Gryno elektrinio automobilio šilumos valdymo režimas: aušinimas panardinant akumuliatorių

Taikant naują automobilių elektrifikavimo taikymą, labai svarbu vėsinti ir šildyti elektrinius komponentus, kad būtų išlaikyta optimali darbinė temperatūra, nes tai gali garantuoti elektrinių komponentų tarnavimo laiką ir efektyvumą. Todėl būtina tinkama šilumos valdymo sistema. Kitaip tariant, būtina suprojektuoti tinkamą naudojamų elektros komponentų šilumos valdymo sistemą.
Jei akumuliatoriaus darbinė temperatūra yra per aukšta, gali sumažėti baterijos talpa, o kraštutiniais atvejais - šiluminis nutekėjimas. Jei akumuliatoriaus darbinė temperatūra yra per žema, gali sumažėti akumuliatoriaus efektyvumas, padidėti atsparumas, sumažėti akumuliatoriaus talpa ir susidaryti ličio dendritas (ličio dengimo sluoksnis). Ličio dengimas pagreitins akumuliatoriaus senėjimą ir suges.
Šilumos valdymo tikslas – užtikrinti, kad sistemoje būtų optimali darbo ir saugi temperatūra. Sudėtingiau yra tai, kad keičiantis veikimo režimui gali keistis optimali akumuliatoriaus sistemos temperatūra. Optimali greitojo įkrovimo temperatūra gali skirtis nuo vairavimo ar stovėjimo (stovėjimo) temperatūros.
Šiuo metu baterijų šiluminio valdymo sistemos dažniausiai apima aušinimą dujomis, netiesioginį aušinimą skysčiu, tiesioginį aušinimą skysčiu (taip pat žinomą kaip panardinamasis aušinimas) ir fazių keitimo medžiagas. [1]

Įvairių aušinimo sistemų aprašymas
Oro aušinimo sistemos yra plačiausiai naudojamos dėl paprastos konstrukcijos, mažos kainos ir nesandarumo. Oro aušinimas skirstomas į aktyvųjį su priverstine konvekcija ir pasyvųjį su natūralia konvekcija. Palyginti su skystomis ir kitomis terpėmis, oro šiluminė talpa (Cp{0}}.006 kJ/kgK esant standartinei temperatūrai) ir žemas šilumos laidumas, todėl vargu ar aušinimas oru taps pageidaujama technologija naujos kartos elektromobiliams. su didesnėmis baterijomis ir didesniu įkrovimo greičiu. [1]
Aušinimas skysčiu gali būti skirstomas į netiesioginį ir tiesioginį režimus. Palyginti su oru, aušinimo skystis turi didesnę šiluminę talpą ir didesnį šilumos laidumą. Dėl subalansuotos temperatūros kontrolės netiesioginis aušinimas skysčiu šiuo metu yra vienas dažniausiai naudojamų baterijų šilumos valdymo sprendimų. Dažniausiai naudojamas aušinimo skystis yra vandens ir glikolio mišinys. Netiesioginio aušinimo principas yra leisti aušinimo skysčiui tekėti per kanalą, esantį elemento/baterijos modulio apačioje arba šone, kad būtų perduota šiluma iš sistemos.
Aušinimo efektą galima pagerinti naudojant specialias šiluminės sąsajos medžiagas (TIM).
Palyginti su oro aušinimu, netiesioginio aušinimo skysčiu trūkumas yra sistemos sudėtingumas. Daugiau komponentų ir kanalų / vamzdynų gali sukelti daugiau gedimų, papildomo svorio ir nuotėkio problemų.
Kita nauja aušinimo technologija yra tiesioginis aušinimas skysčiu, dar žinomas kaip panardinamasis aušinimas, kuris visiškai panardina akumuliatorių į dielektrinį skystį. Tai nelaidus skystis, pasižymintis dideliu atsparumu elektros gedimams. Šios technologijos įdiegimas reiškia, kad galima žymiai sumažinti akumuliatoriaus proceso ir komponentų projektavimo sudėtingumą, taip pat padeda sumažinti sistemos svorį ir tūrį, žymiai pagerinant akumuliatoriaus temperatūros valdymo stabilumą ir pusiausvyrą. Panardinamasis aušinimas gali šildyti arba vėsinti akumuliatorių pagal poreikį nenaudojant šilumokaičio, o tai žymiai pagerina efektyvumą. Elektrinių transporto priemonių akumuliatorių panardinamasis aušinimas vis dar yra ankstyvoje stadijoje, tačiau buvo kai kurių panaudojimo atvejų, pavyzdžiui, patentuota Faraday Future [2], Dakaro ralio automobilio Audi RS Q e panardinamojo aušinimo technologija. -tron [3] arba IMMERSIO, kurį sukūrė Panasonic ir Tesla buvę darbuotojai ™ System [4].

Dakaro ralio panardinama aušinimo sistema Audi RS Q e-tron
Dielektrinis skystis, dažniausiai naudojamas panardinamam aušinimui, yra antipirenas, o tai gali slopinti šiluminį įvykį. Šiuo metu rinkoje siūlomos kelios aušinimo terpių grupės – hidrofluoroeteris, angliavandenilių alyva, silikoninė alyva ir fluorintas angliavandenis. Žmonės vis daugiau dėmesio skiria biologiškai skaidomiems dielektriniams skysčiams.
Aušinimo skysčio charakteristikos vaidina svarbų vaidmenį valdant šilumą ir turi atitikti šiuos reikalavimus:
- Gera elektros izoliacija
-Didelė savitoji šiluminė talpa ir didelis šilumos laidumas
-Nedegus ir (arba) aukšta pliūpsnio temperatūra
- Lengva gaminti ir gali būti tiekiama dideliais kiekiais
- Yra tinkamas darbo temperatūros diapazonas
- Ilgas skysčio galiojimo laikas
Be aukščiau nurodytų reikalavimų, renkantis tinkamą panardinamą aušinimo skystį taip pat reikia atsižvelgti į medžiagų suderinamumą, mažą tankį, mažą klampumą ir aplinkos apsaugą.

Įvairių aušinimo skysčių aprašymas
Hidrofluoroeteriai – hidrofluoroeteriai iš galios elektronikos įrenginių sulaukė didelio dėmesio grynai elektrinių transporto priemonių panardinamojo aušinimo srityje. Literatūra rodo, kad jos aušinimo efektyvumas yra žymiai geresnis, palyginti su oro aušinimo sistema. Dėl hidrofluoroeterio nedegumo ir beveik jokios pliūpsnio temperatūros pagerėjo ir sistemos sauga. Šios hidrofluoroeterio panardinamosios aušinimo sistemos veikimas per visą gyvavimo ciklą dar turi būti ištirtas. Be to, HFE tankis yra maždaug 40 procentų didesnis nei vandens-glikolio sistemos, o tai daro neigiamą įtaką grynai elektrinių transporto priemonių svoriui ir diapazonui. Be to, medžiagų sąnaudos ir aplinkos apsauga taip pat yra svarbūs veiksniai, trukdantys naudoti hidrofluoroeterį elektromobilių šilumos valdymo sistemoje.
Angliavandeniliai – įskaitant mineralinę alyvą, polimerą – olefiną (PAO) ir sintetinę angliavandenilio alyvą. Angliavandeniliai yra naftos distiliavimo produktai, todėl jie yra pigūs ir mažai toksiški, tinkami panardinimui aušinti atitinkamame darbinės temperatūros diapazone. Šių skysčių trūkumas yra tas, kad jie gali būti degūs ir turėti pliūpsnio temperatūrą.

Esteriai – dėl mažos kainos, aukštos pliūpsnio temperatūros, gerų dielektrinių savybių ir biologinio skaidumo, jie buvo plačiai naudojami įvairiose pramonės šakose. Esteriai skirstomi į sintetinius ir natūralius. Sintetinis esteris yra cheminės reakcijos tarp poliolio ir karboksirūgšties produktas, o natūralus esteris yra augalinio aliejaus produktas. Abu šaltiniai taip pat atitinka skirtingus požymius. Sintetinis esteris turi gerą oksidacijos stabilumą, o tai teigiamai veikia transporto priemonės techninės priežiūros laikotarpio pailginimą; Tačiau, palyginti su natūraliu esteriu, jo pliūpsnio temperatūra paprastai yra mažesnė. Esteriu pagrįstos sistemos trūkumas yra tas, kad senstant medžiagai didėja klampumas, o tada sumažėja jos aušinimo pajėgumas.
Pagrindinis silikoninės alyvos – silikoninės alyvos privalumas yra geras atsparumas temperatūrai ir dielektrinės savybės aukštoje ir žemoje temperatūroje.
Vanduo/glikolis – vandens ir glikolio mišinys. Palyginti su kitomis sistemomis, vanduo/glikolis turi santykinai aukštą laidumą ir šilumos laidumą bei turi išlaidų pranašumų. Tačiau vandens tipo glikolio mišinio laidumas riboja jo naudojimą tik netiesioginiam skysčių aušinimui. Naudojimo procese labai svarbios netiesioginės skysčio aušinimo sistemos sandarinimo priemonės, nes tai gali užkirsti kelią mišinio nutekėjimui į akumuliatorių ar laidus, o tada gali užkirsti kelią trumpajam jungimui ir galutiniam šiluminiam valdymo praradimui. [5]

Trumpai tariant, yra daug šilumos valdymo sprendimų; Detweeler mano, kad grynai elektrinių transporto priemonių šilumos valdymo sistema gali būti patobulinta tinkamai naudojant medžiagas ir kompozitus. Nuolat tobulėjant mobiliųjų kelionių pramonei elektrifikacijos kryptimi, dabar pagrindinis dėmesys skiriamas aušinimo skysčių gamintojams, tiekėjams visais lygiais ir originalios įrangos gamintojams, siekiant atnaujinti savo šilumos valdymo sistemas; Šiuo atžvilgiu Detweller materialinė patirtis buvo pritaikyta aukštu lygiu. Cheminis suderinamumas yra raktas į tiesioginio panardinimo aušinimo metodą, nes dėl skirtingo aušinimo skysčio gali atsirasti skirtingų sandarinimo sprendimų.
Renkantis geriausią sandarinimo sprendimą kiekvienai panardinamojo aušinimo sistemai, reikia atlikti bandymus. Kalbant apie elektromobilių pramonę, atrodo, kad perfluorpolieteris (PFPE) yra aušinimo skysčio naudojimo priešakyje dėl savo nedegių ir mažo klampumo savybių. Tačiau nesvarbu, koks aušinimo skystis naudojamas elektrinėse transporto priemonėse, būtina užtikrinti suderinamumą su sandarinimo sprendimais, kad laikui bėgant šioje atšiaurioje aplinkoje būtų išvengta tarpiklių korozijos ir (arba) suirimo ir išvengta dėl to kylančių problemų. [1]
Saugumas yra labai svarbus

Svarbiausia akumuliatoriaus sistemos saugos problema yra užkirsti kelią gaisrui ir šilumos nutekėjimui. Kadangi akumuliatoriaus sistema su panardinamuoju aušinimu yra tiesiogiai panardinama į aušinimo skystį, visa vieta turi būti sandarinama specialiais sandarinimo elastomero komponentais, o elastomeras turi būti parinktas teisingai. Geriau turėti tam tikrą cheminio atsparumo lygį ir atsparumą oro sąlygoms per visą transporto priemonės eksploatavimo ciklą.
Detwelle atliekame įvairių tipų aušinimo skysčio, besiliečiančio su skirtingomis medžiagomis, eksperimentus ir tikslią analizę; Atlikdami šiuos bandymus galime nustatyti, kokių tipų polimerai ar elastomerai yra tinkamiausi šiems skysčiams sandarinti.
Net ir modeliavimo analizės etape svarbus parametras, kurį reikia kontroliuoti, yra terminis senėjimas. Medžiaga bandoma aukštoje temperatūroje (iki 100 laipsnių C) ilgą laiką (iki 1000 valandų). Remiantis pirmąja PFPE, silikoninio aliejaus ir sėklų aliejaus bandymų grupe, formulė, pagrįsta DETWELLER IC-DAT10 ir IC-DAT30, gerai veikia daugelyje aušinimo skysčių ir paprastai turėtų būti naudojama kaip sandarinimo medžiaga. Kiekvienas IC-DAT kodas žymi skirtingas elastomerų serijas, todėl šiame tyrime lyginamas skirtingų polimerų serijų veikimas pasirinktame skystyje.
Pagal šį griežtą bandymo procesą buvo palygintos fizinės medžiagos savybės prieš ir po panardinimo į šiuos skysčius. Toliau esančiame paveikslėlyje parodytas tūrio pokytis naudojamas kaip cheminio stabilumo rodiklis laikui bėgant po panardinimo į aušinimo skystį. Be to, mes taip pat patikrinome ir supratome terminį stabilumą, tempimo savybių pokyčius, suspaudimo rinkinį ir nuotėkį.

Standartinės gumos formulės, panardintos į įvairių tipų aušinimo skystį (sėklų aliejus, silikono aliejus ir įvairūs PFPE), cheminio stabilumo rezultatai panardinamojo aušinimo sistemai
Antroje bandymų grupėje, parodytoje 2 paveiksle, mes sutelkiame dėmesį į behalogeninę, netoksišką biologinę bazę ir biologiškai skaidų aušinimo skystį. Visi išmatuoti aušinimo skysčiai skirstomi į dvi kategorijas, kurių visuotinio atšilimo potencialas (GWP) yra 0 ir<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.
Standartinės gumos formulės tūrio pokytis po panardinimo į šiuos skysčius rodo, kad dauguma išbandytų guminių formulių turi akivaizdžių pokyčių. Matyti, kad iš visų išbandytų medžiagų tinkama kandidato formulė yra tik formulė su kodu IC-DAT41.

Standartinės gumos formulės, panardintos į tam tikro tipo biologinį aušinimo skystį, skirtą panardinamai aušinimo sistemai, cheminio stabilumo rezultatai
Spėjama, kad sandarinimo medžiagos poliškumas turės įtakos sandarinimo elemento cheminiam stabilumui. Be IC-DAT41, Detweller tiria kitas medžiagas, tinkamas naudoti kaip biologinius panardinamuosius aušinimo skysčius. Detweller bandymams naudoja skirtingas patentuotas formules ir galiausiai pasirenka, kuri formulė yra geriausia sandarinimo medžiaga konkrečiam išbandytam aušinimo skysčiui.