解决电动汽车电池快速充电器产生的过度噪音问题的研究和开发工作,在热管理、散热和降低火灾风险方面取得了进展。英国专业工程公司D2H Advanced Technologies发现,噪音发生在车辆快速充电周期。这是由于对冷却剂的高泵功率要求造成的,冷却剂对电池散热至关重要。满足了OEM客户的需求,D2H将研究重点直接转向了系列生产锂离子电池的热需求。

在电动汽车电池中,积聚的热量会导致加速退化,甚至热失控。这个问题可能会出现,因为更大的里程和更快的充电变得至关重要,以说服公众,电力,而不是天然气或柴油,是未来个人交通的能源来源。D2H公司的客户包括迈凯轮、雪佛兰赛车和电动方程式赛车,该公司正与专业化学品公司Croda合作,以应对这些挑战。

D2H对电动汽车噪音问题的研究始于2019年,当时一家汽车制造商联系该公司,询问问题的确切原因。一个用于物理测试的32芯电池模块已经建成,并采用了各种潜在的冷却解决方案,包括浸入式和冷板技术。结果通过物理和计算流体动力学(CFD)技术进行关联。

一个重要的额外好处

在浸没系统中使用Croda介质流体被认为是解决方案,这需要降低泵浦功率,特别是在快速充电的情况下。“整个电池浸泡在一种不导电的冷却剂中,”D2H工程总监Chris Hebert解释说。“通过降低电池峰值温度,实现更高的c速率(电池充电/再充电的速率),并降低每个电池内部的温度梯度,从而延长电池组寿命,这将带来显著的好处。”

但这提出了一个挑战,因为它否定了水-乙二醇的比热容。Hebert解释说,电介质流体很难达到这个温度的一半,这导致电池从入口到出口的温度梯度更大。然而,通过对电池内部和冷却剂流动路径的仔细关注——结合Croda开发的低粘度、低密度流体——“我们已经能够在保持低泵功率的同时缓解这一问题,”Hebert说。

D2H和Croda正在合作,从冷板冷却转向更有效的浸入式冷却。(D2H)

D2H发现,使用Croda流体的沉浸式方法,整个包的传热效率要高得多。Hebert说:“我们确认,它具有缓解热管理挑战的潜力。”“一个重要的额外好处是,低粘度介质流体的高闪点,可以进一步降低火灾风险。”

D2H对快速充电循环产生的热量的研究涉及电池性能和寿命。Croda在作品中的角色被认为是必不可少的,他引入了一种“新颖”的沉浸式流体。Hebert说:“考虑到浸入式冷却的好处,开发还将继续。“随着电池冷却运行,火灾风险降低。这种浸泡降低了点火的机会。热是电池老化和性能下降的主要原因。”

狼群中的路径

赫伯特引用了加州大学河滨分校(University of California, Riverside)研究人员的一份报告,报告发现,这种循环产生的高温和阻力可能会损害电池,导致加速磨损,在极端情况下,还会引发火灾。研究人员发现,经过40次快速充电后,电池的容量只有原来的60%左右。

一般认为,在汽车应用中,锂离子电池的容量一旦低于80%就需要更换,而这一水平在经过25次快速充电循环后就能达到。报告指出,在这一点上,电极和电解质暴露在空气中的风险增加,增加了火灾或爆炸的风险,特别是在60°C以上的温度下。

电池周围冷却液的流动。D2H为物理测试搭建了一个32芯电池模块。(D2H)

尽管涉及的时间很短,但D2H并不仅仅考虑完全的冷却性能。每辆电动汽车的信誉取决于成功的包装,同样取决于性能和充电时间。Hebert指出浸入式冷却可能有进一步的好处:“浸入式设计无需冷却板,因此更加紧凑,这可能为实际电池创造更大的空间。”

虽然表面的浸泡看起来更重,但D2H的研究表明,仔细设计电池组内的通道应该能够减少通道尺寸,而不妨碍流动,从而减少冷却剂的体积和重量。

Hebert断言:“加强热管理,特别是快速充电周期的散热,有潜力在未来的迭代中实现更大的功率密度、射程和寿命,同时降低火灾风险。”“这一领域还需要进一步的研究,我们与Croda的实验工作正在进行中。”

本文由SAE欧洲编辑Stuart Birch撰写汽车工程。欲了解更多关于D2H的信息,请访问在这里


电池技术杂志

本文首次发表于2021年9月号电池技术杂志。

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