Način upravljanja toplinom čistog električnog vozila: hlađenje uranjanjem u bateriju

U novoj primjeni elektrifikacije automobila vrlo je važno hladiti i grijati električne komponente kako bi se zadržale na optimalnoj radnoj temperaturi, jer to može jamčiti životni vijek i učinkovitost električnih komponenti. Stoga je neophodan odgovarajući sustav upravljanja toplinom. Drugim riječima, potrebno je dizajnirati odgovarajući sustav upravljanja toplinom za električne komponente koje se koriste.
Ako je radna temperatura baterije previsoka, to može dovesti do gubitka kapaciteta baterije, au ekstremnim slučajevima može dovesti i do toplinskog odlaska. Ako je radna temperatura baterije preniska, to može dovesti do niže učinkovitosti baterije, većeg otpora, nižeg kapaciteta baterije i stvaranja litijevog dendrita (litijskog sloja). Prekrivanje litijem dovest će do ubrzanog starenja i kvara jezgre baterije.
Cilj upravljanja toplinom je osigurati da sustav ima optimalnu radnu i sigurnu temperaturu. Složenije je to što se optimalna temperatura baterijskog sustava može promijeniti s promjenom načina rada. Optimalna temperatura za brzo punjenje može se razlikovati od one za vožnju ili parkiranje (parkiranje).
Trenutačno korišteni sustavi upravljanja toplinom baterije uglavnom uključuju hlađenje plinom, neizravno hlađenje tekućinom, izravno hlađenje tekućinom (poznato i kao hlađenje uranjanjem) i materijale s promjenom faze. [1]

Opis raznih rashladnih sustava
Sustavi zračnog hlađenja najčešće se koriste zbog jednostavnog dizajna, niske cijene i nedostatka curenja. Hlađenje zrakom dijelimo na aktivni tip s prisilnom konvekcijom i pasivni tip s prirodnom konvekcijom. U usporedbi s tekućinom i drugim medijima, zrak ima mali toplinski kapacitet (Cp=1.006 kJ/kgK na standardnoj temperaturi) i nisku toplinsku vodljivost, tako da hlađenje zrakom vjerojatno neće postati preferirana tehnologija za sljedeću generaciju električnih vozila s većim paketima baterija i bržom brzinom punjenja. [1]
Hlađenje tekućinom može se podijeliti na neizravni i izravni način. U usporedbi sa zrakom, rashladna tekućina ima veći toplinski kapacitet i veću toplinsku vodljivost. Zbog uravnotežene kontrole temperature, neizravno hlađenje tekućinom trenutno je jedno od najčešće korištenih rješenja u upravljanju toplinom baterija. Najčešće korištena rashladna tekućina je mješavina vode i glikola. Načelo neizravnog hlađenja je da rashladno sredstvo teče kroz kanal na dnu ili sa strane modula ćelija/baterija za prijenos topline iz sustava.
Učinak hlađenja može se poboljšati korištenjem specifičnih materijala za toplinsko sučelje (TIM).
U usporedbi sa zračnim hlađenjem, nedostatak neizravnog hlađenja tekućinom je složenost sustava. Više komponenti i kanala/cjevovoda može uzrokovati više kvarova, dodatnu težinu i probleme s curenjem.
Još jedna nova tehnologija hlađenja je izravno hlađenje tekućinom, također poznato kao hlađenje uranjanjem, koje potpuno uranja bateriju u dielektričnu tekućinu. Ovo je nevodljiva tekućina s velikom otpornošću na električni kvar. Uvođenje ove tehnologije znači da se složenost baterijskog procesa i dizajna komponenti može znatno smanjiti, a također pomaže u smanjenju težine i volumena sustava, značajno poboljšavajući stabilnost i ravnotežu kontrole temperature baterije. Potopno hlađenje može grijati ili hladiti bateriju prema potrebi bez korištenja izmjenjivača topline, što donosi značajno poboljšanje učinkovitosti. Imerzivno hlađenje baterija električnih vozila još je u povojima, ali bilo je nekih slučajeva upotrebe, kao što je patentirani potpuno uronjeni sustav jezgre baterije tvrtke Faraday Future [2], tehnologija hlađenja uranjanjem automobila Audi RS Q e za reli Dakar -tron [3] ili IMMERSIO koji su stvorili bivši zaposlenici Panasonica i Tesle ™ System [4].

Potopni sustav hlađenja za reli Dakar u Audiju RS Q e-tron
Dielektrična tekućina koja se obično koristi u hlađenju uranjanjem je otporna na plamen, što može spriječiti događaj toplinskog odlaska. Trenutačno je na tržištu dostupno nekoliko skupina rashladnih medija - hidrofluoroeter, ugljikovodikovo ulje, silikonsko ulje i fluorirani ugljikovodik. Ljudi posvećuju sve više pažnje biorazgradivim dielektričnim tekućinama.
Karakteristike rashladne tekućine igraju važnu ulogu u upravljanju toplinom i trebaju ispunjavati sljedeće zahtjeve:
-Dobra električna izolacija
-Visoki specifični toplinski kapacitet i visoka toplinska vodljivost
- Nezapaljivo i/ili visoko plamište
-Lako se proizvodi i može se isporučiti u velikim količinama
-Postoji odgovarajući raspon radne temperature
-Dug rok trajanja tekućine
Uz gore navedene zahtjeve, kompatibilnost materijala, niska gustoća, niska viskoznost i zaštita okoliša također se moraju uzeti u obzir pri odabiru odgovarajuće rashladne tekućine za uranjanje.

Opis različitih rashladnih tekućina
Hidrofluoroeteri - Hidrofluoroeteri iz primjene energetske elektronike dobili su veliku pozornost u području hlađenja uranjanjem u čisto električna vozila. Literatura pokazuje da je njegova učinkovitost hlađenja značajno poboljšana u usporedbi sa sustavom hlađenja zrakom. Zbog nezapaljivosti hidrofluoroetera i gotovo nikakvog plamišta, sigurnost sustava je također poboljšana. Učinkovitost ovog hidrofluoroeterskog imerzivnog rashladnog sustava u cijelom životnom ciklusu tek treba proučiti. Osim toga, gustoća HFE-a je oko 40 posto veća od gustoće vodeno-glikolnog sustava, što negativno utječe na težinu i domet čisto električnih vozila. Osim toga, troškovi materijala i zaštita okoliša također su važni čimbenici koji ometaju upotrebu hidrofluoroetera u sustavu upravljanja toplinom električnih vozila.
Ugljikovodici - uključujući mineralna ulja, polimerne olefine (PAO) i sintetička ugljikovodična ulja. Ugljikovodici su destilacijski proizvodi nafte, što ih čini niskom cijenom i niskom toksičnošću te pogodnima za hlađenje uranjanjem u odgovarajućem radnom temperaturnom rasponu. Nedostatak ovih tekućina je što mogu biti zapaljive i imaju točku plamena.

Esteri - Zbog svoje niske cijene, visoke točke paljenja, dobrih dielektričnih svojstava i biorazgradljivosti naširoko su korišteni u raznim industrijama. Estere dijelimo na sintetske i prirodne. Sintetski ester je proizvod kemijske reakcije između poliola i karboksilne kiseline, dok je prirodni ester proizvod biljnog ulja. Dva izvora također odgovaraju različitim atributima. Sintetski ester ima dobru oksidacijsku stabilnost, što pozitivno utječe na produljenje razdoblja održavanja vozila; Međutim, u usporedbi s prirodnim esterom, njegovo plamište obično je niže. Nedostatak sustava na bazi estera je taj što viskoznost raste sa starenjem materijala, a zatim mu opada rashladni kapacitet.
Glavna prednost silikonskog ulja - silikonskog ulja je dobra temperaturna otpornost i dielektrična svojstva na visokim i niskim temperaturama.
Voda/glikol - mješavina vode i glikola. U usporedbi s drugim sustavima, voda/glikol ima relativno visoku vodljivost i toplinsku vodljivost te ima povoljnije troškove. Međutim, vodljivost smjese vodenog tipa glikola ograničava njezinu upotrebu samo za neizravno hlađenje tekućinom. U procesu korištenja, mjere brtvljenja neizravnog sustava za hlađenje tekućinom su vrlo važne, jer to može spriječiti curenje smjese u bateriju ili ožičenje, a zatim može spriječiti kratki spoj i konačni toplinski gubitak kontrole. [5]

Ukratko, postoji mnogo rješenja za upravljanje toplinom; U Detweeleru vjerujemo da se sustav upravljanja toplinom čisto električnih vozila može poboljšati pravilnom upotrebom materijala i kompozita. Sa stalnim razvojem industrije mobilnih putovanja u smjeru elektrifikacije, fokus je sada na podršci proizvođačima rashladnih tekućina, dobavljačima na svim razinama i proizvođačima originalne opreme u nadogradnji njihovih sustava upravljanja toplinom; U tom smislu, materijalna stručnost tvrtke Detweller primijenjena je na visokoj razini. Kemijska kompatibilnost je ključ metode hlađenja izravnim uranjanjem, jer različita rashladna tekućina može dovesti do različitih rješenja za brtvljenje.
Prilikom odabira najboljeg rješenja za brtvljenje za svaki sustav hlađenja uronjenjem, moraju se provesti ispitivanja. Što se tiče industrije električnih vozila, čini se da je perfluoropolieter (PFPE) na čelu primjene rashladne tekućine zbog svojih nezapaljivih karakteristika i niske viskoznosti. Međutim, bez obzira na vrstu rashladne tekućine koja se koristi na električnim vozilima, potrebno je osigurati kompatibilnost s rješenjima za brtvljenje kako bi se izbjegla korozija/degradacija brtvi tijekom vremena u ovom surovom okruženju i spriječili posljedični problemi. [1]
Sigurnost je kritična

Najvažniji sigurnosni problem baterijskog sustava je sprječavanje požara i toplinskog odlaska. Budući da je baterijski sustav s uronjenim hlađenjem izravno uronjen u rashladnu tekućinu, cijelo područje mora biti zabrtvljeno posebnim brtvenim elastomernim komponentama, a izbor elastomera mora biti pravilan. Bolje je imati određenu razinu kemijske otpornosti i otpornosti na vremenske uvjete tijekom životnog ciklusa vozila.
U Detwelleu provodimo pokuse i točne analize na različitim vrstama rashladne tekućine u kontaktu s različitim materijalima; Ovim testovima možemo odrediti koje su vrste polimera ili elastomera najprikladnije za brtvljenje ovih tekućina.
Čak iu fazi analize simulacije, važan parametar koji treba kontrolirati je toplinsko starenje. Materijal se testira na visokoj temperaturi (do 100 stupnjeva C) dugo vremena (do 1000 sati). Prema prvoj skupini testova za PFPE, silikonsko ulje i ulje sjemenki, formula temeljena na IC-DAT10 i IC-DAT30 tvrtke DETWELLER dobro se ponaša u većini rashladnih tekućina i općenito bi se trebala koristiti kao izbor materijala za brtvljenje. Svaki IC-DAT kod predstavlja različite serije elastomera, tako da ova studija uspoređuje performanse različitih serija polimera u odabranoj tekućini.
U skladu s ovim strogim postupkom ispitivanja, uspoređena su fizikalna svojstva materijala prije i nakon uranjanja u te tekućine. Promjena volumena prikazana na donjoj slici koristi se kao pokazatelj kemijske stabilnosti tijekom vremena nakon uranjanja u rashladno sredstvo. Osim toga, također smo provjerili i razumjeli toplinsku stabilnost, promjene vlačnih svojstava, kompresiju i propuštanje.

Rezultati kemijske stabilnosti standardne gumene formule uronjene u različite vrste rashladne tekućine (ulje sjemena, silikonsko ulje i različiti PFPE) za sustav hlađenja uranjanjem
U drugoj skupini testova prikazanih na slici 2, usredotočeni smo na netoksičnu biološku bazu bez halogena i biorazgradivu rashladnu tekućinu. Sve izmjerene rashladne tekućine podijeljene su u dvije kategorije s potencijalom globalnog zagrijavanja (GWP) od 0 i<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.
Promjena volumena standardne gumene formule nakon uranjanja u ove tekućine pokazuje da većina testiranih gumenih formula ima očite promjene. Može se vidjeti da je među svim testiranim materijalima samo formula s kodom IC-DAT41 prikladna formula kandidata.

Rezultati kemijske stabilnosti standardne gumene formule uronjene u specifičnu vrstu rashladne tekućine na biološkoj osnovi za rashladni sustav uranjanja
Nagađa se da će polaritet materijala za brtvljenje utjecati na kemijsku stabilnost brtvenog elementa. Uz IC-DAT41, Detweller proučava druge materijale kandidate prikladne za upotrebu kao rashladne tekućine na biološkoj osnovi. Detweller koristi različite vlasničke formulacije za ispitivanje i na kraju odabire koja je formulacija najbolji brtveni materijal za specifičnu testiranu rashladnu tekućinu.