prevodnost in toplotno prevodnost ter ima stroškovne prednosti. Vendar pa prevodnost mešanice vodnega glikola omejuje njeno uporabo samo za posredno hlajenje s tekočino. V procesu uporabe so tesnilni ukrepi posrednega sistema za hlajenje s tekočino zelo pomembni, ker lahko preprečijo uhajanje mešanice v baterijo ali napeljavo, nato pa lahko preprečijo kratek stik in končno toplotno izgubo nadzora. [5]

Skratka, rešitev za toplotno upravljanje je veliko; Pri Detweelerju verjamemo, da je sistem toplotnega upravljanja povsem električnih vozil mogoče izboljšati s pravilno uporabo materialov in kompozitov. S stalnim razvojem industrije mobilnih potovanj v smeri elektrifikacije je zdaj poudarek na podpori proizvajalcem hladilne tekočine, dobaviteljem na vseh ravneh in proizvajalcem originalne opreme pri nadgradnji njihovih sistemov za upravljanje toplote; V zvezi s tem je bilo materialno strokovno znanje družbe Detweller uporabljeno na visoki ravni. Kemijska združljivost je ključna za metodo neposrednega potopnega hlajenja, saj lahko različna hladilna tekočina povzroči različne tesnilne rešitve.
Pri izbiri najboljše rešitve tesnjenja za vsak potopni hladilni sistem je treba opraviti teste. Kar zadeva industrijo električnih vozil, se zdi, da je perfluoropolieter (PFPE) v ospredju uporabe hladilne tekočine zaradi svojih lastnosti, ki niso vnetljive in imajo nizko viskoznost. Ne glede na to, kakšno hladilno sredstvo se uporablja v električnih vozilih, je treba zagotoviti združljivost s tesnilnimi rešitvami, da preprečimo korozijo/razgradnjo tesnil skozi čas v tem težkem okolju in preprečimo posledične težave. [1]
Varnost je kritična

Najpomembnejši varnostni problem akumulatorskega sistema je preprečevanje požara in toplotnega uhajanja. Ker je baterijski sistem s potopnim hlajenjem neposredno potopljen v hladilno tekočino, mora biti celotno območje zatesnjeno s posebnimi tesnilnimi elastomernimi komponentami, izbira elastomera pa mora biti pravilna. Bolje je imeti določeno stopnjo kemične odpornosti in odpornosti na vremenske vplive skozi celotno življenjsko dobo vozila.
V podjetju Detwelle izvajamo poskuse in natančne analize na različnih vrstah hladilne tekočine v stiku z različnimi materiali; S temi testi lahko ugotovimo, katere vrste polimerov ali elastomerov so najprimernejše za tesnjenje teh tekočin.
Tudi v fazi simulacijske analize je pomemben parameter, ki ga je treba nadzorovati, toplotno staranje. Material je testiran pri visoki temperaturi (do 100 stopinj C) dolgo časa (do 1000 ur). Glede na prvo skupino testov za PFPE, silikonsko olje in olje semen se formula, ki temelji na IC-DAT10 in IC-DAT30 podjetja DETWELLER, dobro obnese v večini hladilnih tekočin in jo je treba na splošno uporabljati kot izbiro tesnilnih materialov. Vsaka koda IC-DAT predstavlja različne serije elastomerov, zato ta študija primerja učinkovitost različnih serij polimerov v izbrani tekočini.
V skladu s tem strogim preskusnim postopkom so primerjali fizikalne lastnosti materiala pred in po potopitvi v te tekočine. Sprememba volumna, prikazana na spodnji sliki, se uporablja kot indikator kemične stabilnosti skozi čas po potopitvi v hladilno tekočino. Poleg tega smo preverili in razumeli tudi toplotno stabilnost, spremembe nateznih lastnosti, kompresijsko nastavitev in puščanje.

Rezultati kemijske stabilnosti standardne formule gume, potopljene v različne vrste hladilne tekočine (semensko olje, silikonsko olje in različni PFPE) za potopni hladilni sistem
V drugi skupini testov, prikazanih na sliki 2, se osredotočamo na brezhalogensko, nestrupeno biološko bazo in biološko razgradljivo hladilno tekočino. Vse izmerjene hladilne tekočine so razdeljene v dve kategoriji s potencialom globalnega segrevanja (GWP) 0 in<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.
Sprememba volumna standardne gumene formule po potopitvi v te tekočine kaže, da ima večina preizkušenih gumenih formul očitne spremembe. Vidimo, da je med vsemi testiranimi materiali le formula s kodo IC-DAT41 ustrezna kandidatna formula.

Rezultati kemijske stabilnosti standardne formule gume, potopljene v posebno vrsto hladilne tekočine na biološki osnovi za potopni hladilni sistem
Špekulira se, da bo polarnost tesnilnega materiala vplivala na kemično stabilnost tesnilnega elementa. Poleg IC-DAT41 Detweller preučuje druge kandidatne materiale, primerne za uporabo kot potopna hladilna sredstva na biološki osnovi. Detweller uporablja različne zaščitene formulacije za testiranje in na koncu izbere, katera formulacija je najboljši tesnilni material za določeno testirano hladilno sredstvo.