Иммерсивное решение для термобезопасных аккумуляторов электромобилей

Научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по решению проблемы чрезмерного шума, создаваемого устройством быстрой зарядки аккумулятора электромобиля, привели к достижениям в области управления температурным режимом, рассеивания тепла и снижения риска возгорания. Британская специализированная инженерная компания D2H Advanced Technologies обнаружила, что шум возникает во время циклов быстрой зарядки автомобиля. Это было вызвано высокими требованиями к мощности прокачки охлаждающей жидкости, необходимой для отвода тепла от батареи. Удовлетворенный OEM-клиент, D2H сосредоточила свои исследования непосредственно на тепловых требованиях серийного производства литий-ионных аккумуляторов.

В батареях электромобилей накопление тепла может привести к ускоренной деградации или даже тепловому разгону. Эта проблема может возникнуть по мере того, как большая дальность и более быстрая зарядка станут необходимыми, чтобы убедить общественность в том, что электричество, а не газ или дизель, является будущим источником энергии для личного транспорта. D2H, среди клиентов которой McLaren, Chevrolet Racing и Formula E, работает с Croda, специализированной химической компанией, для решения этих проблем.

Исследовательская работа D2H по проблеме шума электромобилей началась в 2019 году, когда автопроизводитель связался с компанией и спросил об окончательной причине проблемы. Был построен 32-элементный аккумуляторный модуль для физических испытаний, который подвергся различным возможным решениям по охлаждению, включая методы погружения и охлаждения. Результаты были сопоставлены с помощью методов физической и вычислительной гидродинамики (CFD).

Важное дополнительное преимущество

Использование диэлектрической жидкости Croda в иммерсионной системе было определено как ответ, требующий снижения мощности накачки, особенно в ситуациях быстрой зарядки. «Вся батарея погружена в неэлектропроводную охлаждающую жидкость, — пояснил Крис Хеберт, технический директор D2H. «Это дает значительные преимущества за счет более низких пиковых температур элемента, что позволяет повысить C-скорость [скорость, с которой аккумулятор заряжается/перезаряжается] и уменьшить температурные градиенты внутри каждого элемента, что приводит к увеличению срока службы аккумулятора».

Но это представляет собой проблему, поскольку исключает использование водно-гликолевого раствора с его высокой удельной теплоемкостью. По словам Хеберта, диэлектрические жидкости могут с трудом достигать половины этого значения, что приводит к большему температурному градиенту в аккумуляторе от входа к выходу. Однако, уделив особое внимание внутренним элементам аккумуляторной батареи и путям потока охлаждающей жидкости, а также совместно с компанией Croda, разработавшей жидкость с низкой вязкостью и низкой плотностью, «мы смогли смягчить это, сохранив при этом низкую мощность насоса», — сказал Хеберт. /Р>

Компания D2H обнаружила, что теплопередача через упаковку была намного более эффективной при использовании иммерсионного метода с жидкостью Croda. «Мы подтвердили, что это может облегчить задачу управления температурным режимом», — отметил Хеберт. «Важным дополнительным преимуществом является высокая температура воспламенения диэлектрических жидкостей с низкой вязкостью, что дает возможность дальнейшего снижения риска возгорания».

Исследование D2H тепла, выделяемого циклами быстрой зарядки, касается как производительности батареи, так и ее долговечности. Роль Croda в работе считается важной, поскольку он представляет «новую» иммерсивную жидкость. «Учитывая преимущества иммерсионного охлаждения, разработка будет продолжена», — сказал Хеберт. «Риски возгорания снижаются, поскольку батарея охлаждается. Такое погружение снижает вероятность воспламенения. А тепло — основная причина старения батареи и снижения производительности».

Пути внутри пакета

Отчет исследователей из Калифорнийского университета в Риверсайде, на который ссылается Хеберт, показал, что высокие температуры и устойчивость к таким циклам потенциально могут повредить батареи, что приведет к ускоренному износу и, в экстремальных обстоятельствах, к риску возгорания. Исследователи обнаружили, что после 40 быстрых зарядок аккумуляторы сохраняли около 60 % своей первоначальной емкости.

Обычно считается, что для автомобильных приложений литий-ионные аккумуляторы требуют замены, когда емкость падает ниже 80% — уровень, который достигается всего после 25 циклов быстрой зарядки. В отчете говорится, что в этот момент существует повышенный риск контакта электродов и электролитов с воздухом, что повышает риск возгорания или взрыва, особенно при температуре 60 °C и выше.

Несмотря на короткие временные рамки, D2H уделяла внимание не только производительности охлаждения. Доверие к каждому электромобилю зависит как от удачной упаковки, так и от производительности и времени перезарядки. Хеберт отметил, что иммерсивное охлаждение может иметь еще одно преимущество:«Погружные конструкции обходятся без охлаждающей пластины и, следовательно, более компактны, что может дать возможность выделить больше места для реальных ячеек».

Хотя погружение на первый взгляд кажется более тяжелым вариантом, исследования D2H показывают, что тщательная конструкция путей внутри аккумуляторной батареи должна позволить уменьшить размеры галереи, не препятствуя потоку, что приведет к уменьшению объема и веса охлаждающей жидкости.

«Улучшение управления температурой, особенно рассеивание тепла во время циклов быстрой зарядки, может обеспечить большую плотность мощности, диапазон и срок службы в будущих итерациях — наряду с уменьшением риска возгорания», — заявил Хеберт. «Необходимы расширенные исследования в этой области, и наша экспериментальная работа с Croda продолжается».

Эта статья была написана Стюартом Берчем, европейским редактором SAE Автомобилестроение. Дополнительную информацию о D2H см. здесь .