Geavanceerd Thermisch Beheer Doorbraak Vermindert EV Oplader Lawaai en Brandrisico

Onderzoek en ontwikkeling om een excessief lawaaiprobleem op te lossen gecreëerd door een EV's batterij snellader heeft geleid tot vooruitgang in thermisch beheer, warmteafvoer, en verminderde brandrisico's. D2H Advanced Technologies, een in het VK gevestigde gespecialiseerde engineering bedrijf, ontdekte dat het lawaai optrad tijdens de snelloopcycli van het voertuig. Het werd veroorzaakt door hoge pompvermogenseisen voor de koelvloeistof, essentieel om batterijwarmte af te voeren. De OEM klant tevreden, verschuifde D2H zijn onderzoeksfocus direct naar de thermische eisen van serieproductie lithium-ion batterijen.

In EV batterijen kan warmteopbouw leiden tot verslechterde degradatie of zelfs thermische ontloping. Dat probleem kan optreden naarmate groter bereik en snelladen essentieel worden om het publiek te overtuigen dat elektriciteit, niet benzine of diesel, de toekomstige energiebron is voor persoonlijk vervoer. D2H — wiens klanten McLaren, Chevrolet Racing, en Formula E omvatten — werkt met Croda, een specialiteitschemiebedrijf, om deze uitdagingen aan te pakken.

D2H's onderzoekswerk aan het EV lawaaiprobleem startte in 2019 toen een automaker het bedrijf contacteerde om een definitieve oorzaak van het probleem te vragen. Een 32-cel batterijmodule voor fysieke testen werd gebouwd en onderworpen aan een verscheidenheid aan potentiële koeloplossingen inclusief immersive en koude-plaat technieken. Resultaten werden gecorreleerd via fysieke en computationele vloeistofdynamica (CFD) technieken.

Een Vitale Extra Voordeel

Gebruik van een Croda dielectrische vloeistof binnen een immersiesysteem werd geïdentificeerd als het antwoord, wat verminderd pompvermogen vereist, vooral in snellaadsituaties. "De hele batterij wordt gedompeld in een elektrisch niet-geleidende koelvloeistof," legde Chris Hebert, D2H engineering director, uit. "Dit brengt significante voordelen door lagere piek cel temperaturen, wat hogere C-rates [snelheid waarmee de batterij opgeladen/ontladen wordt] en verminderde temperatuurgradiënten binnen elke cel mogelijk maakt, leidend tot langere pakketlevensduur."

Maar dat presenteert een uitdaging omdat het het gebruik van water-glycol, met zijn hoge specifieke warmtecapaciteit, ontkent. Dielectrische vloeistoffen kunnen moeite hebben de helft daarvan te bereiken, legde Hebert uit, wat resulteert in grotere temperatuurgradiënten over de batterij van inlaat tot uitlaat. Echter, met zorgvuldige aandacht voor de batterijinterna en de koelvloeistofstroompaden — gecombineerd met Croda die een lage-viscositeit, lage-dichtheid vloeistof ontwikkelt — "hebben we dit gemitigeerd terwijl we nog steeds laag pompvermogen behouden," zei Hebert.

D2H vond dat warmteoverdracht over het pakket veel efficiënter was met de immersiemethode met Croda vloeistof. "We bevestigden dat het de potentie heeft om de thermische beheeruitdaging te verlichten," merkte Hebert op. "Een vitale extra voordeel is het hoge vlampunt van lage-viscositeit dielectrische vloeistoffen, wat leidt tot de mogelijkheid van verdere reductie in brandrisico."

D2H's onderzoek naar de warmte gegenereerd door snellaadcycli betreft zowel batterijprestaties als levensduur. Croda's rol in het werk wordt beschouwd als essentieel, het introduceren van een "nieuwe" immersievloeistof. "Gegeven de voordelen van immersiekoeling, zal de ontwikkeling doorgaan," zei Hebert. "Brandrisico's verminderen naarmate de batterij koeler loopt. Die immersie verlaagt de kans op ontbranding. En warmte is de belangrijkste oorzaak van batterijveroudering en prestatiedaling."

Paden Binnen het Pakket

Een rapport door onderzoekers van de Universiteit van Californië, Riverside geciteerd door Hebert vond dat hoge temperaturen en weerstand van dergelijke cycli potentiële batterijen beschadigen, resulterend in verslechterde slijtage en in extreme omstandigheden, brandrisico. De onderzoekers vonden dat na 40 snelladingen, de batterijen ongeveer 60% van hun oorspronkelijke capaciteit hadden.

Het wordt over het algemeen overwogen dat voor automobiele toepassingen, lithium-ion batterijen vervanging vereisen zodra de capaciteit onder de 80% daalt — een niveau dat bereikt werd na slechts 25 snellaadcycli. Het rapport stelde dat op dit punt, er een verhoogd risico is van elektroden en elektrolyten die blootgesteld worden aan de lucht, wat het risico op brand of explosie verhoogt, vooral bij temperaturen van 60 °C en hoger.

Ondanks de korte tijdsspanne betrokken, overwoog D2H niet alleen de absolute koelprestaties. Glaubelijkheid voor elke EV hangt af van succesvolle verpakking evenzeer als prestaties en oplaadtijd. Hebert merkte op dat immersiekoeling een verder voordeel kan bergen: "Immersieontwerpen doen af met de koelplaat en zijn daardoor compacter, wat de mogelijkheid kan creëren voor meer ruimte te reserveren voor de eigenlijke cellen."

Hoewel immersie op het eerste gezicht eruitziet als een zwaardere optie, suggereert D2H's onderzoek dat zorgvuldig ontwerp van de paden binnen het batterijpakket in staat zou moeten stellen verminderde galerijformaten zonder de stroom te belemmeren, resulterend in verminderde koelvloeistofvolume en gewicht.

"Het verbeteren van thermisch beheer, met name warmteafvoer tijdens snellaadcycli, heeft de potentie om grotere energiedichtheid, bereik, en levensduur in toekomstige iteraties mogelijk te maken — naast verminderde brandrisico's," stelde Hebert. "Uitgebreid onderzoek in dit gebied is vereist en ons experimentele werk samen met Croda is lopend."

Dit artikel is geschreven door Stuart Birch, Europees Editor, SAE Automotive Engineering. Voor meer informatie over D2H, bezoek hier.