Mod pengurusan terma kenderaan elektrik tulen: penyejukan rendaman bateri

Dalam aplikasi baru elektrifikasi kereta, adalah sangat penting untuk menyejukkan dan memanaskan komponen elektrik untuk memastikannya pada suhu kerja yang optimum, kerana ini dapat menjamin hayat perkhidmatan dan kecekapan komponen elektrik. Oleh itu, sistem pengurusan haba yang sesuai adalah penting. Dalam erti kata lain, adalah perlu untuk mereka bentuk sistem pengurusan haba yang sesuai untuk komponen elektrik yang digunakan.
Jika suhu operasi bateri terlalu tinggi, ia boleh menyebabkan kehilangan kapasiti bateri, dan dalam kes yang melampau, ia boleh menyebabkan pelarian haba. Jika suhu operasi bateri terlalu rendah, ia boleh menyebabkan kecekapan bateri yang lebih rendah, rintangan yang lebih tinggi, kapasiti bateri yang lebih rendah dan pembentukan dendrit litium (lapisan penyaduran litium). Penyaduran litium akan membawa kepada penuaan dipercepatkan dan kegagalan teras bateri.
Matlamat pengurusan haba adalah untuk memastikan sistem berada pada suhu operasi yang optimum dan selamat. Lebih kompleks ialah suhu optimum sistem bateri mungkin berubah dengan perubahan mod operasi. Suhu optimum untuk pengecasan pantas mungkin berbeza daripada suhu untuk memandu atau tempat letak kereta (tempat letak kereta).
Pada masa ini, sistem pengurusan haba bateri yang digunakan terutamanya termasuk penyejukan gas, penyejukan cecair tidak langsung, penyejukan cecair langsung (juga dikenali sebagai penyejukan rendaman) dan bahan perubahan fasa. [1]

Penerangan tentang pelbagai sistem penyejukan
Sistem penyejukan udara paling banyak digunakan kerana reka bentuknya yang ringkas, kos rendah dan tiada kebocoran. Penyejukan udara dibahagikan kepada jenis aktif dengan perolakan paksa dan jenis pasif dengan perolakan semula jadi. Berbanding dengan cecair dan media lain, udara mempunyai kapasiti haba yang kecil (Cp=1.006 kJ/kgK pada suhu standard) dan kekonduksian terma yang rendah, jadi penyejukan udara tidak mungkin menjadi teknologi pilihan untuk kenderaan elektrik generasi akan datang dengan pek bateri yang lebih besar dan kelajuan pengecasan yang lebih pantas. [1]
Penyejukan cecair boleh dibahagikan kepada mod tidak langsung dan langsung. Berbanding dengan udara, penyejuk mempunyai kapasiti haba yang lebih besar dan kekonduksian terma yang lebih tinggi. Disebabkan oleh kawalan suhu yang seimbang, penyejukan cecair tidak langsung pada masa ini merupakan salah satu penyelesaian yang paling biasa digunakan dalam pengurusan haba bateri. Bahan penyejuk yang paling biasa digunakan ialah campuran air dan glikol. Prinsip penyejukan tidak langsung adalah untuk membiarkan penyejuk mengalir melalui saluran di bahagian bawah atau sisi modul sel/bateri untuk memindahkan haba daripada sistem.
Kesan penyejukan boleh dipertingkatkan dengan menggunakan bahan antara muka terma tertentu (TIM).
Berbanding dengan penyejukan udara, kelemahan penyejukan cecair tidak langsung ialah kerumitan sistem. Lebih banyak komponen dan saluran/talian paip boleh menyebabkan lebih banyak kegagalan, berat tambahan dan masalah kebocoran.
Satu lagi teknologi penyejukan yang muncul ialah penyejukan cecair langsung, juga dikenali sebagai penyejukan rendaman, yang merendam sepenuhnya bateri dalam cecair dielektrik. Ini adalah cecair tidak konduktif dengan rintangan yang tinggi terhadap kerosakan elektrik. Pengenalan teknologi ini bermakna bahawa kerumitan proses bateri dan reka bentuk komponen dapat dikurangkan dengan banyak, dan ia juga membantu mengurangkan berat dan isipadu sistem, meningkatkan kestabilan dan keseimbangan kawalan suhu bateri dengan ketara. Penyejukan rendaman boleh memanaskan atau menyejukkan bateri seperti yang diperlukan tanpa menggunakan penukar haba, yang membawa peningkatan kecekapan yang ketara. Penyejukan rendaman bateri kenderaan elektrik masih di peringkat awal, tetapi terdapat beberapa kes penggunaan, seperti sistem teras bateri rendaman penuh yang dipatenkan Faraday Future [2], teknologi penyejukan rendaman kereta Dakar Rally Audi RS Q e -tron [3], atau IMMERSIO yang dicipta oleh Panasonic dan bekas pekerja Sistem ™ Tesla [4].

Sistem penyejukan rendaman untuk Rali Dakar dalam Audi RS Q e-tron
Cecair dielektrik yang biasa digunakan dalam penyejukan rendaman adalah kalis api, yang boleh menghalang peristiwa pelarian haba. Pada masa ini, terdapat beberapa kumpulan media penyejuk yang terdapat di pasaran - hydrofluoroether, minyak hidrokarbon, minyak silikon dan hidrokarbon berfluorinasi. Orang ramai memberi lebih banyak perhatian kepada cecair dielektrik biodegradasi.
Ciri-ciri penyejuk memainkan peranan penting dalam pengurusan haba dan harus memenuhi keperluan berikut:
-Penebat elektrik yang baik
-Kapasiti haba tentu yang tinggi dan kekonduksian haba yang tinggi
-Tidak mudah terbakar dan/atau takat kilat tinggi
-Mudah dihasilkan dan boleh dibekalkan dalam kuantiti yang banyak
-Terdapat julat suhu operasi yang sesuai
- Jangka hayat cecair yang panjang
Sebagai tambahan kepada keperluan di atas, keserasian bahan, ketumpatan rendah, kelikatan rendah dan perlindungan alam sekitar juga mesti dipertimbangkan apabila memilih penyejuk rendaman yang sesuai.

Penerangan pelbagai penyejuk
Hydrofluoroethers - Hydrofluoroethers daripada aplikasi elektronik kuasa telah mendapat perhatian yang besar dalam bidang penyejukan rendaman kenderaan elektrik tulen. Kesusasteraan menunjukkan bahawa kecekapan penyejukannya meningkat dengan ketara berbanding dengan sistem penyejukan udara. Oleh kerana hidrofluoroeter tidak mudah terbakar dan hampir tiada takat kilat, keselamatan sistem juga telah dipertingkatkan. Prestasi sistem penyejukan rendaman hidrofluoroeter ini dalam keseluruhan kitaran hayat masih perlu dikaji. Di samping itu, ketumpatan HFE adalah kira-kira 40 peratus lebih tinggi daripada sistem glikol air, yang memberi kesan negatif terhadap berat dan julat kenderaan elektrik tulen. Selain itu, kos bahan dan perlindungan alam sekitar juga merupakan faktor penting yang menghalang penggunaan hidrofluoroeter dalam sistem pengurusan terma kenderaan elektrik.
Hidrokarbon - termasuk minyak mineral, polimer - Olefin (PAO) dan minyak hidrokarbon sintetik. Hidrokarbon ialah produk penyulingan petroleum, yang menjadikannya kos rendah dan ketoksikan rendah, dan sesuai untuk penyejukan rendaman dalam julat suhu operasi yang sesuai. Kelemahan cecair ini ialah ia mungkin mudah terbakar dan mempunyai takat kilat.

Ester - Kerana kosnya yang rendah, takat kilat yang tinggi, sifat dielektrik yang baik dan kebolehbiodegradan, ia telah digunakan secara meluas dalam pelbagai industri. Ester dibahagikan kepada sintetik dan semula jadi. Ester sintetik ialah hasil tindak balas kimia antara poliol dan asid karboksilik, manakala ester semula jadi adalah hasil daripada minyak sayuran. Kedua-dua sumber juga sepadan dengan atribut yang berbeza. Ester sintetik mempunyai kestabilan pengoksidaan yang baik, yang mempunyai kesan positif untuk melanjutkan tempoh penyelenggaraan kenderaan; Walau bagaimanapun, berbanding dengan ester semulajadi, takat kilatnya biasanya lebih rendah. Kelemahan sistem berasaskan ester ialah kelikatan meningkat dengan penuaan bahan, dan kemudian kapasiti penyejukannya berkurangan.
Kelebihan utama minyak silikon - minyak silikon ialah ia mempunyai rintangan suhu yang baik dan sifat dielektrik pada suhu tinggi dan rendah.
Air/glikol - campuran air dan glikol. Berbanding dengan sistem lain, air/glikol mempunyai kekonduksian yang agak tinggi dan kekonduksian terma, dan mempunyai kelebihan kos. Walau bagaimanapun, kekonduksian campuran glikol jenis air mengehadkan penggunaannya hanya untuk penyejukan cecair tidak langsung. Dalam proses penggunaan, langkah-langkah pengedap sistem penyejukan cecair tidak langsung adalah sangat penting, kerana ini boleh menghalang campuran daripada bocor ke bateri atau pendawaian, dan kemudian boleh menghalang litar pintas dan kehilangan kawalan haba akhir. [5]

Ringkasnya, terdapat banyak penyelesaian untuk pengurusan haba; Di Detweeler, kami percaya bahawa sistem pengurusan haba kenderaan elektrik tulen boleh dipertingkatkan melalui penggunaan bahan dan komposit yang betul. Dengan perkembangan mantap industri perjalanan mudah alih ke arah elektrifikasi, tumpuan kini adalah untuk menyokong pengeluar penyejuk, pembekal di semua peringkat dan OEM untuk menaik taraf sistem pengurusan haba mereka; Dalam hal ini, kepakaran material Detweller telah diterapkan pada tahap yang tinggi. Keserasian kimia adalah kunci kepada kaedah penyejukan rendaman langsung, kerana penyejuk yang berbeza boleh membawa kepada penyelesaian pengedap yang berbeza.
Apabila memilih penyelesaian pengedap terbaik untuk setiap sistem penyejukan rendaman, ujian mesti dijalankan. Setakat industri kenderaan elektrik, perfluoropoliether (PFPE) nampaknya berada di barisan hadapan dalam aplikasi penyejuk kerana ciri kelikatannya yang tidak mudah terbakar dan rendah. Walau bagaimanapun, tidak kira apa jenis penyejuk yang digunakan pada kenderaan elektrik, adalah perlu untuk memastikan keserasian dengan penyelesaian pengedap untuk mengelakkan kakisan/degradasi pengedap dari semasa ke semasa dalam persekitaran yang keras ini dan mengelakkan masalah yang terhasil. [1]
Keselamatan adalah kritikal

Masalah keselamatan yang paling penting bagi sistem bateri adalah untuk mengelakkan kebakaran dan pelarian haba. Oleh kerana sistem bateri dengan penyejukan rendaman direndam secara langsung dalam penyejuk, seluruh kawasan mesti dimeterai dengan komponen elastomer pengedap khas, dan pemilihan elastomer mestilah betul. Adalah lebih baik untuk mempunyai tahap rintangan kimia dan rintangan cuaca tertentu sepanjang kitaran hayat perkhidmatan kenderaan,.
Di Detwelle, kami sedang menjalankan eksperimen dan analisis tepat ke atas pelbagai jenis penyejuk yang bersentuhan dengan bahan yang berbeza; Melalui ujian ini, kita boleh menentukan jenis polimer atau elastomer yang paling sesuai untuk mengedap cecair ini.
Malah dalam peringkat analisis simulasi, parameter penting yang perlu dikawal ialah penuaan haba. Bahan diuji pada suhu tinggi (sehingga 100 darjah C) untuk masa yang lama (sehingga 1000 jam). Menurut kumpulan pertama ujian untuk PFPE, minyak silikon dan minyak biji, formula berdasarkan IC-DAT10 dan IC-DAT30 DETWELLER berfungsi dengan baik dalam kebanyakan penyejuk dan secara amnya harus digunakan sebagai pilihan bahan pengedap. Setiap kod IC-DAT mewakili siri elastomer yang berbeza, jadi kajian ini membandingkan prestasi siri polimer yang berbeza dalam cecair yang dipilih.
Mengikut proses ujian yang ketat ini, sifat fizikal bahan sebelum dan selepas rendaman dalam cecair ini dibandingkan. Perubahan isipadu yang ditunjukkan dalam rajah di bawah digunakan sebagai penunjuk kestabilan kimia dari semasa ke semasa selepas rendaman dalam penyejuk. Selain itu, kami juga menyemak dan memahami kestabilan terma, perubahan sifat tegangan, set mampatan dan kebocoran.

Keputusan kestabilan kimia formula getah standard yang direndam dalam pelbagai jenis penyejuk (minyak benih, minyak silikon dan pelbagai PFPE) untuk sistem penyejukan rendaman
Dalam kumpulan kedua ujian yang ditunjukkan dalam Rajah 2, kami menumpukan pada asas biologi bebas halogen, bukan toksik dan penyejuk terbiodegradasi. Semua penyejuk yang diukur dibahagikan kepada dua kategori dengan potensi pemanasan global (GWP) sebanyak 0 dan<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.
Perubahan isipadu formula getah standard selepas rendaman dalam cecair ini menunjukkan bahawa kebanyakan formula getah yang diuji mempunyai perubahan yang jelas. Dapat dilihat bahawa antara semua bahan yang diuji, hanya formula dengan kod IC-DAT41 adalah formula calon yang sesuai.

Keputusan kestabilan kimia formula getah standard yang direndam dalam jenis penyejuk berasaskan bio tertentu untuk sistem penyejukan rendaman
Adalah spekulasi bahawa kekutuban bahan pengedap akan menjejaskan kestabilan kimia unsur pengedap. Selain IC-DAT41, Detweller sedang mengkaji bahan calon lain yang sesuai untuk digunakan sebagai penyejuk rendaman berasaskan bio. Detweller menggunakan formulasi proprietari yang berbeza untuk ujian, dan akhirnya memilih formulasi mana yang merupakan bahan pengedap terbaik untuk bahan penyejuk khusus yang diuji.