Saf elektrikli aracın termal yönetim modu: pil daldırmalı soğutma

Otomobil elektrifikasyonunun yeni uygulamasında, elektrikli bileşenlerin servis ömrünü ve verimliliğini garanti edebildiğinden, elektrikli bileşenleri optimum çalışma sıcaklığında tutmak için soğutmak ve ısıtmak çok önemlidir. Bu nedenle, uygun bir termal yönetim sistemi esastır. Diğer bir deyişle, kullanılan elektrikli bileşenlere uygun bir termal yönetim sistemi tasarlamak gerekmektedir.
Pilin çalışma sıcaklığının çok yüksek olması pil kapasitesinin kaybına ve aşırı durumlarda termal kaçaklara neden olabilir. Pilin çalışma sıcaklığının çok düşük olması pil veriminin düşmesine, direncin yükselmesine, pil kapasitesinin düşmesine ve lityum dendrit (lityum kaplama tabakası) oluşumuna neden olabilir. Lityum kaplama, pil çekirdeğinin daha hızlı eskimesine ve arızalanmasına yol açacaktır.
Termal yönetimin amacı, sistemin optimum çalışma ve güvenli sıcaklıkta olmasını sağlamaktır. Daha karmaşık olanı, pil sisteminin optimal sıcaklığının çalışma modunun değişmesiyle değişebilmesidir. Hızlı şarj için optimum sıcaklık, sürüş veya park etme (park etme) için olandan farklı olabilir.
Şu anda kullanılan batarya termal yönetim sistemleri başlıca gaz soğutma, dolaylı sıvı soğutma, doğrudan sıvı soğutma (daldırma soğutma olarak da bilinir) ve faz değiştiren malzemeleri içerir. [1]

Çeşitli soğutma sistemlerinin tanımı
Hava soğutma sistemleri, basit tasarımları, düşük maliyetleri ve sızıntı olmaması nedeniyle en yaygın şekilde kullanılmaktadır. Hava soğutması, zorlanmış konveksiyonlu aktif tipe ve doğal konveksiyonlu pasif tipe ayrılır. Sıvı ve diğer ortamlarla karşılaştırıldığında, havanın küçük termal kapasitesi (standart sıcaklıkta Cp=1.006 kJ/kgK) ve düşük termal iletkenliği vardır, bu nedenle hava soğutmanın yeni nesil elektrikli araçlar için tercih edilen teknoloji olması pek olası değildir. daha büyük pil paketleri ve daha hızlı şarj etme hızı ile. [1]
Sıvı soğutma, dolaylı ve doğrudan modlara ayrılabilir. Hava ile karşılaştırıldığında, soğutma sıvısı daha yüksek termal kapasiteye ve daha yüksek termal iletkenliğe sahiptir. Dengeli sıcaklık kontrolü nedeniyle, dolaylı sıvı soğutma şu anda pil termal yönetiminde en yaygın kullanılan çözümlerden biridir. En yaygın kullanılan soğutma sıvısı, su ve glikol karışımıdır. Dolaylı soğutmanın prensibi, sistemden ısı transfer etmek için soğutucunun hücre/batarya modülünün altındaki veya yanındaki kanaldan akmasına izin vermektir.
Soğutma etkisi, özel termal arabirim malzemeleri (TIM) kullanılarak iyileştirilebilir.
Hava soğutma ile karşılaştırıldığında, dolaylı sıvı soğutmanın dezavantajı sistemin karmaşıklığıdır. Daha fazla bileşen ve kanal/boru hattı daha fazla arızaya, ekstra ağırlığa ve sızıntı sorunlarına neden olabilir.
Gelişmekte olan bir başka soğutma teknolojisi, pili dielektrik sıvıya tamamen batıran, daldırma soğutma olarak da bilinen doğrudan sıvı soğutmadır. Bu, elektriksel bozulmaya karşı yüksek dirençli, iletken olmayan bir sıvıdır. Bu teknolojinin tanıtılması, pil sürecinin ve bileşen tasarımının karmaşıklığının büyük ölçüde azaltılabileceği anlamına gelir ve ayrıca sistemin ağırlığını ve hacmini azaltmaya yardımcı olarak pil sıcaklık kontrolünün kararlılığını ve dengesini önemli ölçüde geliştirir. Daldırma soğutma, önemli verimlilik artışı sağlayan ısı eşanjörü kullanmadan pili gerektiği gibi ısıtabilir veya soğutabilir. Elektrikli araç akülerinin daldırmalı soğutması henüz emekleme aşamasındadır, ancak Faraday Future [2]'nin patentli tam daldırmalı pil çekirdek sistemi, Dakar Rallisi arabası Audi RS Q e'nin daldırmalı soğutma teknolojisi gibi bazı kullanım durumları olmuştur. -tron [3] veya Panasonic ve Tesla'nın eski çalışanları ™ System [4] tarafından oluşturulan IMMERSIO.

Dakar Rallisi için Audi RS Q e-tron'da daldırmalı soğutma sistemi
Daldırma soğutmada yaygın olarak kullanılan dielektrik sıvı, termal kaçak olayını engelleyebilen alev geciktiricidir. Şu anda piyasada birkaç soğutma ortamı grubu bulunmaktadır - hidrofloroeter, hidrokarbon yağı, silikon yağı ve florlu hidrokarbon. İnsanlar biyolojik olarak parçalanabilen dielektrik sıvılara giderek daha fazla ilgi gösteriyor.
Soğutma sıvısının özellikleri termal yönetimde önemli bir rol oynar ve aşağıdaki gereksinimleri karşılamalıdır:
-İyi elektrik yalıtımı
-Yüksek özgül ısı kapasitesi ve yüksek termal iletkenlik
-Yanmaz ve/veya yüksek parlama noktası
-Üretimi kolaydır ve büyük miktarlarda tedarik edilebilir.
-Uygun çalışma sıcaklığı aralığı vardır
-Sıvının uzun raf ömrü
Yukarıdaki gereksinimlere ek olarak, uygun daldırma soğutma sıvısı seçilirken malzeme uyumluluğu, düşük yoğunluk, düşük viskozite ve çevre koruma da dikkate alınmalıdır.

Çeşitli soğutucuların tanımı
Hidrofloroeterler - Güç elektroniği uygulamalarından hidrofloroeterler, saf elektrikli araçların daldırma soğutması alanında büyük ilgi görmüştür. Literatür, hava soğutma sistemine kıyasla soğutma verimliliğinin önemli ölçüde iyileştirildiğini göstermektedir. Hidrofloroeterin alev almaması ve neredeyse hiç parlama noktası olmaması nedeniyle, sistem güvenliği de iyileştirilmiştir. Bu hidrofloroeter daldırmalı soğutma sisteminin tüm yaşam döngüsündeki performansı henüz incelenmemiştir. Ek olarak, HFE'nin yoğunluğu, saf elektrikli araçların ağırlığı ve menzili üzerinde olumsuz bir etkiye sahip olan su-glikol sistemine göre yaklaşık yüzde 40 daha yüksektir. Ayrıca malzeme maliyeti ve çevre koruma da hidrofloroeterin elektrikli araçların termal yönetim sisteminde kullanılmasını engelleyen önemli faktörlerdir.
Hidrokarbonlar - mineral yağ, polimer - Olefin (PAO) ve sentetik hidrokarbon yağı dahil. Hidrokarbonlar, petrolün damıtma ürünleridir, bu da onları düşük maliyetli ve düşük toksisiteli yapar ve uygun çalışma sıcaklığı aralığında daldırmalı soğutmaya uygundur. Bu sıvıların dezavantajı yanıcı olmaları ve parlama noktalarına sahip olmalarıdır.

Esterler - Düşük maliyetleri, yüksek parlama noktaları, iyi dielektrik özellikleri ve biyolojik olarak parçalanabilirlikleri nedeniyle çeşitli endüstrilerde yaygın olarak kullanılmaktadırlar. Esterler sentetik ve doğal olarak ayrılır. Sentetik ester, poliol ve karboksilik asit arasındaki kimyasal reaksiyonun ürünü iken, doğal ester, bitkisel yağın ürünüdür. İki kaynak da farklı niteliklere karşılık gelir. Sentetik ester, araç bakım süresinin uzatılması üzerinde olumlu bir etkiye sahip olan iyi bir oksidasyon kararlılığına sahiptir; Bununla birlikte, doğal ester ile karşılaştırıldığında parlama noktası genellikle daha düşüktür. Ester bazlı sistemin dezavantajı, malzemenin eskimesiyle viskozitesinin artması ve daha sonra soğutma kapasitesinin düşmesidir.
Silikon yağı - silikon yağının ana avantajı, yüksek ve düşük sıcaklıklarda iyi sıcaklık direncine ve dielektrik özelliklere sahip olmasıdır.
Su/glikol - su ve glikol karışımı. Diğer sistemlerle karşılaştırıldığında, su/glikol nispeten yüksek iletkenliğe ve termal iletkenliğe sahiptir ve maliyet avantajlarına sahiptir. Bununla birlikte, su tipi glikol karışımının iletkenliği, yalnızca dolaylı sıvı soğutma için kullanımını sınırlar. Kullanım sürecinde, dolaylı sıvı soğutma sisteminin sızdırmazlık önlemleri çok önemlidir, çünkü bu, karışımın aküye veya kablolara sızmasını önleyebilir ve ardından kısa devre ve nihai termal kontrol kaybını önleyebilir. [5]

Kısacası termal yönetim için pek çok çözüm var; Detweeler'da, saf elektrikli araçların termal yönetim sisteminin, malzemelerin ve kompozitlerin doğru kullanımıyla iyileştirilebileceğine inanıyoruz. Mobil seyahat endüstrisinin elektrifikasyon yönündeki istikrarlı gelişimiyle birlikte, artık soğutma sıvısı üreticilerini, her seviyedeki tedarikçileri ve OEM'leri termal yönetim sistemlerini yükseltmeleri için desteklemeye odaklanılıyor; Bu bağlamda, Detweller'in malzeme uzmanlığı üst düzeyde uygulanmıştır. Farklı soğutma sıvısı farklı sızdırmazlık çözümlerine yol açabileceğinden, kimyasal uyumluluk doğrudan daldırmalı soğutma yönteminin anahtarıdır.
Her daldırmalı soğutma sistemi için en iyi sızdırmazlık çözümünü seçerken testler yapılmalıdır. Elektrikli araç endüstrisi söz konusu olduğunda, perfloropolieter (PFPE), yanmaz ve düşük viskozite özelliklerinden dolayı soğutma sıvısı uygulamasında ön planda görünüyor. Ancak elektrikli araçlarda ne tür soğutma sıvısı kullanılırsa kullanılsın, contaların bu zorlu ortamda zamanla aşınmasını/bozulmasını önlemek ve ortaya çıkan sorunları önlemek için sızdırmazlık çözümleriyle uyumluluğun sağlanması gerekir. [1]
Güvenlik kritiktir

Akü sisteminin en önemli güvenlik sorunu, yangın ve ısı kaçmasını önlemektir. Daldırma soğutmalı akü sistemi doğrudan soğutma sıvısına daldırıldığından, tüm alan özel sızdırmaz elastomer bileşenlerle kapatılmalı ve elastomer seçimi doğru yapılmalıdır. Aracın hizmet ömrü boyunca belirli bir düzeyde kimyasal dirence ve hava koşullarına dayanıklılığa sahip olması daha iyidir.
Detwelle'de, farklı malzemelerle temas halinde olan çeşitli soğutma sıvısı türleri üzerinde deneyler ve doğru analizler yapıyoruz; Bu testler sayesinde, bu sıvıları sızdırmaz hale getirmek için hangi tür polimerlerin veya elastomerlerin en uygun olduğunu belirleyebiliriz.
Simülasyon analiz aşamasında bile kontrol edilmesi gereken önemli bir parametre termal yaşlanmadır. Malzeme yüksek sıcaklıkta (100°C'ye kadar) uzun süre (1000 saate kadar) test edilir. PFPE, silikon yağı ve tohum yağı için yapılan ilk test grubuna göre, DETWELLER'ın IC-DAT10 ve IC-DAT30'a dayalı formülü çoğu soğutma sıvısında iyi performans gösterir ve genellikle sızdırmazlık malzemeleri seçimi olarak kullanılmalıdır. Her IC-DAT kodu, farklı elastomer serilerini temsil eder, dolayısıyla bu çalışma, seçilen sıvıdaki farklı polimer serilerinin performansını karşılaştırır.
Bu sıkı test sürecine göre, malzemenin bu sıvılara daldırılmadan önceki ve sonraki fiziksel özellikleri karşılaştırıldı. Aşağıdaki şekilde gösterilen hacim değişimi, soğutma sıvısına daldırıldıktan sonra zamanla kimyasal stabilitenin bir göstergesi olarak kullanılır. Ek olarak, termal kararlılığı, çekme özelliği değişikliklerini, sıkıştırma setini ve sızıntıyı da kontrol ettik ve anladık.

Daldırma soğutma sistemi için farklı türde soğutuculara (tohum yağı, silikon yağı ve çeşitli PFPE) daldırılmış standart kauçuk formülünün kimyasal kararlılık sonuçları
Şekil 2'de gösterilen ikinci test grubunda, halojen içermeyen, toksik olmayan biyolojik baz ve biyolojik olarak parçalanabilen soğutma sıvısına odaklanıyoruz. Ölçülen tüm soğutma sıvıları, 0 küresel ısınma potansiyeline (GWP) sahip iki kategoriye ayrılır ve<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.
Bu sıvılara daldırıldıktan sonra standart kauçuk formülünün hacim değişimi, test edilen kauçuk formüllerinin çoğunun belirgin değişikliklere sahip olduğunu göstermektedir. Test edilen tüm malzemeler arasında sadece IC-DAT41 kodlu formülün uygun aday formül olduğu görülmektedir.

Daldırma soğutma sistemi için belirli bir biyo-bazlı soğutma sıvısına daldırılmış standart kauçuk formülünün kimyasal kararlılık sonuçları
Sızdırmazlık malzemesinin polaritesinin, sızdırmazlık elemanının kimyasal kararlılığını etkileyeceği tahmin edilmektedir. Detweller, IC-DAT41'e ek olarak, biyo-bazlı daldırma soğutma sıvıları olarak kullanılmaya uygun diğer aday malzemeleri de inceliyor. Detweller, test için farklı tescilli formülasyonlar kullanır ve son olarak test edilen belirli soğutma sıvısı için hangi formülasyonun en iyi sızdırmazlık malzemesi olduğunu seçer.