Termisk styringsmodus for rent elektrisk kjøretøy: nedsenking av batteri

I den nye applikasjonen av bilelektrifisering er det svært viktig å avkjøle og varme de elektriske komponentene for å holde dem ved optimal arbeidstemperatur, fordi dette kan garantere levetiden og effektiviteten til de elektriske komponentene. Derfor er et passende varmestyringssystem viktig. Det er med andre ord nødvendig å designe et passende termisk styringssystem for de elektriske komponentene som brukes.
Hvis driftstemperaturen til batteriet er for høy, kan det føre til tap av batterikapasitet, og i ekstreme tilfeller kan det føre til termisk løping. Hvis driftstemperaturen til batteriet er for lav, kan det føre til lavere batterieffektivitet, høyere motstand, lavere batterikapasitet og dannelse av litiumdendritt (litiumpletteringslag). Litiumbelegg vil føre til akselerert aldring og svikt i batterikjernen.
Målet med termisk styring er å sikre at systemet har optimal drifts- og sikker temperatur. Mer komplisert er at den optimale temperaturen til batterisystemet kan endres med endring av driftsmodus. Den optimale temperaturen for hurtiglading kan være forskjellig fra den for kjøring eller parkering (parkering).
For tiden inkluderer de termiske styringssystemene for batteriet som brukes hovedsakelig gasskjøling, indirekte væskekjøling, direkte væskekjøling (også kjent som nedsenkingskjøling) og faseendringsmaterialer. [1]

Beskrivelse av ulike kjølesystemer
Luftkjølesystemer er mest brukt på grunn av deres enkle design, lave kostnader og ingen lekkasje. Luftkjøling er delt inn i aktiv type med tvungen konveksjon og passiv type med naturlig konveksjon. Sammenlignet med væske og andre medier har luft liten termisk kapasitet (Cp=1.006 kJ/kgK ved standardtemperatur) og lav varmeledningsevne, så luftkjøling vil neppe bli den foretrukne teknologien for neste generasjon elektriske kjøretøy med større batteripakker og raskere ladehastighet. [1]
Væskekjøling kan deles inn i indirekte og direkte moduser. Sammenlignet med luft har kjølevæsken større termisk kapasitet og høyere varmeledningsevne. På grunn av den balanserte temperaturkontrollen er indirekte væskekjøling for tiden en av de mest brukte løsningene innen termisk batteristyring. Den mest brukte kjølevæsken er en blanding av vann og glykol. Prinsippet for indirekte kjøling er å la kjølevæsken strømme gjennom kanalen i bunnen eller siden av celle/batterimodulen for å overføre varme fra systemet.
Kjøleeffekten kan forbedres ved å bruke spesifikke termiske grensesnittmaterialer (TIM).
Sammenlignet med luftkjøling er ulempen med indirekte væskekjøling kompleksiteten til systemet. Flere komponenter og kanaler/rørledninger kan forårsake flere feil, ekstra vekt og lekkasjeproblemer.
En annen ny kjøleteknologi er direkte væskekjøling, også kjent som nedsenkingskjøling, som senker batteriet fullstendig ned i den dielektriske væsken. Dette er en ikke-ledende væske med høy motstand mot elektrisk sammenbrudd. Innføringen av denne teknologien betyr at kompleksiteten til batteriprosessen og komponentdesign kan reduseres betraktelig, og det bidrar også til å redusere vekten og volumet til systemet, noe som forbedrer stabiliteten og balansen i batteritemperaturkontrollen betydelig. Nedsenkingskjøling kan varme eller avkjøle batteriet etter behov uten å bruke varmeveksler, noe som gir betydelig effektivitetsforbedring. Nedsenkingskjøling av elektriske kjøretøybatterier er fortsatt i sin spede begynnelse, men det har vært noen brukstilfeller, for eksempel det patenterte batterikjernesystemet med full nedsenking til Faraday Future [2], nedsenkingskjølingsteknologien til Dakar Rally-bilen Audi RS Q e -tron [3], eller IMMERSIO laget av Panasonic og Teslas tidligere ansatte ™ System [4].

Nedsenkingskjølesystem for Dakar Rally i Audi RS Q e-tron
Den dielektriske væsken som vanligvis brukes i nedsenkingskjøling er flammehemmende, som kan hemme den termiske løpshendelsen. For tiden er det flere grupper av kjølemedier tilgjengelig på markedet - hydrofluoreter, hydrokarbonolje, silikonolje og fluorert hydrokarbon. Folk legger mer og mer oppmerksomhet til biologisk nedbrytbare dielektriske væsker.
Kjølevæskens egenskaper spiller en viktig rolle i termisk styring og bør oppfylle følgende krav:
-God elektrisk isolasjon
-Høy spesifikk varmekapasitet og høy varmeledningsevne
-Ikke brennbart og/eller høyt flammepunkt
-Enkel å produsere og kan leveres i store mengder
-Det er et passende driftstemperaturområde
-Lang holdbarhet av væske
I tillegg til kravene ovenfor, må materialkompatibilitet, lav tetthet, lav viskositet og miljøvern også vurderes ved valg av passende nedsenkingskjølevæske.

Beskrivelse av ulike kjølevæsker
Hydrofluoretere - Hydrofluoretere fra kraftelektronikkapplikasjoner har fått stor oppmerksomhet innen nedsenkingskjøling av rene elektriske kjøretøy. Litteraturen viser at kjøleeffektiviteten er betydelig forbedret sammenlignet med luftkjølesystemet. På grunn av ubrennbarheten til hydrofluoreter og nesten ingen flammepunkt, er systemsikkerheten også forbedret. Ytelsen til dette nedsenkingskjølesystemet med hydrofluoreter i hele livssyklusen gjenstår å studere. I tillegg er tettheten til HFE omtrent 40 prosent høyere enn vannglykolsystemet, noe som har en negativ innvirkning på vekten og rekkevidden til rene elektriske kjøretøy. I tillegg er materialkostnader og miljøvern også viktige faktorer som hindrer bruken av hydrofluoreter i det termiske styringssystemet til elektriske kjøretøy.
Hydrokarboner - inkludert mineralolje, polymer - Olefin (PAO) og syntetisk hydrokarbonolje. Hydrokarboner er destillasjonsprodukter av petroleum, noe som gjør dem til lave kostnader og lav toksisitet, og egnet for nedsenkingskjøling i passende driftstemperaturområde. Ulempen med disse væskene er at de kan være brannfarlige og ha et flammepunkt.

Estere - På grunn av deres lave kostnader, høye flammepunkt, gode dielektriske egenskaper og biologisk nedbrytbarhet, har de blitt mye brukt i ulike bransjer. Estere er delt inn i syntetiske og naturlige. Syntetisk ester er produktet av kjemisk reaksjon mellom polyol og karboksylsyre, mens naturlig ester er produktet av vegetabilsk olje. De to kildene tilsvarer også forskjellige attributter. Den syntetiske esteren har god oksidasjonsstabilitet, noe som har en positiv innvirkning på å forlenge kjøretøyets vedlikeholdsperiode; Sammenlignet med naturlig ester er imidlertid flammepunktet vanligvis lavere. Ulempen med esterbasert system er at viskositeten øker med aldring av materialet, og deretter reduseres kjølekapasiteten.
Den største fordelen med silikonolje - silikonolje er at den har god temperaturmotstand og dielektriske egenskaper ved høye og lave temperaturer.
Vann/glykol - blanding av vann og glykol. Sammenlignet med andre systemer har vann/glykol relativt høy ledningsevne og termisk ledningsevne, og har kostnadsfordeler. Imidlertid begrenser ledningsevnen til glykolblandinger av vanntype dens bruk kun for indirekte væskekjøling. I bruksprosessen er forseglingstiltakene til det indirekte væskekjølesystemet svært viktige, fordi dette kan forhindre at blandingen lekker til batteriet eller ledningene, og deretter kan forhindre kortslutning og endelig termisk tap av kontroll. [5]

Kort sagt, det finnes mange løsninger for termisk styring; Hos Detweeler tror vi at det termiske styringssystemet til rene elektriske kjøretøy kan forbedres gjennom riktig bruk av materialer og kompositter. Med den jevne utviklingen av den mobile reiseindustrien i retning av elektrifisering, er fokuset nå å støtte kjølevæskeprodusentene, leverandører på alle nivåer og OEM-er med å oppgradere sine termiske styringssystemer; I denne forbindelse har materialekspertisen til Detweller blitt brukt på et høyt nivå. Kjemisk kompatibilitet er nøkkelen til metoden for direkte nedsenking, fordi forskjellig kjølevæske kan føre til forskjellige tetningsløsninger.
Ved valg av den beste tetningsløsningen for hvert nedsenkingskjølesystem, må det utføres tester. Når det gjelder elbilindustrien, ser det ut til at perfluorpolyeter (PFPE) er i forkant av kjølevæskepåføring på grunn av deres ikke-brennbare og lave viskositetsegenskaper. Uansett hva slags kjølevæske som brukes på elektriske kjøretøy, er det imidlertid nødvendig å sikre kompatibilitet med tetningsløsninger for å unngå korrosjon/degradering av tetninger over tid i dette tøffe miljøet og forhindre de resulterende problemene. [1]
Sikkerhet er kritisk

Det viktigste sikkerhetsproblemet til batterisystemet er å forhindre brann og termisk løping. Fordi batterisystemet med nedsenkingskjøling er direkte nedsenket i kjølevæsken, må hele området forsegles med spesielle forseglingselastomerkomponenter, og valget av elastomeren må være riktig. Det er bedre å ha et visst nivå av kjemisk motstand og værbestandighet gjennom kjøretøyets levetid.
Hos Detwelle gjennomfører vi eksperimenter og nøyaktige analyser på ulike typer kjølevæske i kontakt med ulike materialer; Gjennom disse testene kan vi bestemme hvilke typer polymerer eller elastomerer som er best egnet for å tette disse væskene.
Selv i simuleringsanalysestadiet er termisk aldring en viktig parameter som må kontrolleres. Materialet er testet ved høy temperatur (opptil 100 grader C) i lang tid (opptil 1000 timer). I henhold til den første gruppen av tester for PFPE, silikonolje og frøolje, fungerer formelen basert på IC-DAT10 og IC-DAT30 til DETWELLER godt i de fleste kjølevæsker og bør generelt brukes som valg av tetningsmaterialer. Hver IC-DAT-kode representerer forskjellige elastomerserier, så denne studien sammenligner ytelsen til forskjellige polymerserier i den valgte væsken.
I henhold til denne strenge testprosessen ble de fysiske egenskapene til materialet før og etter nedsenking i disse væskene sammenlignet. Volumendringen vist i figuren nedenfor brukes som en indikator på kjemisk stabilitet over tid etter nedsenking i kjølevæske. I tillegg har vi også sjekket og forstått termisk stabilitet, endringer i strekkegenskaper, kompresjonssett og lekkasje.

Kjemisk stabilitet resultater av standard gummiformel nedsenket i forskjellige typer kjølevæske (frøolje, silikonolje og forskjellige PFPE) for nedsenkingskjølesystem
I den andre gruppen av tester vist i figur 2 fokuserer vi på halogenfri, ikke-giftig biologisk base og biologisk nedbrytbar kjølevæske. Alle målte kjølevæsker er delt inn i to kategorier med globalt oppvarmingspotensial (GWP) på 0 og<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.
Volumendringen til standardgummiformelen etter nedsenking i disse væskene viser at de fleste testede gummiformlene har åpenbare endringer. Det kan sees at blant alle de testede materialene er det bare formelen med koden til IC-DAT41 som er den passende kandidatformelen.

Kjemisk stabilitet resultater av standard gummiformel nedsenket i spesifikk type biobasert kjølevæske for nedsenkingskjølesystem
Det spekuleres i at polariteten til tetningsmaterialet vil påvirke den kjemiske stabiliteten til tetningselementet. I tillegg til IC-DAT41, studerer Detweller andre kandidatmaterialer som egner seg for bruk som biobaserte nedsenkingskjølevæsker. Detweller bruker forskjellige proprietære formuleringer for testing, og velger til slutt hvilken formulering som er det beste tetningsmaterialet for den spesifikke kjølevæsken som er testet.