Termisk styringstilstand for rent elektrisk køretøj: nedsænket batterikøling

I den nye anvendelse af bilelektrificering er det meget vigtigt at afkøle og opvarme de elektriske komponenter for at holde dem ved den optimale arbejdstemperatur, fordi dette kan garantere levetiden og effektiviteten af ​​de elektriske komponenter. Derfor er et passende varmestyringssystem afgørende. Det er med andre ord nødvendigt at designe et passende varmestyringssystem til de anvendte elektriske komponenter.
Hvis batteriets driftstemperatur er for høj, kan det føre til tab af batterikapacitet, og i ekstreme tilfælde kan det føre til termisk løb. Hvis batteriets driftstemperatur er for lav, kan det føre til lavere batterieffektivitet, højere modstand, lavere batterikapacitet og dannelse af lithiumdendrit (lithiumbelægningslag). Lithiumplettering vil føre til accelereret aldring og svigt af batterikernen.
Målet med termisk styring er at sikre, at systemet har den optimale drifts- og sikre temperatur. Mere kompliceret er, at batterisystemets optimale temperatur kan ændre sig med ændringen af ​​driftstilstanden. Den optimale temperatur for hurtig opladning kan være anderledes end ved kørsel eller parkering (parkering).
På nuværende tidspunkt omfatter de anvendte batteritermiske styringssystemer hovedsageligt gaskøling, indirekte væskekøling, direkte væskekøling (også kendt som nedsænkningskøling) og faseændringsmaterialer. [1]

Beskrivelse af forskellige kølesystemer
Luftkølesystemer er mest udbredt på grund af deres enkle design, lave omkostninger og ingen lækage. Luftkøling er opdelt i aktiv type med tvungen konvektion og passiv type med naturlig konvektion. Sammenlignet med flydende og andre medier har luft en lille termisk kapacitet (Cp=1.006 kJ/kgK ved standardtemperatur) og lav termisk ledningsevne, så luftkøling vil næppe blive den foretrukne teknologi for den næste generation af elektriske køretøjer med større batteripakker og hurtigere opladningshastighed. [1]
Væskekøling kan opdeles i indirekte og direkte tilstande. Sammenlignet med luft har kølevæske større termisk kapacitet og højere varmeledningsevne. På grund af den afbalancerede temperaturstyring er indirekte væskekøling i øjeblikket en af ​​de mest anvendte løsninger inden for batteri termisk styring. Det mest almindeligt anvendte kølemiddel er en blanding af vand og glykol. Princippet for indirekte køling er at lade kølevæsken strømme gennem kanalen i bunden eller siden af ​​celle-/batterimodulet for at overføre varme fra systemet.
Køleeffekten kan forbedres ved at bruge specifikke termiske interfacematerialer (TIM).
Sammenlignet med luftkøling er ulempen ved indirekte væskekøling systemets kompleksitet. Flere komponenter og kanaler/rørledninger kan forårsage flere fejl, ekstra vægt og lækageproblemer.
En anden ny køleteknologi er direkte væskekøling, også kendt som nedsænkningskøling, som nedsænker batteriet fuldstændigt i den dielektriske væske. Dette er en ikke-ledende væske med høj modstand mod elektrisk nedbrud. Introduktionen af ​​denne teknologi betyder, at kompleksiteten af ​​batteriproces og komponentdesign kan reduceres betydeligt, og det hjælper også med at reducere vægten og volumen af ​​systemet, hvilket væsentligt forbedrer stabiliteten og balancen af ​​batteritemperaturstyring. Nedsænkningskøling kan opvarme eller afkøle batteriet efter behov uden brug af varmeveksler, hvilket medfører betydelig effektivitetsforbedringer. Nedsænkningsafkøling af elektriske køretøjsbatterier er stadig i sin vorden, men der har været nogle anvendelsestilfælde, såsom det patenterede fuld-nedsænkningsbatterikernesystem fra Faraday Future [2], nedsænkningskøleteknologien fra Dakar Rally-bilen Audi RS Q e -tron [3], eller IMMERSIO skabt af Panasonic og Teslas tidligere medarbejdere ™ System [4].

Nedsænket kølesystem til Dakar Rally i Audi RS Q e-tron
Den dielektriske væske, der almindeligvis anvendes til nedsænkningskøling, er flammehæmmende, som kan hæmme den termiske løbehændelse. På nuværende tidspunkt er der flere grupper af kølemedier tilgængelige på markedet - hydrofluorether, kulbrinteolie, silikoneolie og fluoreret kulbrinte. Folk er mere og mere opmærksomme på bionedbrydelige dielektriske væsker.
Kølevæskens egenskaber spiller en vigtig rolle i termisk styring og bør opfylde følgende krav:
- God elektrisk isolering
-Høj specifik varmekapacitet og høj varmeledningsevne
-Ikke brændbart og/eller højt flammepunkt
-Nem at producere og kan leveres i store mængder
-Der er et passende driftstemperaturområde
-Lang holdbarhed af væske
Ud over de ovennævnte krav skal materialekompatibilitet, lav densitet, lav viskositet og miljøbeskyttelse også tages i betragtning ved valg af passende nedsænkningskølevæske.

Beskrivelse af forskellige kølemidler
Hydrofluorethere - Hydrofluorethere fra kraftelektronikapplikationer har fået stor opmærksomhed inden for nedsænkningskøling af rene elektriske køretøjer. Litteraturen viser, at dens køleeffektivitet er væsentligt forbedret sammenlignet med luftkølesystemet. På grund af hydrofluorethers ikke-antændelighed og næsten intet flammepunkt er systemsikkerheden også blevet forbedret. Ydeevnen af ​​dette hydrofluorether nedsænkningskølesystem i hele livscyklussen mangler at blive undersøgt. Derudover er tætheden af ​​HFE omkring 40 procent højere end for vand-glykol-systemet, hvilket har en negativ indvirkning på vægten og rækkevidden af ​​rene elektriske køretøjer. Derudover er materialeomkostninger og miljøbeskyttelse også vigtige faktorer, der hindrer brugen af ​​hydrofluorether i det termiske styringssystem for elektriske køretøjer.
Kulbrinter - herunder mineralolie, polymer - Olefin (PAO) og syntetisk kulbrinteolie. Kulbrinter er destillationsprodukter af petroleum, hvilket gør dem til lave omkostninger og lav toksicitet og egnede til nedsænkningskøling i det passende driftstemperaturområde. Ulempen ved disse væsker er, at de kan være brandfarlige og have et flammepunkt.

Estere - På grund af deres lave omkostninger, høje flammepunkt, gode dielektriske egenskaber og biologisk nedbrydelighed, er de blevet meget brugt i forskellige industrier. Estere er opdelt i syntetiske og naturlige. Syntetisk ester er produktet af kemisk reaktion mellem polyol og carboxylsyre, mens naturlig ester er produktet af vegetabilsk olie. De to kilder svarer også til forskellige egenskaber. Den syntetiske ester har god oxidationsstabilitet, hvilket har en positiv indvirkning på forlængelse af køretøjets vedligeholdelsesperiode; Men sammenlignet med naturlig ester er dens flammepunkt normalt lavere. Ulempen ved esterbaseret system er, at viskositeten stiger med ældningen af ​​materialet, og derefter falder dets kølekapacitet.
Den største fordel ved silikoneolie - silikoneolie er, at den har god temperaturmodstand og dielektriske egenskaber ved høje og lave temperaturer.
Vand/glykol - blanding af vand og glykol. Sammenlignet med andre systemer har vand/glykol relativt høj ledningsevne og termisk ledningsevne og har omkostningsfordele. Imidlertid begrænser ledningsevnen af ​​en glykolblanding af vandtypen kun dens anvendelse til indirekte væskekøling. I brugsprocessen er tætningsforanstaltningerne for det indirekte væskekølesystem meget vigtige, fordi dette kan forhindre blandingen i at lække til batteriet eller ledningerne og derefter kan forhindre kortslutning og endeligt termisk tab af kontrol. [5]

Kort sagt er der mange løsninger til termisk styring; Hos Detweeler mener vi, at det termiske styringssystem for rene elektriske køretøjer kan forbedres gennem korrekt brug af materialer og kompositter. Med den konstante udvikling af den mobile rejseindustri i retning af elektrificering, er fokus nu at støtte kølemiddelproducenter, leverandører på alle niveauer og OEM'er med at opgradere deres termiske styringssystemer; I denne forbindelse er Detwellers materialeekspertise blevet anvendt på et højt niveau. Kemisk kompatibilitet er nøglen til metoden til direkte nedsænkningskøling, fordi forskelligt kølemiddel kan føre til forskellige tætningsløsninger.
Ved valg af den bedste tætningsløsning til hvert dykkølesystem skal der udføres test. For så vidt angår elbilindustrien, ser perfluorpolyether (PFPE) ud til at være på forkant med kølemiddelpåføring på grund af deres ikke-brændbare og lave viskositetsegenskaber. Men uanset hvilken slags kølevæske der bruges på elektriske køretøjer, er det nødvendigt at sikre kompatibilitet med tætningsløsninger for at undgå korrosion/nedbrydning af tætninger over tid i dette barske miljø og forhindre de resulterende problemer. [1]
Sikkerheden er kritisk

Batterisystemets vigtigste sikkerhedsproblem er at forhindre brand og termisk løb. Fordi batterisystemet med dykkøling er direkte nedsænket i kølevæsken, skal hele området forsegles med specielle tætningselastomerkomponenter, og valget af elastomeren skal være korrekt. Det er bedre at have et vist niveau af kemisk resistens og vejrbestandighed gennem hele køretøjets levetid.
Hos Detwelle udfører vi eksperimenter og nøjagtige analyser på forskellige typer kølevæske i kontakt med forskellige materialer; Gennem disse tests kan vi bestemme, hvilke typer polymerer eller elastomerer, der er bedst egnede til at forsegle disse væsker.
Selv i simuleringsanalysefasen er en vigtig parameter, der skal kontrolleres, termisk ældning. Materialet er testet ved høj temperatur (op til 100 grader C) i lang tid (op til 1000 timer). Ifølge den første gruppe af tests for PFPE, silikoneolie og frøolie, fungerer formlen baseret på IC-DAT10 og IC-DAT30 fra DETWELLER godt i de fleste kølemidler og bør generelt bruges som valg af tætningsmaterialer. Hver IC-DAT-kode repræsenterer forskellige elastomerserier, så denne undersøgelse sammenligner ydeevnen af ​​forskellige polymerserier i den valgte væske.
Ifølge denne strenge testproces blev materialets fysiske egenskaber før og efter nedsænkning i disse væsker sammenlignet. Volumenændringen vist i figuren nedenfor bruges som en indikator for kemisk stabilitet over tid efter nedsænkning i kølevæske. Derudover har vi også kontrolleret og forstået den termiske stabilitet, ændringer i trækegenskaber, kompressionssæt og lækage.

Kemisk stabilitet resultater af standard gummiformel nedsænket i forskellige typer kølevæske (frøolie, silikoneolie og forskellige PFPE) til nedsænkningskølesystem
I den anden gruppe af test vist i figur 2 fokuserer vi på halogenfri, ikke-toksisk biologisk base og biologisk nedbrydeligt kølemiddel. Alle målte kølemidler er opdelt i to kategorier med globalt opvarmningspotentiale (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.
Volumenændringen af ​​standardgummiformlen efter nedsænkning i disse væsker viser, at de fleste af de testede gummiformler har tydelige ændringer. Det kan ses, at blandt alle de testede materialer er det kun formlen med koden for IC-DAT41, der er den egnede kandidatformel.

Kemisk stabilitet resultater af standard gummiformel nedsænket i specifik type biobaseret kølevæske til nedsænket kølesystem
Det spekuleres i, at polariteten af ​​tætningsmaterialet vil påvirke tætningselementets kemiske stabilitet. Ud over IC-DAT41 studerer Detweller andre kandidatmaterialer, der er egnede til brug som biobaserede nedsænkningskølemidler. Detweller bruger forskellige proprietære formuleringer til test og vælger til sidst, hvilken formulering der er det bedste tætningsmateriale til den specifikke testede kølevæske.