Прорыв в термобезопасности: снижен шум и риск пожара зарядки электромобилей

Научно-исследовательская работа по решению проблемы чрезмерного шума, создаваемого быстрым зарядным устройством батареи электромобиля, привела к достижениям в термическом управлении, рассеивании тепла и снижении рисков пожара. D2H Advanced Technologies, британская специализированная инженерная компания, обнаружила, что шум возникает во время циклов быстрой зарядки автомобиля. Он был вызван высокими требованиями к насосной мощности охлаждающей жидкости, необходимой для рассеивания тепла батареи. Удовлетворив своего OEM-заказчика, D2H переключила фокус исследований непосредственно на термические требования серийно производимых литий-ионных батарей.

В батареях электромобилей накопление тепла может привести к ускоренной деградации или даже термическому бегству. Эта проблема может возникнуть, когда больший запас хода и более быстрая зарядка становятся необходимыми, чтобы убедить публику, что электричество, а не бензин или дизель — будущее источник энергии для личного транспорта. D2H — чьи клиенты включают McLaren, Chevrolet Racing и Formula E — работает с Croda, специализированной химической компанией, для решения этих вызовов.

Исследовательская работа D2H над проблемой шума электромобиля началась в 2019 году, когда автопроизводитель обратился к компании с просьбой определить точную причину проблемы. Была построена 32-элементная батарейная модуль для физического тестирования и подвергена различным потенциальным решениям охлаждения, включая погружение и холодные пластины. Результаты коррелировали через физические и вычислительные методы гидродинамики (CFD).

Жизненно важный дополнительный бонус

Использование диэлектрической жидкости Croda в системе погружения было признано ответом, требующим сниженной насосной мощности, особенно в ситуациях быстрой зарядки. «Вся батарея погружена в электрически неводящий охлаждающий состав», — объяснил Крис Херберт, директор по инженерии D2H. «Это приносит значительные преимущества через более низкие пиковые температуры элементов, позволяя более высокие C-рейты [скорость заряда/разряда батареи] и сниженные температурные градиенты внутри каждого элемента, ведущие к более долгой жизни батарейного пакета».

Но это создает вызов, потому что это отрицает использование водно-гликольной смеси с её высокой удельной теплоемкостью. Диэлектрические жидкости могут бороться, чтобы достичь половины этого, объяснил Херберт, что приводит к большим температурным градиентам по батарее от входа к выходу. Однако, с тщательным вниманием к внутренностям батареи и путям потока охлаждающей жидкости — в сочетании с разработкой Croda низковязкой, низкоплотной жидкости — «мы смогли смягчить это, сохраняя низкую насосную мощность», сказал Херберт.

D2H обнаружила, что теплопередача через пакет была намного эффективнее при использовании метода погружения с жидкостью Croda. «Мы подтвердили, что у неё есть потенциал облегчить вызов термического управления», — отметил Херберт. «Жизненно важный дополнительный бонус — высокая точка вспышки низковязких диэлектрических жидкостей, ведущая к возможности дальнейшего снижения риска пожара».

Исследования D2H в области тепла, генерируемого циклами быстрой зарядки, касаются как производительности батареи, так и долговечности. Роль Croda в работе считается существенной, вводя «новую» погружающую жидкость. «Учитывая преимущества охлаждения погружением, разработка продолжится», сказал Херберт. «Риски пожара снижаются, так как батарея работает холоднее. Погружение снижает вероятность воспламенения. И тепло — главная причина старения батареи и падения производительности».

Пути внутри пакета

Отчет исследователей Университета Калифорнии, Риверсайд, цитируемый Хербертом, обнаружил, что высокие температуры и сопротивление от таких циклов потенциально повреждают батареи, приводя к ускоренному износу и в экстремальных обстоятельствах — риску пожара. Исследователи обнаружили, что после 40 быстрых зарядов батареи имели около 60% от исходной емкости.

Обычно считается, что для автомобильных приложений литий-ионные батареи требуют замены, когда емкость падает ниже 80% — уровень, достигаемый всего после 25 циклов быстрой зарядки. Отчет заявил, что в этот момент возрастает риск воздействия электродов и электролита на воздух, повышая риск пожара или взрыва, особенно при температурах 60 °C и выше.

Несмотря на короткие временные рамки, D2H не рассматривала только чистую охлаждающую производительность. Успех каждого электромобиля зависит от успешной упаковки не меньше, чем от производительности и времени перезарядки. Херберт отметил, что погружающее охлаждение может иметь дополнительное преимущество: «Конструкции погружения избавляют от охлаждающей пластины и поэтому более компактны, что может создать возможность выделить больше места для самих элементов».

Хотя погружение на первый взгляд выглядит более тяжелым вариантом, исследования D2H предполагают, что тщательный дизайн путей внутри батарейного пакета должен позволить уменьшить размеры каналов без препятствия потоку, что приведет к снижению объема и веса охлаждающей жидкости.

«Улучшение термического управления, особенно рассеивания тепла во время циклов быстрой зарядки, имеет потенциал обеспечить большую плотность энергии, запас хода и жизнь в будущих итерациях — наряду с сниженными рисками пожара», — утверждал Херберт. «Расширенные исследования в этой области необходимы и наша экспериментальная работа вместе с Croda продолжается».

Статью написал Стюарт Бирч, европейский редактор, SAE Automotive Engineering. Для получения дополнительной информации о D2H посетите .