حالت مدیریت حرارتی وسیله نقلیه الکتریکی خالص: خنک کننده غوطه وری باتری

در کاربرد جدید برق رسانی خودرو، خنک کردن و گرم کردن اجزای الکتریکی برای حفظ دمای کاری بهینه بسیار مهم است، زیرا این می تواند طول عمر و کارایی قطعات الکتریکی را تضمین کند. بنابراین، یک سیستم مدیریت حرارتی مناسب ضروری است. به عبارت دیگر طراحی سیستم مدیریت حرارتی مناسب برای قطعات الکتریکی مورد استفاده ضروری است.
اگر دمای کار باتری بیش از حد بالا باشد، ممکن است منجر به از دست دادن ظرفیت باتری و در موارد شدید، منجر به فرار حرارتی شود. اگر دمای کار باتری خیلی پایین باشد، ممکن است منجر به کاهش کارایی باتری، مقاومت بیشتر، ظرفیت باتری کمتر و تشکیل دندریت لیتیوم (لایه آبکاری لیتیوم) شود. آبکاری لیتیوم منجر به پیری سریع و خرابی هسته باتری می شود.
هدف مدیریت حرارتی این است که اطمینان حاصل شود که سیستم در دمای عملیاتی بهینه و ایمن قرار دارد. پیچیده تر این است که دمای بهینه سیستم باتری ممکن است با تغییر حالت عملکرد تغییر کند. دمای بهینه برای شارژ سریع ممکن است با دمای رانندگی یا پارک (پارک) متفاوت باشد.
در حال حاضر، سیستم های مدیریت حرارتی باتری مورد استفاده عمدتاً شامل خنک کننده گاز، خنک کننده مایع غیر مستقیم، خنک کننده مستقیم مایع (همچنین به عنوان خنک کننده غوطه وری شناخته می شود) و مواد تغییر فاز هستند. [1]

شرح انواع سیستم های خنک کننده
سیستم های خنک کننده هوا به دلیل طراحی ساده، هزینه کم و بدون نشتی بیشترین کاربرد را دارند. خنک کننده هوا به نوع فعال با همرفت اجباری و نوع غیرفعال با همرفت طبیعی تقسیم می شود. در مقایسه با مایع و سایر رسانه ها، هوا ظرفیت حرارتی کمی دارد (Cp{0}}.006 kJ/kgK در دمای استاندارد) و رسانایی حرارتی پایینی دارد، بنابراین بعید است که خنک کننده هوا به فناوری مطلوب برای نسل بعدی خودروهای الکتریکی تبدیل شود. با بسته های باتری بزرگتر و سرعت شارژ سریعتر. [1]
خنک کننده مایع را می توان به دو حالت غیر مستقیم و مستقیم تقسیم کرد. در مقایسه با هوا، خنک کننده ظرفیت حرارتی بیشتر و هدایت حرارتی بالاتری دارد. با توجه به کنترل دمای متعادل، خنک کننده مایع غیرمستقیم در حال حاضر یکی از رایج ترین راه حل های مورد استفاده در مدیریت حرارتی باتری است. متداول ترین مایع خنک کننده مخلوط آب و گلیکول است. اصل خنک کننده غیرمستقیم این است که اجازه دهید خنک کننده از طریق کانال در پایین یا کنار ماژول سلول/باتری جریان یابد تا گرما را از سیستم منتقل کند.
اثر خنک کننده را می توان با استفاده از مواد رابط حرارتی خاص (TIM) بهبود بخشید.
در مقایسه با خنک کننده هوا، نقطه ضعف خنک کننده مایع غیر مستقیم پیچیدگی سیستم است. قطعات بیشتر و کانال ها/خطوط لوله ممکن است باعث خرابی بیشتر، وزن اضافی و مشکلات نشتی شوند.
یکی دیگر از فناوری های خنک کننده در حال ظهور، خنک کننده مستقیم مایع است که به عنوان خنک کننده غوطه وری نیز شناخته می شود، که باتری را به طور کامل در مایع دی الکتریک غوطه ور می کند. این یک مایع نارسانا با مقاومت بالا در برابر شکست الکتریکی است. معرفی این فناوری به این معنی است که پیچیدگی فرآیند باتری و طراحی اجزا را می توان تا حد زیادی کاهش داد و همچنین به کاهش وزن و حجم سیستم کمک می کند و به طور قابل توجهی ثبات و تعادل کنترل دمای باتری را بهبود می بخشد. خنک کننده غوطه ور می تواند باتری را بدون استفاده از مبدل حرارتی گرم یا خنک کند، که باعث بهبود کارایی قابل توجهی می شود. خنک‌سازی غوطه‌وری باتری‌های وسایل نقلیه الکتریکی هنوز در مراحل ابتدایی خود است، اما موارد استفاده از آن وجود داشته است، مانند سیستم هسته باتری تمام غوطه‌وری اختراع شده Faraday Future [2]، فناوری خنک‌کننده غوطه‌وری ماشین رالی داکار Audi RS Q e. -tron [3]، یا IMMERSIO ایجاد شده توسط کارمندان سابق پاناسونیک و تسلا ™ System [4].

سیستم خنک کننده غوطه وری برای رالی داکار در آئودی RS Q e-tron
مایع دی الکتریک که معمولاً در خنک سازی غوطه وری استفاده می شود، ضد شعله است که می تواند رویداد فرار حرارتی را مهار کند. در حال حاضر، چندین گروه از رسانه های خنک کننده در بازار موجود است - هیدروفلوئورواتر، روغن هیدروکربن، روغن سیلیکون و هیدروکربن فلوئوردار. مردم بیشتر و بیشتر به مایعات دی الکتریک زیست تخریب پذیر توجه می کنند.
ویژگی های خنک کننده نقش مهمی در مدیریت حرارتی دارد و باید شرایط زیر را برآورده کند:
-عایق الکتریکی خوب
- ظرفیت گرمایی ویژه بالا و هدایت حرارتی بالا
- غیر قابل اشتعال و/یا نقطه اشتعال بالا
-تولید آسان و قابل عرضه در مقادیر زیاد
- محدوده دمای عملیاتی مناسبی وجود دارد
-ماندگاری طولانی مایع
علاوه بر الزامات فوق، سازگاری مواد، چگالی کم، ویسکوزیته کم و حفاظت از محیط زیست نیز باید هنگام انتخاب خنک کننده غوطه وری مناسب در نظر گرفته شود.

شرح انواع خنک کننده ها
هیدروفلوئورواترها - هیدروفلورواترها از کاربردهای الکترونیک قدرت توجه زیادی را در زمینه خنک کننده غوطه وری وسایل نقلیه الکتریکی خالص به خود جلب کرده اند. ادبیات نشان می دهد که راندمان خنک کننده آن در مقایسه با سیستم خنک کننده هوا به طور قابل توجهی بهبود یافته است. به دلیل غیر قابل اشتعال بودن هیدروفلورواتر و تقریباً نداشتن نقطه اشتعال، ایمنی سیستم نیز بهبود یافته است. عملکرد این سیستم خنک‌کننده غوطه‌وری هیدروفلوئورواتر در کل چرخه زندگی باید مورد مطالعه قرار گیرد. علاوه بر این، چگالی HFE حدود 40 درصد بیشتر از سیستم واتر گلیکول است که تأثیر منفی بر وزن و برد خودروهای الکتریکی خالص دارد. علاوه بر این، هزینه مواد و حفاظت از محیط زیست نیز عوامل مهمی هستند که مانع استفاده از هیدروفلوئورواتر در سیستم مدیریت حرارتی خودروهای الکتریکی می شوند.
هیدروکربن ها - از جمله روغن معدنی، پلیمر - الفین (PAO) و روغن هیدروکربن مصنوعی. هیدروکربن ها فرآورده های تقطیر نفت هستند که آنها را کم هزینه و سمیت کم می کند و برای خنک سازی غوطه وری در محدوده دمای عملیاتی مناسب مناسب است. عیب این مایعات این است که ممکن است قابل اشتعال باشند و نقطه اشتعال داشته باشند.

استرها - به دلیل قیمت پایین، نقطه اشتعال بالا، خواص دی الکتریک خوب و زیست تخریب پذیری، به طور گسترده در صنایع مختلف مورد استفاده قرار گرفته اند. استرها به دو دسته مصنوعی و طبیعی تقسیم می شوند. استر مصنوعی محصول واکنش شیمیایی بین پلیول و کربوکسیلیک اسید است، در حالی که استر طبیعی محصول روغن نباتی است. این دو منبع نیز با صفات مختلف مطابقت دارند. استر مصنوعی دارای پایداری اکسیداسیون خوبی است که تأثیر مثبتی بر افزایش دوره نگهداری خودرو دارد. با این حال، در مقایسه با استر طبیعی، نقطه اشتعال آن معمولا کمتر است. نقطه ضعف سیستم مبتنی بر استر این است که ویسکوزیته با افزایش سن مواد افزایش می یابد و سپس ظرفیت خنک کنندگی آن کاهش می یابد.
مزیت اصلی روغن سیلیکون – روغن سیلیکون این است که در دماهای بالا و پایین دارای مقاومت دمایی و خواص دی الکتریک خوبی است.
آب/گلیکول - مخلوطی از آب و گلیکول. در مقایسه با سایر سیستم ها، آب/گلیکول دارای رسانایی و هدایت حرارتی نسبتاً بالایی است و دارای مزایای هزینه است. با این حال، رسانایی مخلوط گلیکول نوع آب، استفاده از آن را فقط برای خنک کردن مایع غیرمستقیم محدود می کند. در فرآیند استفاده، اقدامات آب بندی سیستم خنک کننده مایع غیرمستقیم بسیار مهم است، زیرا این می تواند از نشت مخلوط به باتری یا سیم کشی جلوگیری کند و سپس از اتصال کوتاه و از دست دادن حرارتی نهایی جلوگیری کند. [5]

به طور خلاصه، راه حل های زیادی برای مدیریت حرارتی وجود دارد. در Detweeler، ما معتقدیم که سیستم مدیریت حرارتی خودروهای الکتریکی خالص را می توان با استفاده مناسب از مواد و کامپوزیت ها بهبود بخشید. با توسعه پیوسته صنعت مسافرت های سیار در جهت برق رسانی، تمرکز اکنون بر حمایت از تولید کنندگان خنک کننده، تامین کنندگان در تمام سطوح و OEM ها برای ارتقاء سیستم های مدیریت حرارتی خود است. در این راستا، تخصص مواد Detweller در سطح بالایی اعمال شده است. سازگاری شیمیایی کلید روش خنک کننده مستقیم غوطه وری است، زیرا خنک کننده های مختلف ممکن است منجر به راه حل های آب بندی متفاوتی شود.
هنگام انتخاب بهترین محلول آب بندی برای هر سیستم خنک کننده غوطه وری، باید آزمایشاتی انجام شود. تا آنجا که به صنعت خودروهای الکتریکی مربوط می شود، به نظر می رسد پرفلوئوروپلی اتر (PFPE) به دلیل ویژگی های غیر قابل اشتعال و ویسکوزیته پایین، در خط مقدم کاربرد مایع خنک کننده قرار دارد. با این حال، مهم نیست که چه نوع خنک کننده در وسایل نقلیه الکتریکی استفاده می شود، لازم است از سازگاری با محلول های آب بندی اطمینان حاصل شود تا از خوردگی / تخریب آب بندی در طول زمان در این محیط خشن و جلوگیری از مشکلات ناشی از آن جلوگیری شود. [1]
ایمنی حیاتی است

مهمترین مشکل ایمنی سیستم باتری جلوگیری از آتش سوزی و فرار حرارتی است. از آنجایی که سیستم باتری با خنک کننده غوطه وری مستقیماً در مایع خنک کننده غوطه ور است، کل منطقه باید با اجزای الاستومر آب بندی مخصوص آب بندی شود و انتخاب الاستومر باید صحیح باشد. بهتر است سطح معینی از مقاومت شیمیایی و مقاومت در برابر آب و هوا در طول چرخه عمر خودرو وجود داشته باشد.
در Detwelle، ما در حال انجام آزمایشات و تجزیه و تحلیل دقیق بر روی انواع مختلف خنک کننده در تماس با مواد مختلف هستیم. از طریق این آزمایش ها می توان تعیین کرد که کدام نوع پلیمر یا الاستومر برای آب بندی این مایعات مناسب تر است.
حتی در مرحله تحلیل شبیه سازی، پارامتر مهمی که باید کنترل شود، پیری حرارتی است. این ماده در دمای بالا (تا 100 درجه سانتیگراد) برای مدت طولانی (تا 1000 ساعت) آزمایش می شود. طبق آزمایشات گروه اول برای PFPE، روغن سیلیکون و روغن دانه، فرمول مبتنی بر IC-DAT10 و IC-DAT30 DETWELLER در اکثر خنک کننده ها به خوبی عمل می کند و به طور کلی باید به عنوان انتخاب مواد آب بندی استفاده شود. هر کد IC-DAT نشان دهنده سری های مختلف الاستومری است، بنابراین این مطالعه عملکرد سری های پلیمری مختلف را در مایع انتخاب شده مقایسه می کند.
با توجه به این فرآیند تست دقیق، خواص فیزیکی مواد قبل و بعد از غوطه وری در این مایعات مقایسه شد. تغییر حجم نشان داده شده در شکل زیر به عنوان نشانگر پایداری شیمیایی در طول زمان پس از غوطه ور شدن در مایع خنک کننده استفاده می شود. علاوه بر این، پایداری حرارتی، تغییرات خواص کششی، مجموعه فشرده سازی و نشت را نیز بررسی و درک کردیم.

نتایج پایداری شیمیایی فرمول لاستیکی استاندارد غوطه ور در انواع خنک کننده (روغن دانه، روغن سیلیکون و PFPE مختلف) برای سیستم خنک کننده غوطه وری
در گروه دوم آزمایش های نشان داده شده در شکل 2، ما بر پایه بیولوژیکی بدون هالوژن، غیر سمی و خنک کننده زیست تخریب پذیر تمرکز می کنیم. همه خنک کننده های اندازه گیری شده به دو دسته با پتانسیل گرمایش جهانی (GWP) 0 و تقسیم می شوند<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.
تغییر حجم فرمول استاندارد لاستیک پس از غوطه ور شدن در این مایعات نشان می دهد که اکثر فرمول های لاستیکی آزمایش شده دارای تغییرات آشکار هستند. مشاهده می شود که در بین تمام مواد مورد آزمایش، تنها فرمول با کد IC-DAT41 فرمول کاندید مناسب است.

نتایج پایداری شیمیایی فرمول لاستیکی استاندارد غوطه ور در نوع خاصی از خنک کننده مبتنی بر زیستی برای سیستم خنک کننده غوطه وری
حدس زده می شود که قطبیت ماده آب بندی بر پایداری شیمیایی عنصر آب بندی تأثیر می گذارد. علاوه بر IC-DAT41، Detweller در حال مطالعه سایر مواد کاندید مناسب برای استفاده به عنوان خنک کننده های غوطه وری مبتنی بر زیستی است. Detweller از فرمول های اختصاصی مختلف برای آزمایش استفاده می کند و در نهایت انتخاب می کند که کدام فرمول بهترین ماده آب بندی برای خنک کننده خاص آزمایش شده است.