وضع الإدارة الحرارية للسيارة الكهربائية النقية: التبريد الغاطس بالبطارية

في التطبيق الجديد لكهربة السيارات ، من المهم جدًا تبريد المكونات الكهربائية وتسخينها لإبقائها في درجة حرارة العمل المثلى ، لأن هذا يمكن أن يضمن عمر الخدمة وكفاءة المكونات الكهربائية. لذلك ، من الضروري وجود نظام إدارة حراري مناسب. بمعنى آخر ، من الضروري تصميم نظام إدارة حراري مناسب للمكونات الكهربائية المستخدمة.
إذا كانت درجة حرارة تشغيل البطارية عالية جدًا ، فقد يؤدي ذلك إلى فقدان سعة البطارية ، وفي الحالات القصوى ، قد يؤدي ذلك إلى الهروب الحراري. إذا كانت درجة حرارة تشغيل البطارية منخفضة جدًا ، فقد يؤدي ذلك إلى انخفاض كفاءة البطارية ، ومقاومة أعلى ، وانخفاض سعة البطارية ، وتشكيل dendrite الليثيوم (طبقة طلاء الليثيوم). سيؤدي طلاء الليثيوم إلى تسريع الشيخوخة وفشل جوهر البطارية.
الهدف من الإدارة الحرارية هو التأكد من أن النظام في التشغيل الأمثل ودرجة الحرارة الآمنة. الأمر الأكثر تعقيدًا هو أن درجة الحرارة المثلى لنظام البطارية قد تتغير مع تغيير وضع التشغيل. قد تختلف درجة الحرارة المثلى للشحن السريع عن تلك الخاصة بالقيادة أو وقوف السيارات (وقوف السيارات).
في الوقت الحاضر ، تشتمل أنظمة الإدارة الحرارية للبطارية المستخدمة بشكل أساسي على تبريد الغاز والتبريد السائل غير المباشر والتبريد السائل المباشر (المعروف أيضًا باسم التبريد بالغمر) ومواد تغيير الطور. [1]

وصف أنظمة التبريد المختلفة
تستخدم أنظمة تبريد الهواء على نطاق واسع بسبب تصميمها البسيط وتكلفتها المنخفضة وعدم وجود تسرب. ينقسم تبريد الهواء إلى نوع نشط مع الحمل الحراري القسري والنوع السلبي بالحمل الحراري الطبيعي. بالمقارنة مع السوائل والوسائط الأخرى ، يتمتع الهواء بقدرة حرارية صغيرة (Cp =1. 006 kJ / kgK عند درجة حرارة قياسية) وموصلية حرارية منخفضة ، لذلك من غير المرجح أن يصبح تبريد الهواء التكنولوجيا المفضلة للجيل القادم من المركبات الكهربائية مع حزم بطارية أكبر وسرعة شحن أسرع. [1]
يمكن تقسيم التبريد السائل إلى أوضاع غير مباشرة ومباشرة. بالمقارنة مع الهواء ، فإن المبرد لديه قدرة حرارية أكبر وموصلية حرارية أعلى. نظرًا للتحكم المتوازن في درجة الحرارة ، يعد التبريد السائل غير المباشر حاليًا أحد أكثر الحلول شيوعًا في الإدارة الحرارية للبطارية. المبرد الأكثر استخدامًا هو خليط من الماء والجليكول. مبدأ التبريد غير المباشر هو السماح لسائل التبريد بالتدفق عبر القناة في أسفل أو جانب وحدة الخلية / البطارية لنقل الحرارة من النظام.
يمكن تحسين تأثير التبريد باستخدام مواد واجهة حرارية محددة (TIM).
بالمقارنة مع تبريد الهواء ، فإن عيب التبريد السائل غير المباشر هو تعقيد النظام. قد يتسبب المزيد من المكونات والقنوات / خطوط الأنابيب في مزيد من الأعطال والوزن الزائد ومشاكل التسرب.
تقنية تبريد ناشئة أخرى هي التبريد السائل المباشر ، المعروف أيضًا باسم التبريد الغاطس ، والذي يغمر البطارية تمامًا في السائل العازل. هذا سائل غير موصل ذو مقاومة عالية للانهيار الكهربائي. يعني إدخال هذه التقنية أنه يمكن تقليل تعقيد عملية البطارية وتصميم المكونات بشكل كبير ، كما أنه يساعد على تقليل وزن وحجم النظام ، مما يحسن بشكل كبير من استقرار وتوازن التحكم في درجة حرارة البطارية. يمكن للتبريد بالغمر تسخين أو تبريد البطارية كما هو مطلوب دون استخدام مبادل حراري ، مما يؤدي إلى تحسين الكفاءة بشكل كبير. لا يزال التبريد الغاطس لبطاريات السيارات الكهربائية في مراحله الأولى ، ولكن كانت هناك بعض حالات الاستخدام ، مثل نظام بطارية الانغماس الكامل الحاصل على براءة اختراع من فاراداي فيوتشر [2] ، وتكنولوجيا التبريد بالغمر لسيارة رالي داكار أودي RS Q e -tron [3] ، أو IMMERSIO الذي تم إنشاؤه بواسطة نظام ™ لموظفي Panasonic و Tesla السابقين [4].

نظام التبريد الغاطس لرالي داكار في Audi RS Q e-tron
السائل العازل المستخدم بشكل شائع في التبريد بالغمر هو مثبط للهب ، والذي يمكن أن يثبط حدث الانفلات الحراري. في الوقت الحاضر ، هناك عدة مجموعات من وسائط التبريد متوفرة في السوق - الهيدروفلوروثير ، زيت الهيدروكربون ، زيت السيليكون والهيدروكربون المفلور. يولي الناس المزيد والمزيد من الاهتمام للسوائل العازلة القابلة للتحلل.
تلعب خصائص المبرد دورًا مهمًا في الإدارة الحرارية ويجب أن تفي بالمتطلبات التالية:
-عزل كهربائي جيد
- قدرة حرارية عالية النوعية وموصلية حرارية عالية
-غير قابل للاشتعال و / أو نقطة وميض عالية
- سهل الإنتاج ويمكن توريده بكميات كبيرة
-هناك نطاق درجة حرارة تشغيل مناسب
- عمر تخزين طويل للسائل
بالإضافة إلى المتطلبات المذكورة أعلاه ، يجب أيضًا مراعاة توافق المواد ، والكثافة المنخفضة ، واللزوجة المنخفضة وحماية البيئة عند اختيار المبرد الغاطس المناسب.

وصف المبردات المختلفة
الإثيرات المائية المائية - حظيت الإثيرات المائية الفلورية من تطبيقات إلكترونيات الطاقة باهتمام كبير في مجال التبريد بالغمر للسيارات الكهربائية النقية. تشير الأدبيات إلى أن كفاءة التبريد قد تحسنت بشكل ملحوظ مقارنة بنظام تبريد الهواء. نظرًا لعدم قابلية الإثير الهيدروفلوري للاشتعال وعدم وجود نقطة وميض تقريبًا ، تم أيضًا تحسين سلامة النظام. لا يزال يتعين دراسة أداء نظام التبريد الغاطس هذا في دورة الحياة الكاملة. بالإضافة إلى ذلك ، فإن كثافة HFE أعلى بنحو 40 في المائة من كثافة نظام الماء جلايكول ، مما يؤثر سلبًا على وزن ومدى المركبات الكهربائية النقية. بالإضافة إلى ذلك ، تعد تكلفة المواد وحماية البيئة من العوامل المهمة التي تعيق استخدام الإثير الهيدروفلوري في نظام الإدارة الحرارية للسيارات الكهربائية.
الهيدروكربونات - بما في ذلك الزيوت المعدنية والبوليمر والأوليفين (PAO) وزيت الهيدروكربون الصناعي. الهيدروكربونات هي منتجات تقطير للبترول ، مما يجعلها منخفضة التكلفة ومنخفضة السمية ، ومناسبة للتبريد بالغمر في نطاق درجة حرارة التشغيل المناسبة. عيب هذه السوائل أنها قد تكون قابلة للاشتعال ولها نقطة وميض.

استرات - نظرًا لتكلفتها المنخفضة ، وارتفاع نقطة الوميض ، وخصائصها العازلة الجيدة وقابليتها للتحلل البيولوجي ، فقد تم استخدامها على نطاق واسع في مختلف الصناعات. تنقسم الإسترات إلى مواد تركيبية وطبيعية. الإستر الصناعي هو نتاج تفاعل كيميائي بين البوليول وحمض الكربوكسيل ، بينما الإستر الطبيعي هو نتاج الزيت النباتي. يتطابق المصدران أيضًا مع سمات مختلفة. يتمتع الإستر الاصطناعي بثبات أكسدة جيد ، مما له تأثير إيجابي على إطالة فترة صيانة السيارة ؛ ومع ذلك ، بالمقارنة مع الإستر الطبيعي ، فإن نقطة وميضه عادة ما تكون أقل. عيب النظام القائم على الإستر هو أن اللزوجة تزداد مع شيخوخة المادة ، ومن ثم تقل قدرتها على التبريد.
الميزة الرئيسية لزيت السيليكون - زيت السيليكون هو أنه يتمتع بمقاومة جيدة لدرجة الحرارة وخصائص عازلة في درجات الحرارة العالية والمنخفضة.
ماء / جلايكول - خليط من الماء والجليكول. بالمقارنة مع الأنظمة الأخرى ، فإن الماء / الجليكول له موصلية عالية نسبيًا وموصلية حرارية ، وله مزايا من حيث التكلفة. ومع ذلك ، فإن موصلية خليط الجليكول من النوع المائي تحد من استخدامه فقط للتبريد السائل غير المباشر. في عملية الاستخدام ، تعتبر تدابير الختم لنظام التبريد السائل غير المباشر مهمة للغاية ، لأن هذا يمكن أن يمنع الخليط من التسرب إلى البطارية أو الأسلاك ، ومن ثم يمكن أن يمنع حدوث ماس كهربائي وفقد التحكم الحراري النهائي. [5]

باختصار ، هناك العديد من الحلول للإدارة الحرارية ؛ في Detweeler ، نعتقد أنه يمكن تحسين نظام الإدارة الحرارية للمركبات الكهربائية النقية من خلال الاستخدام السليم للمواد والمركبات. مع التطور المطرد لصناعة السفر المتنقل في اتجاه الكهربة ، ينصب التركيز الآن على دعم مصنعي المبردات والموردين على جميع المستويات ومصنعي المعدات الأصلية لتحديث أنظمة الإدارة الحرارية الخاصة بهم ؛ في هذا الصدد ، تم تطبيق الخبرة المادية لـ Detweller على مستوى عالٍ. التوافق الكيميائي هو مفتاح طريقة التبريد بالغمر المباشر ، لأن المبرد المختلف قد يؤدي إلى حلول إحكام مختلفة.
عند اختيار أفضل محلول مانع للتسرب لكل نظام تبريد بالغمر ، يجب إجراء الاختبارات. بقدر ما يتعلق الأمر بصناعة المركبات الكهربائية ، يبدو أن مادة الاحتكار المشبع بالفلور (PFPE) في طليعة استخدام سائل التبريد بسبب خصائصها غير القابلة للاشتعال ومنخفضة اللزوجة. ومع ذلك ، بغض النظر عن نوع المبرد المستخدم في المركبات الكهربائية ، فمن الضروري ضمان التوافق مع حلول الختم لتجنب تآكل / تدهور الأختام بمرور الوقت في هذه البيئة القاسية ومنع المشاكل الناتجة. [1]
السلامة أمر بالغ الأهمية

أهم مشكلة سلامة لنظام البطاريات هي منع الحريق والهروب الحراري. نظرًا لأن نظام البطارية المزود بتبريد بالغمر مغمور مباشرة في سائل التبريد ، يجب إغلاق المنطقة بأكملها بمكونات مطاطية مانعة للتسرب خاصة ، ويجب أن يكون اختيار المطاط الصناعي صحيحًا. من الأفضل أن يكون لديك مستوى معين من المقاومة الكيميائية ومقاومة الطقس طوال دورة حياة السيارة.
في Detwelle ، نجري تجارب وتحليلات دقيقة لأنواع مختلفة من المبرد المتصل بمواد مختلفة ؛ من خلال هذه الاختبارات ، يمكننا تحديد أنواع البوليمرات أو اللدائن الأكثر ملاءمة لإحكام إغلاق هذه السوائل.
حتى في مرحلة تحليل المحاكاة ، فإن العامل المهم الذي يجب التحكم فيه هو الشيخوخة الحرارية. يتم اختبار المادة في درجة حرارة عالية (تصل إلى 100 درجة مئوية) لفترة طويلة (تصل إلى 1000 ساعة). وفقًا للمجموعة الأولى من اختبارات PFPE وزيت السيليكون وزيت البذور ، فإن الصيغة المعتمدة على IC-DAT10 و IC-DAT30 من DETWELLER تعمل جيدًا في معظم المبردات ويجب استخدامها عمومًا كخيار لمواد مانعة للتسرب. يمثل كل رمز IC-DAT سلسلة مختلفة من المطاط الصناعي ، لذلك تقارن هذه الدراسة أداء سلسلة البوليمر المختلفة في السائل المحدد.
وفقًا لعملية الاختبار الصارمة هذه ، تمت مقارنة الخصائص الفيزيائية للمادة قبل وبعد الغمر في هذه السوائل. يتم استخدام تغيير الحجم الموضح في الشكل أدناه كمؤشر على الثبات الكيميائي بمرور الوقت بعد الغمر في سائل التبريد. بالإضافة إلى ذلك ، قمنا أيضًا بفحص وفهم الثبات الحراري وتغيرات خصائص الشد ومجموعة الضغط والتسرب.

نتائج الاستقرار الكيميائي لصيغة المطاط القياسية مغمورة في أنواع مختلفة من المبرد (زيت البذور وزيت السيليكون ومختلف PFPE) لنظام التبريد الغاطس
في المجموعة الثانية من الاختبارات الموضحة في الشكل 2 ، نركز على قاعدة بيولوجية خالية من الهالوجين وغير سامة ومبرد قابل للتحلل. يتم تقسيم جميع المبردات التي تم قياسها إلى فئتين مع إمكانية الاحترار العالمي (GWP) من 0 و<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.
يوضح تغيير حجم صيغة المطاط القياسية بعد الغمر في هذه السوائل أن معظم صيغ المطاط المختبرة لها تغيرات واضحة. يمكن ملاحظة أنه من بين جميع المواد المختبرة ، فقط الصيغة التي تحتوي على رمز IC-DAT41 هي الصيغة المرشح المناسبة.

نتائج الاستقرار الكيميائي لصيغة المطاط القياسية مغمورة في نوع معين من المبرد الحيوي لنظام التبريد الغاطس
من المتوقع أن تؤثر قطبية مادة الختم على الاستقرار الكيميائي لعنصر الختم. بالإضافة إلى IC-DAT41 ، تدرس Detweller مواد أخرى مرشحة مناسبة للاستخدام كمبردات غاطسة حيوية. يستخدم Detweller تركيبات خاصة مختلفة للاختبار ، ويختار أخيرًا أي التركيبة هي أفضل مادة مانعة للتسرب لسائل التبريد المحدد الذي تم اختباره.