Λειτουργία θερμικής διαχείρισης αμιγώς ηλεκτρικού οχήματος: ψύξη εμβάπτισης μπαταρίας

Στη νέα εφαρμογή της ηλεκτροδότησης αυτοκινήτων, είναι πολύ σημαντικό να ψύχονται και να θερμαίνονται τα ηλεκτρικά εξαρτήματα για να διατηρούνται στη βέλτιστη θερμοκρασία λειτουργίας, γιατί αυτό μπορεί να εγγυηθεί τη διάρκεια ζωής και την απόδοση των ηλεκτρικών εξαρτημάτων. Ως εκ τούτου, ένα κατάλληλο σύστημα θερμικής διαχείρισης είναι απαραίτητο. Με άλλα λόγια, είναι απαραίτητο να σχεδιαστεί ένα κατάλληλο σύστημα θερμικής διαχείρισης για τα ηλεκτρικά εξαρτήματα που χρησιμοποιούνται.
Εάν η θερμοκρασία λειτουργίας της μπαταρίας είναι πολύ υψηλή, μπορεί να οδηγήσει σε απώλεια χωρητικότητας της μπαταρίας και σε ακραίες περιπτώσεις μπορεί να οδηγήσει σε θερμική διαρροή. Εάν η θερμοκρασία λειτουργίας της μπαταρίας είναι πολύ χαμηλή, μπορεί να οδηγήσει σε χαμηλότερη απόδοση μπαταρίας, υψηλότερη αντίσταση, χαμηλότερη χωρητικότητα μπαταρίας και σχηματισμό δενδρίτη λιθίου (στρώμα επικάλυψης λιθίου). Η επιμετάλλωση λιθίου θα οδηγήσει σε επιταχυνόμενη γήρανση και αστοχία του πυρήνα της μπαταρίας.
Ο στόχος της θερμικής διαχείρισης είναι να διασφαλίσει ότι το σύστημα βρίσκεται στη βέλτιστη και ασφαλή θερμοκρασία λειτουργίας. Πιο περίπλοκο είναι ότι η βέλτιστη θερμοκρασία του συστήματος μπαταρίας μπορεί να αλλάξει με την αλλαγή του τρόπου λειτουργίας. Η βέλτιστη θερμοκρασία για γρήγορη φόρτιση μπορεί να διαφέρει από αυτή για την οδήγηση ή τη στάθμευση (στάθμευση).
Επί του παρόντος, τα συστήματα θερμικής διαχείρισης της μπαταρίας που χρησιμοποιούνται περιλαμβάνουν κυρίως ψύξη αερίου, έμμεση υγρή ψύξη, άμεση ψύξη υγρού (επίσης γνωστή ως ψύξη εμβάπτισης) και υλικά αλλαγής φάσης. [1]

Περιγραφή διαφόρων συστημάτων ψύξης
Τα συστήματα ψύξης αέρα χρησιμοποιούνται ευρέως λόγω του απλού σχεδιασμού, του χαμηλού κόστους και της μη διαρροής. Η αερόψυξη χωρίζεται σε ενεργό τύπο με εξαναγκασμένη μεταφορά και παθητικό τύπο με φυσική μεταφορά. Σε σύγκριση με υγρά και άλλα μέσα, ο αέρας έχει μικρή θερμική χωρητικότητα (Cp=1.006 kJ/kgK σε τυπική θερμοκρασία) και χαμηλή θερμική αγωγιμότητα, επομένως η ψύξη αέρα είναι απίθανο να γίνει η προτιμώμενη τεχνολογία για την επόμενη γενιά ηλεκτρικών οχημάτων με μεγαλύτερα πακέτα μπαταριών και μεγαλύτερη ταχύτητα φόρτισης. [1]
Η υγρή ψύξη μπορεί να χωριστεί σε έμμεσους και άμεσους τρόπους λειτουργίας. Σε σύγκριση με τον αέρα, το ψυκτικό έχει μεγαλύτερη θερμική ικανότητα και υψηλότερη θερμική αγωγιμότητα. Λόγω του ισορροπημένου ελέγχου θερμοκρασίας, η έμμεση υγρή ψύξη είναι αυτή τη στιγμή μία από τις πιο συχνά χρησιμοποιούμενες λύσεις στη διαχείριση θερμικής μπαταρίας. Το πιο συχνά χρησιμοποιούμενο ψυκτικό είναι ένα μείγμα νερού και γλυκόλης. Η αρχή της έμμεσης ψύξης είναι να αφήνουμε το ψυκτικό να ρέει μέσω του καναλιού στο κάτω μέρος ή στο πλάι της μονάδας στοιχείου/μπαταρίας για να μεταφέρει θερμότητα από το σύστημα.
Το αποτέλεσμα ψύξης μπορεί να βελτιωθεί χρησιμοποιώντας συγκεκριμένα υλικά θερμικής διεπαφής (TIM).
Σε σύγκριση με την ψύξη με αέρα, το μειονέκτημα της έμμεσης υγρής ψύξης είναι η πολυπλοκότητα του συστήματος. Περισσότερα εξαρτήματα και κανάλια/σωλήνες μπορεί να προκαλέσουν περισσότερες βλάβες, επιπλέον βάρος και προβλήματα διαρροής.
Μια άλλη αναδυόμενη τεχνολογία ψύξης είναι η άμεση υγρή ψύξη, γνωστή και ως ψύξη με εμβάπτιση, η οποία βυθίζει πλήρως την μπαταρία στο διηλεκτρικό υγρό. Αυτό είναι ένα μη αγώγιμο υγρό με υψηλή αντοχή στην ηλεκτρική βλάβη. Η εισαγωγή αυτής της τεχνολογίας σημαίνει ότι η πολυπλοκότητα της διαδικασίας της μπαταρίας και του σχεδιασμού των εξαρτημάτων μπορεί να μειωθεί σημαντικά και επίσης συμβάλλει στη μείωση του βάρους και του όγκου του συστήματος, βελτιώνοντας σημαντικά τη σταθερότητα και την ισορροπία του ελέγχου θερμοκρασίας της μπαταρίας. Η ψύξη με εμβάπτιση μπορεί να θερμάνει ή να ψύχει την μπαταρία όπως απαιτείται χωρίς τη χρήση εναλλάκτη θερμότητας, γεγονός που επιφέρει σημαντική βελτίωση της απόδοσης. Η ψύξη με εμβάπτιση μπαταριών ηλεκτρικών οχημάτων είναι ακόμα στα σπάργανα, αλλά υπήρξαν ορισμένες περιπτώσεις χρήσης, όπως το πατενταρισμένο σύστημα πυρήνα μπαταριών πλήρους βύθισης του Faraday Future [2], η τεχνολογία ψύξης εμβάπτισης του αυτοκινήτου Ράλι Dakar Audi RS Q e -tron [3], ή το IMMERSIO που δημιουργήθηκε από την Panasonic και τους πρώην υπαλλήλους της Tesla ™ System [4].

Σύστημα ψύξης βύθισης για το Ράλι Dakar στο Audi RS Q e-tron
Το διηλεκτρικό υγρό που χρησιμοποιείται συνήθως στην ψύξη με εμβάπτιση είναι επιβραδυντικό φλόγας, το οποίο μπορεί να αναστείλει το φαινόμενο θερμικής διαφυγής. Επί του παρόντος, υπάρχουν διάφορες ομάδες ψυκτικών μέσων που διατίθενται στην αγορά - υδροφθοραιθέρας, λάδι υδρογονάνθρακα, λάδι σιλικόνης και φθοριούχος υδρογονάνθρακας. Οι άνθρωποι δίνουν όλο και μεγαλύτερη προσοχή στα βιοδιασπώμενα διηλεκτρικά υγρά.
Τα χαρακτηριστικά του ψυκτικού μέσου παίζουν σημαντικό ρόλο στη θερμική διαχείριση και πρέπει να πληρούν τις ακόλουθες απαιτήσεις:
-Καλή ηλεκτρική μόνωση
-Υψηλή ειδική θερμοχωρητικότητα και υψηλή θερμική αγωγιμότητα
-Μη εύφλεκτο και/ή υψηλό σημείο ανάφλεξης
-Εύκολο στην παραγωγή και μπορεί να παραδοθεί σε μεγάλες ποσότητες
-Υπάρχει κατάλληλο εύρος θερμοκρασίας λειτουργίας
-Μεγάλη διάρκεια ζωής υγρού
Εκτός από τις παραπάνω απαιτήσεις, η συμβατότητα υλικού, η χαμηλή πυκνότητα, το χαμηλό ιξώδες και η προστασία του περιβάλλοντος πρέπει επίσης να λαμβάνονται υπόψη κατά την επιλογή του κατάλληλου ψυκτικού υγρού εμβάπτισης.

Περιγραφή διαφόρων ψυκτικών
Υδροφθοραιθέρες - Οι υδροφθοραιθέρες από εφαρμογές ηλεκτρονικών ισχύος έχουν λάβει μεγάλη προσοχή στον τομέα της ψύξης με εμβάπτιση αμιγώς ηλεκτρικών οχημάτων. Η βιβλιογραφία δείχνει ότι η απόδοση ψύξης του είναι σημαντικά βελτιωμένη σε σύγκριση με το σύστημα ψύξης αέρα. Λόγω της μη αναφλεξιμότητας του υδροφθοραιθέρα και σχεδόν καθόλου σημείου ανάφλεξης, η ασφάλεια του συστήματος έχει επίσης βελτιωθεί. Η απόδοση αυτού του συστήματος ψύξης εμβάπτισης υδροφθοροαιθέρα σε ολόκληρο τον κύκλο ζωής μένει να μελετηθεί. Επιπλέον, η πυκνότητα του HFE είναι περίπου 40 τοις εκατό υψηλότερη από αυτή του συστήματος νερού-γλυκόλης, γεγονός που έχει αρνητικό αντίκτυπο στο βάρος και την αυτονομία των αμιγώς ηλεκτρικών οχημάτων. Επιπλέον, το κόστος των υλικών και η προστασία του περιβάλλοντος είναι επίσης σημαντικοί παράγοντες που εμποδίζουν τη χρήση του υδροφθοραιθέρα στο σύστημα θερμικής διαχείρισης των ηλεκτρικών οχημάτων.
Υδρογονάνθρακες - συμπεριλαμβανομένου ορυκτελαίου, πολυμερούς - ολεφίνης (PAO) και συνθετικού ελαίου υδρογονανθράκων. Οι υδρογονάνθρακες είναι προϊόντα απόσταξης πετρελαίου, γεγονός που τους καθιστά χαμηλού κόστους και χαμηλής τοξικότητας και κατάλληλους για ψύξη με εμβάπτιση στο κατάλληλο εύρος θερμοκρασίας λειτουργίας. Το μειονέκτημα αυτών των υγρών είναι ότι μπορεί να είναι εύφλεκτα και να έχουν σημείο ανάφλεξης.

Εστέρες - Λόγω του χαμηλού κόστους, του υψηλού σημείου ανάφλεξης, των καλών διηλεκτρικών ιδιοτήτων και της βιοδιασπασιμότητάς τους, έχουν χρησιμοποιηθεί ευρέως σε διάφορες βιομηχανίες. Οι εστέρες χωρίζονται σε συνθετικούς και φυσικούς. Ο συνθετικός εστέρας είναι το προϊόν της χημικής αντίδρασης μεταξύ πολυόλης και καρβοξυλικού οξέος, ενώ ο φυσικός εστέρας είναι προϊόν φυτικού ελαίου. Οι δύο πηγές αντιστοιχούν επίσης σε διαφορετικά χαρακτηριστικά. Ο συνθετικός εστέρας έχει καλή σταθερότητα στην οξείδωση, η οποία έχει θετικό αντίκτυπο στην παράταση της περιόδου συντήρησης του οχήματος. Ωστόσο, σε σύγκριση με τον φυσικό εστέρα, το σημείο ανάφλεξής του είναι συνήθως χαμηλότερο. Το μειονέκτημα του συστήματος που βασίζεται σε εστέρα είναι ότι το ιξώδες αυξάνεται με τη γήρανση του υλικού και στη συνέχεια μειώνεται η ψυκτική του ικανότητα.
Το κύριο πλεονέκτημα του λαδιού σιλικόνης - λαδιού σιλικόνης είναι ότι έχει καλή αντοχή στη θερμοκρασία και διηλεκτρικές ιδιότητες σε υψηλές και χαμηλές θερμοκρασίες.
Νερό/γλυκόλη - μείγμα νερού και γλυκόλης. Σε σύγκριση με άλλα συστήματα, το νερό/γλυκόλη έχει σχετικά υψηλή αγωγιμότητα και θερμική αγωγιμότητα και έχει πλεονεκτήματα κόστους. Ωστόσο, η αγωγιμότητα του μίγματος γλυκόλης τύπου νερού περιορίζει τη χρήση του μόνο για έμμεση υγρή ψύξη. Κατά τη διαδικασία χρήσης, τα μέτρα στεγανοποίησης του έμμεσου συστήματος ψύξης υγρού είναι πολύ σημαντικά, γιατί αυτό μπορεί να αποτρέψει τη διαρροή του μείγματος στην μπαταρία ή την καλωδίωση και στη συνέχεια να αποτρέψει βραχυκύκλωμα και τελική θερμική απώλεια ελέγχου. [5]

Εν ολίγοις, υπάρχουν πολλές λύσεις για τη θερμική διαχείριση. Στη Detweeler, πιστεύουμε ότι το σύστημα θερμικής διαχείρισης των αμιγώς ηλεκτρικών οχημάτων μπορεί να βελτιωθεί μέσω της σωστής χρήσης υλικών και σύνθετων υλικών. Με τη σταθερή ανάπτυξη της βιομηχανίας κινητών ταξιδιών προς την κατεύθυνση της ηλεκτροδότησης, η εστίαση τώρα είναι να υποστηριχθούν οι κατασκευαστές ψυκτικού υγρού, οι προμηθευτές σε όλα τα επίπεδα και οι κατασκευαστές OEM για την αναβάθμιση των συστημάτων διαχείρισης θερμότητας. Από αυτή την άποψη, η τεχνογνωσία υλικού της Detweller έχει εφαρμοστεί σε υψηλό επίπεδο. Η χημική συμβατότητα είναι το κλειδί για τη μέθοδο ψύξης με άμεση εμβάπτιση, επειδή διαφορετικό ψυκτικό μπορεί να οδηγήσει σε διαφορετικές λύσεις στεγανοποίησης.
Κατά την επιλογή της καλύτερης λύσης στεγανοποίησης για κάθε σύστημα ψύξης εμβάπτισης, πρέπει να πραγματοποιούνται δοκιμές. Όσον αφορά τη βιομηχανία ηλεκτρικών οχημάτων, ο υπερφθοροπολυαιθέρας (PFPE) φαίνεται να βρίσκεται στην πρώτη γραμμή της εφαρμογής ψυκτικού λόγω των μη εύφλεκτων και χαμηλού ιξώδους χαρακτηριστικών του. Ωστόσο, ανεξάρτητα από το είδος του ψυκτικού που χρησιμοποιείται στα ηλεκτρικά οχήματα, είναι απαραίτητο να διασφαλιστεί η συμβατότητα με τις λύσεις στεγανοποίησης για να αποφευχθεί η διάβρωση/αποδόμηση των στεγανοποιήσεων με την πάροδο του χρόνου σε αυτό το σκληρό περιβάλλον και να αποφευχθούν τα προβλήματα που προκύπτουν. [1]
Η ασφάλεια είναι κρίσιμη

Το πιο σημαντικό πρόβλημα ασφάλειας του συστήματος μπαταρίας είναι η αποφυγή πυρκαγιάς και θερμικής διαφυγής. Επειδή το σύστημα μπαταρίας με ψύξη εμβάπτισης είναι απευθείας βυθισμένο στο ψυκτικό υγρό, ολόκληρη η περιοχή πρέπει να σφραγιστεί με ειδικά εξαρτήματα ελαστομερούς στεγανοποίησης και η επιλογή του ελαστομερούς πρέπει να είναι σωστή. Είναι καλύτερο να έχετε ένα ορισμένο επίπεδο χημικής αντοχής και αντοχής στις καιρικές συνθήκες καθ' όλη τη διάρκεια ζωής του οχήματος.
Στην Detwelle, διεξάγουμε πειράματα και ακριβείς αναλύσεις σε διάφορους τύπους ψυκτικού που έρχονται σε επαφή με διαφορετικά υλικά. Μέσω αυτών των δοκιμών, μπορούμε να προσδιορίσουμε ποιοι τύποι πολυμερών ή ελαστομερών είναι πιο κατάλληλοι για τη σφράγιση αυτών των υγρών.
Ακόμη και στο στάδιο της ανάλυσης προσομοίωσης, μια σημαντική παράμετρος που πρέπει να ελέγχεται είναι η θερμική γήρανση. Το υλικό δοκιμάζεται σε υψηλή θερμοκρασία (έως 100 βαθμούς C) για μεγάλο χρονικό διάστημα (έως 1000 ώρες). Σύμφωνα με την πρώτη ομάδα δοκιμών για PFPE, έλαιο σιλικόνης και σπορέλαιο, η φόρμουλα που βασίζεται στα IC-DAT10 και IC-DAT30 της DETWELLER έχει καλή απόδοση στα περισσότερα ψυκτικά και θα πρέπει γενικά να χρησιμοποιείται ως επιλογή υλικών στεγανοποίησης. Κάθε κωδικός IC-DAT αντιπροσωπεύει διαφορετικές σειρές ελαστομερών, επομένως αυτή η μελέτη συγκρίνει την απόδοση διαφορετικών σειρών πολυμερών στο επιλεγμένο υγρό.
Σύμφωνα με αυτή την αυστηρή διαδικασία δοκιμής, συγκρίθηκαν οι φυσικές ιδιότητες του υλικού πριν και μετά τη βύθιση σε αυτά τα υγρά. Η αλλαγή όγκου που φαίνεται στο παρακάτω σχήμα χρησιμοποιείται ως δείκτης χημικής σταθερότητας με την πάροδο του χρόνου μετά τη βύθιση στο ψυκτικό. Επιπλέον, ελέγξαμε και κατανοήσαμε επίσης τη θερμική σταθερότητα, τις αλλαγές ιδιοτήτων εφελκυσμού, το σετ συμπίεσης και τη διαρροή.

Αποτελέσματα χημικής σταθερότητας τυπικής φόρμουλας καουτσούκ βυθισμένου σε διαφορετικούς τύπους ψυκτικού υγρού (σπορέλαιο, λάδι σιλικόνης και διάφορα PFPE) για σύστημα ψύξης εμβάπτισης
Στη δεύτερη ομάδα δοκιμών που φαίνεται στο Σχήμα 2, εστιάζουμε σε βιολογική βάση χωρίς αλογόνο, μη τοξική και βιοαποδομήσιμο ψυκτικό. Όλα τα ψυκτικά που μετρήθηκαν χωρίζονται σε δύο κατηγορίες με δυναμικό υπερθέρμανσης του πλανήτη (GWP) 0 και<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.
Η αλλαγή όγκου της τυπικής φόρμουλας καουτσούκ μετά τη βύθιση σε αυτά τα υγρά δείχνει ότι οι περισσότερες από τις δοκιμασμένες συνθέσεις καουτσούκ έχουν εμφανείς αλλαγές. Μπορεί να φανεί ότι μεταξύ όλων των υλικών που δοκιμάστηκαν, μόνο ο τύπος με τον κωδικό IC-DAT41 είναι ο κατάλληλος υποψήφιος τύπος.

Αποτελέσματα χημικής σταθερότητας τυπικής φόρμουλας από καουτσούκ βυθισμένο σε συγκεκριμένο τύπο ψυκτικού υγρού βιολογικής βάσης για σύστημα ψύξης εμβάπτισης
Εικάζεται ότι η πολικότητα του στεγανοποιητικού υλικού θα επηρεάσει τη χημική σταθερότητα του στεγανοποιητικού στοιχείου. Εκτός από το IC-DAT41, η Detweller μελετά άλλα υποψήφια υλικά κατάλληλα για χρήση ως ψυκτικά εμβάπτισης βιολογικής βάσης. Η Detweller χρησιμοποιεί διαφορετικά ιδιόκτητα σκευάσματα για δοκιμές και τελικά επιλέγει ποια σύνθεση είναι το καλύτερο υλικό στεγανοποίησης για το συγκεκριμένο ψυκτικό που δοκιμάστηκε.