A tisztán elektromos jármű hőkezelési módja: akkumulátoros hűtés

Az autóvillamosítás új alkalmazásában nagyon fontos az elektromos alkatrészek hűtése és fűtése, hogy azok optimális üzemi hőmérsékleten maradjanak, mert ezzel garantálható az elektromos alkatrészek élettartama és hatékonysága. Ezért elengedhetetlen a megfelelő hőkezelési rendszer. Vagyis a felhasznált elektromos alkatrészekhez megfelelő hőkezelési rendszert kell kialakítani.
Ha az akkumulátor üzemi hőmérséklete túl magas, az az akkumulátor kapacitásának csökkenéséhez, szélsőséges esetben pedig hőkieséshez vezethet. Ha az akkumulátor üzemi hőmérséklete túl alacsony, az az akkumulátor hatékonyságának csökkenéséhez, nagyobb ellenálláshoz, alacsonyabb akkumulátorkapacitáshoz és lítium-dendrit (lítium bevonóréteg) kialakulásához vezethet. A lítium bevonat felgyorsult öregedéshez és az akkumulátormag meghibásodásához vezet.
A hőkezelés célja a rendszer optimális működési és biztonságos hőmérsékletének biztosítása. Bonyolultabb, hogy az akkumulátorrendszer optimális hőmérséklete az üzemmód változásával változhat. A gyorstöltés optimális hőmérséklete eltérhet a vezetés vagy parkolás (parkolás) hőmérsékletétől.
Jelenleg az akkumulátoros hőkezelési rendszerek főként gázhűtést, közvetett folyadékhűtést, közvetlen folyadékhűtést (más néven merülőhűtést) és fázisváltó anyagokat tartalmaznak. [1]

Különféle hűtőrendszerek leírása
A léghűtési rendszereket egyszerű felépítésük, alacsony költségük és szivárgásmentességük miatt használják a legszélesebb körben. A léghűtés kényszerkonvekciós aktív és természetes konvekciós passzív típusra oszlik. A folyékony és más közegekkel összehasonlítva a levegő kis hőkapacitású (Cp=1.006 kJ/kgK normál hőmérsékleten) és alacsony hővezető képességgel rendelkezik, így nem valószínű, hogy a léghűtés lesz a preferált technológia az elektromos járművek következő generációjában. nagyobb akkumulátorcsomagokkal és gyorsabb töltési sebességgel. [1]
A folyadékhűtés közvetett és közvetlen módokra osztható. A levegőhöz képest a hűtőfolyadék nagyobb hőkapacitással és nagyobb hővezető képességgel rendelkezik. A kiegyensúlyozott hőmérsékletszabályozásnak köszönhetően a közvetett folyadékhűtés jelenleg az egyik leggyakrabban alkalmazott megoldás az akkumulátoros hőkezelésben. A leggyakrabban használt hűtőfolyadék víz és glikol keveréke. A közvetett hűtés elve az, hogy a hűtőfolyadékot a cella/akkumulátor modul alján vagy oldalán lévő csatornán keresztül áramolják, hogy a hőt átadják a rendszerből.
A hűtési hatás speciális termikus felületi anyagok (TIM) használatával javítható.
A léghűtéshez képest a közvetett folyadékhűtés hátránya a rendszer bonyolultsága. Több alkatrész és csatorna/csővezeték több meghibásodást, nagyobb súlyt és szivárgási problémákat okozhat.
Egy másik feltörekvő hűtési technológia a közvetlen folyadékhűtés, más néven immerziós hűtés, amely teljesen elmeríti az akkumulátort a dielektromos folyadékban. Ez egy nem vezető folyadék, nagy ellenállással az elektromos meghibásodásokkal szemben. Ennek a technológiának a bevezetése azt jelenti, hogy nagymértékben csökkenthető az akkumulátor folyamatának és a komponensek tervezésének bonyolultsága, valamint hozzájárul a rendszer tömegének és térfogatának csökkentéséhez, jelentősen javítva az akkumulátor hőmérséklet-szabályozásának stabilitását és egyensúlyát. A merülőhűtés hőcserélő használata nélkül igény szerint fűti vagy hűti az akkumulátort, ami jelentős hatékonyságjavulást hoz. Az elektromos járművek akkumulátorainak merülőhűtése még gyerekcipőben jár, de előfordult néhány felhasználási eset, mint például a Faraday Future [2] szabadalmaztatott teljes merülő akkumulátor-magrendszere, a Dakar Rally autó, az Audi RS Q e merülőhűtéses technológiája. -tron [3], vagy a Panasonic és a Tesla korábbi alkalmazottai által létrehozott IMMERSIO ™ System [4].

Merülő hűtőrendszer a Dakar Rallyhoz az Audi RS Q e-tronban
A merülő hűtéshez általánosan használt dielektromos folyadék égésgátló, ami gátolhatja a hőkifutási eseményt. Jelenleg a hűtőközegek több csoportja is elérhető a piacon - fluoro-éter, szénhidrogén olaj, szilikonolaj és fluorozott szénhidrogén. Az emberek egyre nagyobb figyelmet fordítanak a biológiailag lebomló dielektromos folyadékokra.
A hűtőfolyadék jellemzői fontos szerepet játszanak a hőkezelésben, és meg kell felelniük a következő követelményeknek:
- Jó elektromos szigetelés
-Nagy fajlagos hőkapacitás és magas hővezető képesség
- Nem gyúlékony és/vagy magas lobbanáspont
- Könnyen előállítható és nagy mennyiségben szállítható
- Megfelelő üzemi hőmérsékleti tartomány van
- A folyadék hosszú eltarthatósága
A megfelelő merülő hűtőközeg kiválasztásakor a fenti követelmények mellett az anyagkompatibilitást, az alacsony sűrűséget, az alacsony viszkozitást és a környezetvédelmet is figyelembe kell venni.

Különféle hűtőfolyadékok leírása
Hidrofluor-éterek – A teljesítményelektronikai alkalmazásokból származó hidrofluor-éterek nagy figyelmet kaptak a tisztán elektromos járművek merülőhűtése terén. A szakirodalom azt mutatja, hogy a hűtési hatékonysága jelentősen javult a léghűtő rendszerhez képest. A hidrofluor-éter nem gyúlékonysága és szinte nincs lobbanáspontja, a rendszer biztonsága is javult. Ennek a hidrofluor-éteres merülő hűtőrendszernek a teljesítménye a teljes életciklus során még tanulmányozásra vár. Ráadásul a HFE sűrűsége körülbelül 40 százalékkal nagyobb, mint a víz-glikol rendszeré, ami negatív hatással van a tisztán elektromos járművek tömegére és hatótávolságára. Emellett az anyagköltség és a környezetvédelem is fontos tényező, amely akadályozza a hidrofluor-éter használatát az elektromos járművek hőkezelési rendszerében.
Szénhidrogének - beleértve az ásványolajat, polimert - Olefin (PAO) és szintetikus szénhidrogén olaj. A szénhidrogének a kőolaj desztillációs termékei, ami miatt olcsók és alacsony toxicitásúak, és alkalmasak merülőhűtésre a megfelelő üzemi hőmérsékleti tartományban. Ezeknek a folyadékoknak a hátránya, hogy gyúlékonyak és lobbanáspontjuk van.

Észterek – Alacsony költségük, magas lobbanáspontjuk, jó dielektromos tulajdonságaik és biológiai lebonthatóságuk miatt széles körben alkalmazzák a különböző iparágakban. Az észtereket szintetikus és természetes észterekre osztják. A szintetikus észter a poliol és a karbonsav kémiai reakciójának terméke, míg a természetes észter a növényi olaj terméke. A két forrás különböző tulajdonságoknak is megfelel. A szintetikus észter jó oxidációs stabilitással rendelkezik, ami pozitív hatással van a jármű karbantartási időszakának meghosszabbítására; A természetes észterhez képest azonban lobbanáspontja általában alacsonyabb. Az észter alapú rendszer hátránya, hogy az anyag öregedésével nő a viszkozitása, majd csökken a hűtőképessége.
A szilikonolaj - szilikonolaj - fő előnye, hogy jó hőállósággal és dielektromos tulajdonságokkal rendelkezik magas és alacsony hőmérsékleten.
Víz/glikol – víz és glikol keveréke. Más rendszerekhez képest a víz/glikol viszonylag magas vezetőképességgel és hővezető képességgel rendelkezik, és költségelőnyök is vannak. A víz típusú glikol keverék vezetőképessége azonban csak közvetett folyadékhűtésre korlátozza a használatát. A használat során nagyon fontosak a közvetett folyadékhűtési rendszer tömítési intézkedései, mivel ez megakadályozhatja, hogy a keverék az akkumulátorhoz vagy a vezetékekhez szivárogjon, majd megakadályozza a rövidzárlatot és a végső hőveszteséget. [5]

Röviden: számos megoldás létezik a hőkezelésre; A Detweelernél hiszünk abban, hogy a tisztán elektromos járművek hőkezelési rendszere javítható az anyagok és a kompozitok megfelelő felhasználásával. A mobil utazási ágazat folyamatos fejlődésével a villamosítás irányába, a hangsúly most a hűtőfolyadék-gyártók, a beszállítók minden szinten és az OEM-ek támogatásán van a hőkezelési rendszereik korszerűsítésében; E tekintetben a Detweller anyagi szakértelmét magas szinten alkalmazták. A kémiai kompatibilitás a kulcsa a közvetlen merülő hűtési módszernek, mert a különböző hűtőfolyadékok eltérő tömítési megoldásokat eredményezhetnek.
A legjobb tömítési megoldás kiválasztásakor minden merülő hűtőrendszerhez teszteket kell végezni. Ami az elektromos járműipart illeti, úgy tűnik, hogy a perfluor-poliéter (PFPE) a hűtőfolyadék-felhasználás élvonalába tartozik, mivel nem gyúlékony és alacsony viszkozitású. Mindazonáltal, függetlenül attól, hogy milyen hűtőfolyadékot használnak az elektromos járműveken, gondoskodni kell a tömítési megoldásokkal való kompatibilitásról, hogy elkerülhető legyen a tömítések korróziója/romlása ebben a zord környezetben, és megelőzzük az ebből eredő problémákat. [1]
A biztonság kritikus

Az akkumulátorrendszer legfontosabb biztonsági problémája a tűz és a hőkitörés megakadályozása. Mivel a merülőhűtésű akkumulátorrendszer közvetlenül a hűtőfolyadékba merül, az egész területet speciális tömítő elasztomer alkatrészekkel kell lezárni, és az elasztomer kiválasztását helyesen kell elvégezni. Jobb, ha a jármű teljes élettartama alatt bizonyos szintű vegyszerállóság és időjárásállóság áll fenn.
A Detwelle-nél kísérleteket és pontos elemzéseket végzünk a különféle anyagokkal érintkező különféle típusú hűtőfolyadékokon; Ezekkel a tesztekkel meg tudjuk határozni, hogy milyen típusú polimerek vagy elasztomerek a legalkalmasabbak ezeknek a folyadékoknak a lezárására.
Még a szimulációs elemzési szakaszban is fontos paraméter, amelyet ellenőrizni kell, a termikus öregedés. Az anyagot magas hőmérsékleten (akár 100 C fokon) hosszú ideig (akár 1000 óráig) tesztelik. A PFPE-re, szilikonolajra és magolajra vonatkozó tesztek első csoportja szerint a DETWELLER IC-DAT10 és IC-DAT30 alapú formulája a legtöbb hűtőfolyadékban jól teljesít, és általában ezt kell használni tömítőanyagként. Minden IC-DAT kód különböző elasztomer sorozatokat jelöl, ezért ez a tanulmány összehasonlítja a különböző polimer sorozatok teljesítményét a kiválasztott folyadékban.
Ennek a szigorú vizsgálati eljárásnak megfelelően hasonlították össze az anyag fizikai tulajdonságait ezekbe a folyadékokba merítés előtt és után. Az alábbi ábrán látható térfogatváltozást a hűtőfolyadékba merítés utáni kémiai stabilitás mutatójaként használják. Ezenkívül ellenőriztük és megértettük a hőstabilitást, a húzótulajdonság-változásokat, a kompressziós készletet és a szivárgást.

Különböző típusú hűtőfolyadékba (magolaj, szilikonolaj és különféle PFPE) merített szabványos gumi formula kémiai stabilitási eredményei a merülő hűtőrendszerhez
A 2. ábrán látható második tesztcsoportban a halogénmentes, nem toxikus biológiai bázisra és biológiailag lebomló hűtőfolyadékra helyezzük a hangsúlyt. Minden mért hűtőfolyadék két kategóriába sorolható, amelyek globális felmelegedési potenciálja (GWP) 0 és<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.
A szabványos gumiformula térfogatváltozása ezekbe a folyadékokba való merítés után azt mutatja, hogy a legtöbb vizsgált gumiformula nyilvánvaló változásokat mutat. Látható, hogy az összes vizsgált anyag közül csak az IC-DAT41 kódú képlet a megfelelő jelölt képlet.

Kémiai stabilitási eredmények a szabványos gumi formula speciális típusú bioalapú hűtőfolyadékba merítve merülő hűtőrendszerhez
Feltételezik, hogy a tömítőanyag polaritása befolyásolja a tömítőelem kémiai stabilitását. Az IC-DAT41 mellett a Detweller más anyagokat is tanulmányoz, amelyek alkalmasak bioalapú merülő hűtőközegként való használatra. A Detweller különböző szabadalmaztatott készítményeket használ a teszteléshez, és végül kiválasztja, hogy melyik készítmény a legjobb tömítőanyag az adott vizsgált hűtőfolyadékhoz.