Een meeslepende oplossing voor thermisch veiligere EV-batterijen

Onderzoeks- en ontwikkelingswerk om een ​​overmatig geluidsprobleem op te lossen dat wordt veroorzaakt door de snellader van een EV-batterij, heeft geleid tot vooruitgang op het gebied van thermisch beheer, warmteafvoer en verminderde brandrisico's. D2H Advanced Technologies, een in het Verenigd Koninkrijk gevestigd gespecialiseerd engineeringbedrijf, ontdekte dat het geluid optrad tijdens de snellaadcycli van het voertuig. Het werd veroorzaakt door de hoge pompkrachtvereisten voor de koelvloeistof, essentieel om de batterijwarmte af te voeren. Omdat de OEM-klant tevreden was, verlegde D2H zijn onderzoeksfocus rechtstreeks naar de thermische eisen van lithium-ionbatterijen in serieproductie.

In EV-batterijen kan warmteophoping leiden tot versnelde degradatie of zelfs thermische uitschakeling. Dat probleem kan zich voordoen als een groter bereik en sneller opladen essentieel worden om het publiek ervan te overtuigen dat elektriciteit, en niet gas of diesel, de toekomstige energiebron is voor persoonlijk vervoer. D2H — met klanten als McLaren, Chevrolet Racing en Formula E — werkt samen met Croda, een gespecialiseerd chemisch bedrijf, om deze uitdagingen aan te gaan.

Het onderzoekswerk van D2H naar het EV-geluidsprobleem begon in 2019 toen een autofabrikant contact opnam met het bedrijf met het verzoek om een ​​definitieve oorzaak van het probleem. Er werd een 32-cels batterijmodule voor fysieke tests gebouwd en onderworpen aan een verscheidenheid aan mogelijke koeloplossingen, waaronder immersieve en koude plaattechnieken. De resultaten werden gecorreleerd via fysieke en computationele vloeistofdynamica (CFD) technieken.

Een essentieel extra voordeel

Het gebruik van een Croda diëlektrische vloeistof in een immersiesysteem werd geïdentificeerd als het antwoord, waarvoor minder pompvermogen nodig was, vooral in snellaadsituaties. "De hele batterij is ondergedompeld in een elektrisch niet-geleidende koelvloeistof", legt Chris Hebert, technisch directeur van D2H, uit. "Dit levert aanzienlijke voordelen op door lagere piekceltemperaturen, waardoor hogere C-snelheden [snelheid waarmee de batterij wordt opgeladen/opgeladen] en verminderde temperatuurgradiënten binnen elke cel mogelijk worden, wat leidt tot een langere levensduur van de verpakking."

Maar dat is een uitdaging omdat het het gebruik van water-glycol, met zijn hoge specifieke warmtecapaciteit, ontkent. Diëlektrische vloeistoffen kunnen moeite hebben om de helft daarvan te bereiken, legde Hebert uit, wat resulteert in grotere temperatuurgradiënten over de batterij van inlaat naar uitlaat. Met zorgvuldige aandacht voor de binnenkant van de batterij en de koelvloeistofstroompaden - in combinatie met Croda die een vloeistof met een lage viscositeit en een lage dichtheid ontwikkelde - "hebben we dit kunnen verminderen terwijl we toch een laag pompvermogen behouden", zei Hebert.

D2H ontdekte dat warmteoverdracht over het pakket veel efficiënter was met behulp van de immersieve methode met Croda-vloeistof. "We hebben bevestigd dat het de potentie heeft om de uitdaging op het gebied van thermisch beheer te vergemakkelijken", merkte Hebert op. "Een essentieel extra voordeel is het hoge vlampunt van diëlektrische vloeistoffen met een lage viscositeit, wat leidt tot de mogelijkheid om het brandrisico verder te verminderen."

Het onderzoek van D2H naar de warmte die wordt gegenereerd door snellaadcycli betreft zowel de prestaties van de batterij als de levensduur. Croda's rol in het werk wordt als essentieel beschouwd en introduceert een 'nieuwe' immersieve vloeistof. "Gezien de voordelen van de immersiekoeling, zal de ontwikkeling doorgaan", zei Hebert. “Brandrisico's nemen af ​​naarmate de batterij koeler wordt. Die onderdompeling verkleint de kans op ontbranding. En hitte is de belangrijkste oorzaak van veroudering van de batterij en prestatieverlies.”

Paden binnen het pakket

Een rapport van onderzoekers van de Universiteit van Californië, Riverside, geciteerd door Hebert, vond dat hoge temperaturen en weerstand van dergelijke cycli de batterijen mogelijk beschadigen, wat leidt tot versnelde slijtage en in extreme omstandigheden tot brandgevaar. De onderzoekers ontdekten dat de batterijen na 40 keer snel opladen ongeveer 60% van hun oorspronkelijke capaciteit hadden.

Over het algemeen wordt aangenomen dat lithium-ionbatterijen voor autotoepassingen moeten worden vervangen zodra de capaciteit onder de 80% zakt - een niveau dat werd bereikt na slechts 25 snellaadcycli. In het rapport staat dat er op dit moment een verhoogd risico is dat elektroden en elektrolyten worden blootgesteld aan de lucht, waardoor het risico op brand of explosie toeneemt, vooral bij temperaturen van 60 °C en hoger.

Ondanks de korte tijdspannes die ermee gemoeid waren, heeft D2H niet alleen gekeken naar regelrechte koelprestaties. De geloofwaardigheid van elke EV hangt net zo goed af van een succesvolle verpakking als van prestaties en oplaadtijd. Hebert merkte op dat immersieve koeling nog een voordeel kan hebben:"Onderdompelingsontwerpen maken de koelplaat overbodig en zijn daarom compacter, wat de mogelijkheid kan creëren om meer ruimte aan de eigenlijke cellen toe te wijzen."

Hoewel onderdompeling op het eerste gezicht een zwaardere optie lijkt, suggereert het onderzoek van D2H dat een zorgvuldig ontwerp van de paden in het batterijpakket kleinere galerijgroottes mogelijk moet maken zonder de stroming te belemmeren, wat resulteert in een lager koelvloeistofvolume en -gewicht.

"Het verbeteren van het thermisch beheer, met name de warmteafvoer tijdens snellaadcycli, heeft het potentieel om een ​​grotere vermogensdichtheid, bereik en levensduur in toekomstige iteraties mogelijk te maken - naast verminderde brandrisico's", beweerde Hebert. "Uitgebreid onderzoek op dit gebied is vereist en ons experimentele werk samen met Croda is aan de gang."

Dit artikel is geschreven door Stuart Birch, European Editor, SAE Autotechniek. Voor meer informatie over D2H, bezoek hier .