Fortschrittliches Thermomanagement bricht durch: Reduziert EV-Ladegerät-Lärm und Brandrisiko

Forschungs- und Entwicklungsarbeit zur Lösung eines übermäßigen Lärmproblems, das durch einen schnellen EV-Batterielader verursacht wird, führte zu Fortschritten im Thermomanagement, in der Wärmeableitung und in reduzierten Brandrisiken. D2H Advanced Technologies, ein in Großbritannien ansässiges spezialisiertes Ingenieurunternehmen, stellte fest, dass der Lärm während der Schnellladezyklen des Fahrzeugs auftrat. Er wurde durch hohe Pumpleistungsanforderungen für das Kühlmittel verursacht, das unerlässlich ist, um Batteriewärme abzuführen. Sein OEM-Kunde zufrieden, verlagerte D2H seinen Forschungsschwerpunkt direkt auf die thermischen Anforderungen von Serien-Lithium-Ionen-Batterien.

In EV-Batterien kann Wärmeaufbau zu beschleunigter Degradation oder sogar thermischem Durchgehen führen. Dieses Problem kann auftreten, wenn größere Reichweite und schnelleres Laden unerlässlich werden, um die Öffentlichkeit davon zu überzeugen, dass Strom, nicht Benzin oder Diesel, die zukünftige Energiequelle für den persönlichen Transport ist. D2H – dessen Kunden McLaren, Chevrolet Racing und Formula E umfassen – arbeitet mit Croda, einem Spezialchemieunternehmen, zusammen, um diese Herausforderungen anzugehen.

D2Hs Forschungsarbeit zum EV-Lärmproblem begann 2019, als ein Autohersteller das Unternehmen kontaktierte und um eine definitive Ursache für das Problem bat. Ein 32-Zellen-Batteriemodul für physikalische Tests wurde gebaut und einer Vielzahl potenzieller Kühllösungen unterzogen, einschließlich Immersions- und Kaltplatten-Techniken. Die Ergebnisse wurden über physikalische und Computational Fluid Dynamics (CFD) Techniken korreliert.

Ein entscheidender Zusatznutzen

Die Verwendung eines Croda-Dielektrikums innerhalb eines Immersionssystems wurde als Antwort identifiziert, da es reduzierte Pumpleistung erfordert, besonders in Schnellladesituationen. "Die gesamte Batterie wird in ein elektrisch nicht leitendes Kühlmittel getaucht", erklärte Chris Hebert, D2H Engineering Director. "Dies bringt erhebliche Vorteile durch niedrigere Spitzenzelltemperaturen, was höhere C-Raten [Rate, mit der die Batterie geladen/entladen wird] und reduzierte Temperaturgradienten innerhalb jeder Zelle ermöglicht, was zu längerer Pack-Lebensdauer führt."

Aber das stellt eine Herausforderung dar, da es die Verwendung von Wasser-Glykol mit seiner hohen spezifischen Wärmekapazität ausschließt. Dielektrische Flüssigkeiten können Schwierigkeiten haben, die Hälfte davon zu erreichen, erklärte Hebert, was zu größeren Temperaturgradienten über die Batterie von Einlass zu Auslass führt. Allerdings, mit sorgfältiger Aufmerksamkeit auf die Batterieinternas und die Kühlmittelflusswege – kombiniert mit Croda, das eine niedrigviskose, niedrigdichte Flüssigkeit entwickelt – "konnten wir dies mildern, während wir dennoch niedrige Pumpleistung beibehalten", sagte Hebert.

D2H stellte fest, dass der Wärmetransfer über das Pack mit der Immersionsmethode und Croda-Flüssigkeit weitaus effizienter war. "Wir bestätigten, dass es das Potenzial hat, die Thermomanagement-Herausforderung zu lindern", stellte Hebert fest. "Ein entscheidender Zusatznutzen ist der hohe Flammpunkt von niedrigviskosen dielektrischen Flüssigkeiten, was die Möglichkeit einer weiteren Reduzierung des Brandrisikos eröffnet."

D2Hs Forschung zur durch Schnellladezyklen erzeugten Wärme betrifft sowohl Batterieleistung als auch Langlebigkeit. Crodas Rolle in der Arbeit wird als essenziell angesehen, indem ein "neuartiges" Immersionsfluid eingeführt wird. "Angesichts der Vorteile der Immersionskühlung wird die Entwicklung fortgesetzt", sagte Hebert. "Brandrisiken reduzieren sich, da die Batterie kühler läuft. Diese Immersion verringert die Zündgefahr. Und Wärme ist die Hauptursache für Batterialterung und Leistungsabfall."

Pfade innerhalb des Packs

Ein Bericht von Forschern der University of California, Riverside, zitiert von Hebert, fand, dass hohe Temperaturen und Widerstand aus solchen Zyklen potenziell Batterien beschädigen, was zu beschleunigtem Verschleiß und in extremen Umständen Brandrisiko führt. Die Forscher fanden, dass nach 40 Schnellladungen die Batterien noch etwa 60 % ihrer ursprünglichen Kapazität hatten.

Es wird allgemein angenommen, dass für Automobilanwendungen Lithium-Ionen-Batterien ersetzt werden müssen, sobald die Kapazität unter 80 % sinkt – ein Niveau, das nach nur 25 Schnellladezyklen erreicht wurde. Der Bericht stellte fest, dass an diesem Punkt ein erhöhtes Risiko besteht, dass Elektroden und Elektrolyte der Luft ausgesetzt werden, was das Risiko von Brand oder Explosion erhöht, besonders bei Temperaturen von 60 °C und darüber.

Trotz der kurzen Zeiträume betrachtete D2H nicht nur die reine Kühlleistung. Glaubwürdigkeit für jedes EV hängt von erfolgreicher Verpackung genauso ab wie von Leistung und Ladezeit. Hebert merkte an, dass Immersionskühlung einen weiteren Vorteil haben könnte: "Immersionsdesigns verzichten auf die Kühlplatte und sind daher kompakter, was die Möglichkeit schafft, mehr Platz für die eigentlichen Zellen zu widmen."

Obwohl Immersion auf den ersten Blick wie eine schwerere Option aussieht, deutet D2Hs Forschung darauf hin, dass sorgfältiges Design der Pfade innerhalb des Batteriepacks reduzierte Galeriegrößen ermöglichen sollte, ohne den Fluss zu behindern, was zu reduziertem Kühlmittelvolumen und -gewicht führt.

"Die Verbesserung des Thermomanagements, insbesondere der Wärmeableitung während Schnellladezyklen, hat das Potenzial, in zukünftigen Iterationen größere Leistungsdichte, Reichweite und Lebensdauer zu ermöglichen – neben reduzierten Brandrisiken", betonte Hebert. "Erweiterte Forschung in diesem Bereich ist erforderlich und unsere experimentelle Arbeit zusammen mit Croda läuft weiter."

Dieser Artikel wurde verfasst von Stuart Birch, European Editor, SAE Automotive Engineering. Für weitere Informationen zu D2H besuchen Sie hier.