Режим терморегулирования чисто электромобиля: иммерсионное охлаждение аккумулятора

В новом применении автомобильной электрификации очень важно охлаждать и нагревать электрические компоненты, чтобы поддерживать их оптимальную рабочую температуру, потому что это может гарантировать срок службы и эффективность электрических компонентов. Поэтому необходима соответствующая система терморегулирования. Другими словами, необходимо разработать подходящую систему терморегулирования для используемых электрических компонентов.
Если рабочая температура батареи слишком высока, это может привести к потере емкости батареи, а в крайних случаях - к тепловому разгону. Если рабочая температура батареи слишком низкая, это может привести к снижению эффективности батареи, повышению сопротивления, снижению емкости батареи и образованию литиевого дендрита (слоя литиевого покрытия). Литиевое покрытие приведет к ускоренному старению и выходу из строя сердечника батареи.
Целью управления температурным режимом является обеспечение оптимальной рабочей и безопасной температуры системы. Более сложным является то, что оптимальная температура аккумуляторной системы может меняться при изменении режима работы. Оптимальная температура для быстрой зарядки может отличаться от температуры вождения или стоянки (стоянки).
В настоящее время используемые системы управления температурой батареи в основном включают газовое охлаждение, непрямое жидкостное охлаждение, прямое жидкостное охлаждение (также известное как иммерсионное охлаждение) и материалы с фазовым переходом. [1]

Описание различных систем охлаждения
Системы воздушного охлаждения получили наибольшее распространение благодаря простоте конструкции, низкой стоимости и отсутствию утечек. Воздушное охлаждение делится на активное с принудительной конвекцией и пассивное с естественной конвекцией. По сравнению с жидкостью и другими средами воздух имеет небольшую теплоемкость (Cp=1,006 кДж/кг·К при стандартной температуре) и низкую теплопроводность, поэтому воздушное охлаждение вряд ли станет предпочтительной технологией для электромобилей следующего поколения. с большими аккумуляторными блоками и более быстрой скоростью зарядки. [1]
Жидкостное охлаждение можно разделить на косвенное и прямое. По сравнению с воздухом теплоноситель обладает большей теплоемкостью и более высокой теплопроводностью. Благодаря сбалансированному контролю температуры непрямое жидкостное охлаждение в настоящее время является одним из наиболее часто используемых решений для управления температурой аккумуляторов. Наиболее часто используемая охлаждающая жидкость представляет собой смесь воды и гликоля. Принцип непрямого охлаждения заключается в том, чтобы позволить хладагенту течь через канал в нижней или боковой части элемента/батарейного модуля для передачи тепла из системы.
Охлаждающий эффект можно улучшить, используя специальные материалы для теплового интерфейса (TIM).
По сравнению с воздушным охлаждением недостатком непрямого жидкостного охлаждения является сложность системы. Большее количество компонентов и каналов/трубопроводов может привести к большему количеству отказов, лишнему весу и проблемам с утечками.
Другой новой технологией охлаждения является прямое жидкостное охлаждение, также известное как иммерсионное охлаждение, при котором батарея полностью погружается в диэлектрическую жидкость. Это непроводящая жидкость с высокой устойчивостью к электрическому пробою. Внедрение этой технологии означает, что сложность процесса производства батареи и конструкции компонентов может быть значительно снижена, а также помогает уменьшить вес и объем системы, значительно улучшая стабильность и баланс контроля температуры батареи. Иммерсионное охлаждение может нагревать или охлаждать батарею по мере необходимости без использования теплообменника, что значительно повышает эффективность. Иммерсионное охлаждение аккумуляторов электромобилей все еще находится в зачаточном состоянии, но были некоторые варианты использования, такие как запатентованная система полного погружения батареи Faraday Future [2], технология иммерсионного охлаждения автомобиля Audi RS Q e для ралли Дакар. -tron [3], или IMMERSIO, созданная бывшими сотрудниками Panasonic и Tesla™ System [4].

Иммерсионная система охлаждения для ралли Дакар в Audi RS Q e-tron
Диэлектрическая жидкость, обычно используемая в иммерсионном охлаждении, является огнестойкой, что может препятствовать тепловому разгону. В настоящее время на рынке доступно несколько групп охлаждающих сред - гидрофторэфир, углеводородное масло, силиконовое масло и фторированный углеводород. Люди все больше внимания уделяют биоразлагаемым диэлектрическим жидкостям.
Характеристики охлаждающей жидкости играют важную роль в управлении температурным режимом и должны соответствовать следующим требованиям:
-Хорошая электрическая изоляция
-Высокая удельная теплоемкость и высокая теплопроводность
- Негорючий и/или с высокой температурой воспламенения
- Простота производства и возможность поставки в больших количествах
- Имеется подходящий диапазон рабочих температур
-длительный срок хранения жидкости
В дополнение к вышеперечисленным требованиям при выборе подходящего иммерсионного хладагента также необходимо учитывать совместимость материалов, низкую плотность, низкую вязкость и защиту от окружающей среды.

Описание различных охлаждающих жидкостей
Гидрофторэфиры. Гидрофторэфиры, применяемые в силовой электронике, привлекли большое внимание в области иммерсионного охлаждения электромобилей. В литературе показано, что его эффективность охлаждения значительно улучшается по сравнению с системой воздушного охлаждения. Благодаря негорючести гидрофторэфира и практически отсутствию температуры вспышки безопасность системы также была повышена. Рабочие характеристики этой иммерсионной системы охлаждения на гидрофторэфире в течение всего жизненного цикла еще предстоит изучить. Кроме того, плотность HFE примерно на 40 процентов выше, чем у водно-гликолевой системы, что отрицательно сказывается на массе и запасе хода чисто электрических транспортных средств. Кроме того, стоимость материалов и защита окружающей среды также являются важными факторами, препятствующими использованию гидрофторэфира в системе управления температурой электромобилей.
Углеводороды - в том числе минеральное масло, полимер - олефин (ПАО) и синтетическое углеводородное масло. Углеводороды являются продуктами перегонки нефти, что делает их дешевыми и малотоксичными, а также пригодными для иммерсионного охлаждения в соответствующем диапазоне рабочих температур. Недостатком этих жидкостей является то, что они могут быть легковоспламеняющимися и иметь температуру вспышки.

Сложные эфиры. Из-за их низкой стоимости, высокой температуры вспышки, хороших диэлектрических свойств и способности к биологическому разложению они широко используются в различных отраслях промышленности. Эфиры делятся на синтетические и натуральные. Синтетический эфир является продуктом химической реакции между полиолом и карбоновой кислотой, а природный эфир – продуктом растительного масла. Два источника также соответствуют разным атрибутам. Синтетический эфир обладает хорошей устойчивостью к окислению, что положительно сказывается на продлении срока эксплуатации автомобиля; Однако по сравнению с природным эфиром его температура воспламенения обычно ниже. Недостатком системы на основе сложного эфира является то, что по мере старения материала вязкость увеличивается, а затем снижается его охлаждающая способность.
Основное преимущество силиконового масла - силиконового масла в том, что оно обладает хорошей термостойкостью и диэлектрическими свойствами при высоких и низких температурах.
Вода/гликоль – смесь воды и гликоля. По сравнению с другими системами вода/гликоль имеет относительно высокую проводимость и теплопроводность, а также имеет преимущества по стоимости. Однако проводимость гликолевой смеси водного типа ограничивает ее использование только для непрямого жидкостного охлаждения. В процессе использования меры по герметизации системы непрямого жидкостного охлаждения очень важны, потому что это может предотвратить утечку смеси на аккумулятор или проводку, а затем может предотвратить короткое замыкание и окончательную тепловую потерю управления. [5]

Короче говоря, существует множество решений для управления температурным режимом; В Detweeler мы считаем, что систему терморегулирования электромобилей можно улучшить за счет правильного использования материалов и композитов. В связи с неуклонным развитием индустрии мобильных путешествий в направлении электрификации в настоящее время основное внимание уделяется поддержке производителей охлаждающих жидкостей, поставщиков на всех уровнях и OEM-производителей в обновлении их систем управления температурным режимом; В этом отношении, материальная экспертиза Detweller была применена на высоком уровне. Химическая совместимость является ключом к методу прямого охлаждения погружением, поскольку разные хладагенты могут привести к различным решениям для уплотнения.
При выборе наилучшего уплотнительного решения для каждой системы иммерсионного охлаждения необходимо провести испытания. Что касается индустрии электромобилей, перфторполиэфир (ПФПЭ), по-видимому, находится на переднем крае применения охлаждающей жидкости из-за его негорючих характеристик и низкой вязкости. Однако независимо от того, какая охлаждающая жидкость используется в электромобилях, необходимо обеспечить совместимость с уплотнительными решениями, чтобы избежать коррозии/деградации уплотнений с течением времени в этих суровых условиях и предотвратить возникающие проблемы. [1]
Безопасность имеет решающее значение

Наиболее важной проблемой безопасности аккумуляторной системы является предотвращение возгорания и теплового разгона. Поскольку аккумуляторная система с иммерсионным охлаждением непосредственно погружена в охлаждающую жидкость, вся область должна быть герметизирована специальными уплотнительными эластомерными компонентами, а выбор эластомера должен быть правильным. Лучше иметь определенный уровень химической стойкости и атмосферостойкости на протяжении всего жизненного цикла автомобиля.
В Detwelle мы проводим эксперименты и точный анализ различных типов охлаждающих жидкостей, находящихся в контакте с различными материалами; С помощью этих тестов мы можем определить, какие типы полимеров или эластомеров наиболее подходят для герметизации этих жидкостей.
Еще на этапе анализа моделирования важным параметром, который необходимо контролировать, является тепловое старение. Материал испытывается при высокой температуре (до 100 градусов С) в течение длительного времени (до 1000 часов). Согласно первой группе испытаний для PFPE, силиконового масла и растительного масла, формула на основе IC-DAT10 и IC-DAT30 компании DETWELLER хорошо работает с большинством охлаждающих жидкостей и, как правило, должна использоваться в качестве материала для уплотнений. Каждый код IC-DAT представляет разные серии эластомеров, поэтому в этом исследовании сравниваются характеристики разных серий полимеров в выбранной жидкости.
В соответствии с этим строгим процессом испытаний сравнивались физические свойства материала до и после погружения в эти жидкости. Изменение объема, показанное на рисунке ниже, используется в качестве индикатора химической стабильности с течением времени после погружения в охлаждающую жидкость. Кроме того, мы также проверили и поняли термическую стабильность, изменения свойств при растяжении, остаточную деформацию при сжатии и утечку.

Результаты химической стабильности стандартной резиновой смеси, погруженной в различные типы охлаждающей жидкости (масло семян, силиконовое масло и различные ПФПЭ) для иммерсионной системы охлаждения
Во второй группе испытаний, показанной на рисунке 2, мы ориентируемся на безгалогенную, нетоксичную биологическую основу и биоразлагаемую охлаждающую жидкость. Все измеренные хладагенты делятся на две категории с потенциалом глобального потепления (ПГП) 0 и<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.
Изменение объема стандартной резиновой смеси после погружения в эти жидкости показывает, что большинство испытанных резиновых формул имеют явные изменения. Видно, что среди всех испытанных материалов только формула с кодом IC-DAT41 является подходящей формулой-кандидатом.

Результаты химической стабильности стандартной резиновой смеси, погруженной в определенный тип охлаждающей жидкости на биологической основе для иммерсионной системы охлаждения
Предполагается, что полярность уплотнительного материала влияет на химическую стабильность уплотнительного элемента. В дополнение к IC-DAT41 Детвеллер изучает другие материалы-кандидаты, подходящие для использования в качестве иммерсионных хладагентов на биологической основе. Detweller использует различные запатентованные составы для испытаний и, наконец, выбирает, какой состав является лучшим уплотнительным материалом для конкретной тестируемой охлаждающей жидкости.