Eine immersive Lösung für thermisch sicherere EV-Batterien

Die Forschungs- und Entwicklungsarbeit zur Lösung eines übermäßigen Geräuschproblems, das durch das Batterie-Schnellladegerät eines Elektrofahrzeugs verursacht wird, hat zu Fortschritten beim Wärmemanagement, der Wärmeableitung und der Verringerung des Brandrisikos geführt. D2H Advanced Technologies, ein in Großbritannien ansässiges spezialisiertes Ingenieurunternehmen, stellte fest, dass das Geräusch während der Schnellladezyklen des Fahrzeugs auftrat. Es wurde durch hohe Pumpleistungsanforderungen für das Kühlmittel verursacht, das für die Ableitung der Batteriewärme unerlässlich ist. Da der OEM-Kunde zufrieden war, verlagerte D2H seinen Forschungsschwerpunkt direkt auf die thermischen Anforderungen von Lithium-Ionen-Batterien in der Serienproduktion.

In EV-Batterien kann ein Wärmeaufbau zu einer beschleunigten Degradation oder sogar zu einem thermischen Durchgehen führen. Dieses Problem kann auftreten, wenn eine größere Reichweite und schnelleres Aufladen unerlässlich werden, um die Öffentlichkeit davon zu überzeugen, dass Elektrizität und nicht Gas oder Diesel die zukünftige Energiequelle für den Personenverkehr ist. D2H – zu dessen Kunden McLaren, Chevrolet Racing und die Formel E gehören – arbeitet mit Croda, einem Unternehmen für Spezialchemikalien, zusammen, um diese Herausforderungen anzugehen.

Die Forschungsarbeit von D2H zum Geräuschproblem von Elektrofahrzeugen begann im Jahr 2019, als ein Autohersteller das Unternehmen kontaktierte und nach einer endgültigen Ursache für das Problem fragte. Ein 32-Zellen-Batteriemodul für physikalische Tests wurde gebaut und einer Vielzahl möglicher Kühllösungen unterzogen, einschließlich Immersions- und Cold-Plate-Techniken. Die Ergebnisse wurden über Techniken der physikalischen und computergestützten Strömungsdynamik (CFD) korreliert.

Ein wichtiger Zusatznutzen

Als Lösung wurde die Verwendung eines Croda-Dielektrikums in einem Immersionssystem identifiziert, das eine reduzierte Pumpleistung erfordert, insbesondere in Schnellladesituationen. „Die gesamte Batterie ist in ein elektrisch nicht leitendes Kühlmittel getaucht“, erklärt Chris Hebert, Engineering Director bei D2H. „Dies bringt erhebliche Vorteile durch niedrigere Spitzenzellentemperaturen, wodurch höhere C-Raten [Rate, mit der die Batterie geladen/aufgeladen wird] und reduzierte Temperaturgradienten innerhalb jeder Zelle ermöglicht werden, was zu einer längeren Lebensdauer des Akkus führt.“

Aber das stellt eine Herausforderung dar, weil es die Verwendung von Wasser-Glykol mit seiner hohen spezifischen Wärmekapazität verneint. Dielektrische Flüssigkeiten können Schwierigkeiten haben, die Hälfte davon zu erreichen, erklärte Hebert, was zu größeren Temperaturgradienten über die Batterie vom Einlass zum Auslass führt. Durch sorgfältige Aufmerksamkeit für das Batterieinnere und die Kühlmittelströmungswege – in Kombination mit der Entwicklung einer Flüssigkeit mit niedriger Viskosität und geringer Dichte durch Croda – „konnten wir dies abmildern und gleichzeitig eine geringe Pumpleistung aufrechterhalten“, sagte Hebert /P>

D2H stellte fest, dass die Wärmeübertragung über das Paket bei Verwendung der Immersionsmethode mit Croda-Flüssigkeit weitaus effizienter war. „Wir haben bestätigt, dass es das Potenzial hat, die Herausforderung des Wärmemanagements zu verringern“, bemerkte Hebert. „Ein entscheidender zusätzlicher Vorteil ist der hohe Flammpunkt von dielektrischen Flüssigkeiten mit niedriger Viskosität, was zu einer möglichen weiteren Reduzierung des Brandrisikos führt.“

Die Forschung von D2H über die durch Schnellladezyklen erzeugte Wärme betrifft sowohl die Batterieleistung als auch die Langlebigkeit. Crodas Rolle in der Arbeit wird als wesentlich angesehen, indem sie eine „neuartige“ immersive Flüssigkeit einführt. „Angesichts der Vorteile der Tauchkühlung wird die Entwicklung fortgesetzt“, sagte Hebert. „Das Brandrisiko verringert sich, wenn die Batterie kühler wird. Dieses Eintauchen verringert die Wahrscheinlichkeit einer Entzündung. Und Hitze ist die Hauptursache für Batteriealterung und Leistungsabfall.“

Wege innerhalb des Rudels

Ein von Hebert zitierter Bericht von Forschern der University of California, Riverside, ergab, dass hohe Temperaturen und der Widerstand solcher Zyklen Batterien möglicherweise beschädigen, was zu beschleunigtem Verschleiß und unter extremen Umständen zu Brandgefahr führt. Die Forscher fanden heraus, dass die Akkus nach 40 Schnellladungen etwa 60 % ihrer ursprünglichen Kapazität hatten.

Es wird allgemein davon ausgegangen, dass Lithium-Ionen-Batterien für Automobilanwendungen ausgetauscht werden müssen, sobald die Kapazität unter 80 % sinkt – ein Niveau, das nach nur 25 Schnellladezyklen erreicht wurde. Dem Bericht zufolge besteht zu diesem Zeitpunkt ein erhöhtes Risiko, dass Elektroden und Elektrolyte der Luft ausgesetzt werden, was die Brand- oder Explosionsgefahr erhöht, insbesondere bei Temperaturen von 60 °C und darüber.

Trotz des kurzen Zeitrahmens berücksichtigte D2H nicht nur die reine Kühlleistung. Die Glaubwürdigkeit jedes Elektrofahrzeugs hängt sowohl von der erfolgreichen Verpackung als auch von der Leistung und der Ladezeit ab. Hebert bemerkte, dass die Immersionskühlung einen weiteren Vorteil haben könnte:„Immersionsdesigns verzichten auf die Kühlplatte und sind daher kompakter, was die Möglichkeit schaffen kann, den eigentlichen Zellen mehr Platz zu widmen.“

Während das Eintauchen auf den ersten Blick wie eine schwerere Option aussieht, legen die Untersuchungen von D2H nahe, dass eine sorgfältige Gestaltung der Wege innerhalb des Batteriepacks kleinere Galeriegrößen ermöglichen sollte, ohne den Fluss zu behindern, was zu einem reduzierten Kühlmittelvolumen und -gewicht führt.

„Die Verbesserung des Wärmemanagements, insbesondere der Wärmeableitung während Schnellladezyklen, hat das Potenzial, in zukünftigen Iterationen eine größere Leistungsdichte, Reichweite und Lebensdauer zu ermöglichen – neben reduzierten Brandrisiken“, sagte Hebert. „Ausgedehnte Forschung in diesem Bereich ist erforderlich und unsere experimentelle Arbeit zusammen mit Croda dauert an.“

Dieser Artikel wurde von Stuart Birch, European Editor, SAE, verfasst Fahrzeugtechnik. Weitere Informationen zu D2H finden Sie hier .