A hűtéshez legjobb folyadék az, amelyik megfelel az üzemi ablaknak, a nedvesített anyagoknak és a hőterhelésnek. Nincs egyetlen győztes megoldás. A legtöbb elektromos jármű és energiatároló akkumulátorcsomag esetében ez azt jelenti, hogy víz vagy víz-glikol keverék áramlik át egy hideg lemezen; a dielektromos folyadék csak akkor kerül a képbe, ha a hűtőarchitektúra közvetlenül vagy közelről érintkezik a folyadékkal a feszültség alatt álló alkatrészekkel. Ez a cikk összehasonlítja a gyakori hűtőfolyadékokat, majd bemutatja, hogyan szűkítik le az akkumulátorcsomag-mérnökök a választási lehetőségeket. Az Trumonytechs-nél mi tervezzük a hideg lemezeket és a cellák és a hűtőfolyadék között elhelyezkedő határfelületi anyagokat, így a folyadékkal kapcsolatos döntés és a hardverrel kapcsolatos döntés soha nem különül el.
Folyékony hűtőrendszerek megértése
A folyadékhűtő hurok sokkal hatékonyabban vonja el a hőt a celláktól, mint a levegő, mivel a folyadék nagy hőkapacitással rendelkezik, sűrű, szabályozható áramlással a forró felületen keresztül. Az, hogy a hurok mennyi hőt mozgat meg, ettől a folyadék tulajdonságától, a tömegáram sebességétől, a megengedett hűtőfolyadék-hőmérséklet-emelkedéstől, valamint a lemeztől és a hőcserélőtől függ, amelyen keresztül fut. Nincs egyetlen tulajdonság, amely ezt eldöntené.
Az akkumulátorhűtő rendszer fő alkotóelemei a következők:
- Hűtőfolyadék – az a munkaközeg, amely elnyeli a hőt a celláknál, és leadja azt a hőcserélőnél. Hővezető képessége és fajhője határozza meg, hogy a hurok mennyi hőt képes mozgatni.
- Hideglemez – a cellákhoz vagy modulokhoz nyomott vezetőképes alumínium vagy réz alkatrész. Egy jól illeszkedő hideglemez-kialakítás az, ami valójában hatékonyan adja át a hőt a hűtőközegnek, tehát a lemezt és a folyadékot együtt kell megadni.
- Hővezető anyag – a rés kitöltője, amely eltávolítja a levegőt a cella és a lemez között. Ez egy soros elem a cella-lemez hőútban, így folyékony hővezető anyagok és a betétek a cellaelrendezéssel, az érintkezési ellenállással és a lemez kialakításával együtt alakítják a csomagolás hőmérséklet-eloszlását, nem önmagukban.
- Szivattyú – folyamatosan mozgatja a hűtőfolyadékot a cellákból a hőcserélőbe. A viszkózusabb folyadék miatt a szivattyúnak keményebben kell dolgoznia ugyanazon áramlás érdekében.
- Hőcserélő – a begyűjtött hőt a levegőbe vagy egy második hurokba vezeti.
- Csövek és tartályok – szállítják a folyadékot és elnyelik a hőtágulást; anyagaiknak kompatibilisnek kell lenniük a kiválasztott hűtőfolyadékkal.
A lánc ilyen módon történő értelmezése megalapozza a folyadékkérdést: a hűtőfolyadék csak akkor “jó”, ha jól vezeti a hőt, és kompatibilis marad a lemezzel, a tömítésekkel és a szivattyúval, amelyeken keresztülfolyik.
A hűtőfolyadékok összehasonlító elemzése
Három hűtőfolyadék-család fedi le szinte az összes akkumulátor- és teljesítményelektronikai ciklust: víz, víz-glikol keverékek és dielektromos folyadékok. Mindegyik család a hőteljesítményt a hőmérséklet-tartománnyal, az elektromos biztonsággal és a karbantartással cseréli fel, így a megfelelő kiválasztása a nem lazítható korlátokból következik.
A víz jobban szállítja a hőt, mint az alternatívák, de a legszűkebb a használható ablaka. Tömeg alapon a fajhője nagyjából négyszerese a levegőének környezeti körülmények között, hővezető képessége pedig közel 0,6 W/m·K. Ez az a kombináció, amiért a víz az összehasonlítási alap, amelyhez minden más hűtőfolyadékot viszonyítanak. A határértékek gyakorlatiasak: légköri nyomáson 0 °C-on megfagy és 100 °C-on forráspontú, a kezeletlen víz pedig korrodálhatja a hideg lemezekben gyakori alumíniumot és rezet. Ahol ezek a határértékek elfogadhatóak, ioncserélt vagy desztillált vizet használnak a megfelelő adalékanyagokkal. A korrózió kockázata elég valós ahhoz, hogy a folyadék kezelése és az anyagok szabályozása... csökkenti a korrózió kockázatát ami egyébként idővel beszennyezné a csatornákat.
A víz-glikol keverékek némi hűtőteljesítményt kínálnak sokkal szélesebb biztonságos hőmérsékleti tartomány érdekében. Az etilén-glikol vagy propilén-glikol keverékek csökkentik a fagyáspontot és növelik a forráspontot, ami fontos azoknál a csomagoknál, amelyeket 0 fok alatt tárolnak, vagy széles környezeti hőmérséklet-ingadozásoknak tesznek ki, és a glikolcsomagok általában korróziógátlókat is tartalmaznak. A költség fizikai: a glikolkeverék viszkózusabb, mint a víz, és valamivel kevesebb hőt hordoz, és mindkét hatás a glikoltartalommal növekszik, és a hőmérséklettel változik. A szivattyú és a nyomásesés költségvetését a jelölt folyadék koncentráció-hőmérséklet tulajdonsággörbéi alapján méretezze, ne ökölszabály alapján. Ez az alapértelmezett folyadék a legtöbb EV és ESS csomagban, mert a fagyvédelem általában megéri a leadott teljesítményt.
A dielektromos folyadékok elektromos biztonságot nyújtanak valódi hőáron. Mivel nem vezetik az elektromos áramot, a feszültség alatt álló alkatrészekre történő szivárgás kisebb elektromos kockázattal jár, ezért jelennek meg merítésre és közvetlen érintkezésre alkalmas kivitelekben. Hővezető képességük azonban jóval a víz alatti érték alatt van, és tulajdonságaik, gyúlékonyságuk és anyagkompatibilitásuk a folyadékok között nagymértékben eltér. A dielektromos folyadékot ezért akkor kell választani, ha az architektúra megköveteli az izolációt, majd ezt az adott folyadék adataival kell összehasonlítani; a kategóriafeltételezés nem elegendő.
| Hűtőfolyadék | Relatív hőátadás | Hőmérsékleti ablak | Fő őrjárat |
|---|---|---|---|
| Víz (DI/desztillált) | A három közül a legmagasabb | Legszűkebb (fagyasztás/forralás korlátozott) | Korrózió inhibitorok és anyagszabályozás nélkül |
| Víz-glikol keverék | Magas, glikol frakcióval redukált | Kiterjesztett (készítménytől függő) | Magasabb viszkozitás → szivattyú/nyomásesés költsége |
| Dielektromos folyadék | Jól a víz alatt | Formulától függő | Gyenge hőátadás; ellenőrizze az adott folyadékonkénti hőátadást |
A fenti rangsorolás iránymutató. Mielőtt véglegesítenéd, ellenőrizd a jelölt tulajdonságait és anyagkompatibilitási adatait, valamint a dielektromos folyadékok ellenállási adatait.
A folyadékhűtési technológia legújabb vívmányai
Az újabb hűtési megközelítések többnyire azt változtatják meg, ahogyan a folyadék találkozik a cellákkal, nem pedig maguknak a folyadékoknak az alapvető fizikáját. Az akkumulátorok és az ESS-működés esetében két irányt érdemes követni, mindegyik között egyértelmű kompromisszum van.
A bemerítéses hűtés során a cellákat vagy modulokat közvetlenül egy dielektromos folyadékba merítik, ami eltávolítja a lemez-cella határfelületet, mint szűk keresztmetszetet, és javíthatja a hőmérséklet-egyenletességet. A hátulütője ugyanaz a fent említett alacsony hővezető képesség, plusz a nagyobb folyadékmennyiség, súly és a tervezés során figyelembe veendő tömítés. A bemerítést akkor választják, ha az egyenletesség vagy az elektromos szigetelés dominál, nem pedig a nyers hőátadási adatok miatt.
Az alacsonyabb globális felmelegedési potenciállal rendelkező folyadékok a másik aktív terület, amelynek célja a régebbi készítmények olyan lehetőségekkel való lecserélése, amelyek kevésbé terhelik a környezetet. Ezeket továbbra is ugyanazon tulajdonságok alapján értékelik, amelyeknek minden hűtőfolyadéknak meg kell felelnie: vezetőképesség, viszkozitás, anyagkompatibilitás és stabilitás a csomag élettartama alatt. A “zöldebb” címke önmagában nem minősíti a folyadékot egy adott ciklusra, ezért minden új folyadék teljesítmény- és kompatibilitási adatait úgy kezelje, mint valami olyasmit, amelyet a saját anyagaival szemben kell ellenőrizni.
Hogyan válasszuk ki a legjobb hűtőfolyadékot
A hűtőfolyadék kiválasztása egy olyan gyakorlat, amelynek során a nem mozgatható korláttal szemben kizárjuk a lehetőségeket, majd a megmaradó kereteken belül optimalizáljuk a lehetőségeket. Egy akkumulátorcsomag esetében a változókat nagyjából ebben a sorrendben kell kezelni.
Kezdjük a hőmérsékleti ablakkal, mert az gyorsan kioltja az egész családokat. Ha a csomagnak fagypont alatti tárolást vagy forró környezetet kell kibírnia, akkor sima víz helyett víz-glikol keverék vagy más, kiterjesztett hőmérsékleti tartományú folyadék kerül be. A szükséges fagyáspont határozza meg a minimális glikolarányt, és ez a frakció viszont meghatározza a viszkozitási büntetést.
Ezután döntsd el a hűtési architektúrát, mert ez határozza meg, hogy egyáltalán van-e dielektromos folyadék. Egy közvetett hűtőlemez fizikailag elválasztja a folyadékot a celláktól, és a kezelt víz vagy víz-glikol keverék általában jobban teljesít. A közvetlen érintkezésű és merítéses kialakítások a folyadékot feszültség alatt álló alkatrészekhez helyezik. Itt a dielektromos folyadék az opciótól a követelmény felé halad, amelyet az elviselhető szivárgás következménye alapján választanak ki, és amelyet az ellenállás és az anyagkompatibilitás alapján validálnak. Gyengébb hőátadását a megnövelt felület ellensúlyozza.
Ezután ellenőrizze az anyag és a tömítés kompatibilitását. Ellenőrizze a hűtőfolyadékot minden nedvesített anyaggal szemben: lemezötvözet, csövek, tömítések és szivattyú belső részei, és adja meg az adott kombinációhoz tartozó korróziógátlókat. A kevert fémek a szokásos meghibásodási pontok, és az alumíniummal jól keveredő folyadék is megtámadhatja a tömítést.
Végül a viszkozitás és a nyomásesés miatti méret, mivel a nagyobb viszkozitású keverék növeli a szivattyú teljesítményét, és szélesítheti a hőmérsékleti gradienst, ha az áramlás a legtávolabbi csatornákban csökken. Itt találkozik a folyadékválasztás és a hardver: a hideglemez csatornakialakítása, és ahol a hurok egy folyadék-folyadék hűtőrendszer vagy egy levegőoldali hőcserélőt, a választott folyadékhoz kell méretezni. A mi folyadékhűtő panelek elektromos járművekhez és ESS-ekhez erre a cella-hűtőfolyadék útvonalra készültek, és a folyadékot a lemezhez és a munkaciklushoz kell igazítani, nem önmagában kell meghatározni.
A hűtőfolyadék hatása az akkumulátor hatékonyságára és élettartamára
A választott hűtőfolyadék a hőmérséklet-egyenletességben, a cella élettartamában és a biztonsági ráhagyásban is megmutatkozik a folyamat végén, nem csak a hőmennyiségben. Az a folyadék, amely jól szállítja a hőt, de nem gátolt, vagy amelynek viszkozitása miatt a távoli csatornák nem jutnak be, még akkor is ronthatja a csomag teljesítményét, ha a fő vezetőképessége jónak tűnik.
A hőmérséklet-egyenletesség az, amiben a folyadék megőrzi erejét, mivel a cella degradációja nemcsak a csúcshőmérsékletet, hanem a csomagon belüli eloszlást is követi. A lítium-ion cellák a kémiai összetételüktől függő hőmérsékleti sávban működnek a legjobban. Az elfogadható átlagos és maximális cellák közötti különbséget a cella adatlapja, a töltöttségi állapot, a C-arány, az élettartam-cél és az OEM elfogadási ablaka alapján kell beállítani, nem pedig egyetlen általános érték alapján. Az erős hőátadással és minden csatornában elegendő áramlással rendelkező hűtőfolyadék teszi lehetővé a szűk gradienst.
A hosszú élettartam és a biztonság ugyanabból a szabályozásból fakad. A celláknak a sávjukon belül tartása és szoros illeszkedése csökkenti az öregedést okozó hőterhelést, és megőrzi a hőmegfutással szembeni védelmet – azt a meghibásodási módot, amely az akkumulátor hűtését biztonsági rendszerré, nem pedig csak teljesítményalapúvá teszi. Ezért a folyadékválasztást a csomag valós kitöltési tényezőjéhez, nem pedig egy adatlapon szereplő csúcsértékhez viszonyítják.
Következtetés
Nincs univerzálisan legjobb hűtőfolyadék. A helyes válasz az, hogy melyik folyadék éli túl a legnehezebb igénybevételt, és még mindig elegendő hőt mozgat meg magában. A legtöbb elektromos és elektromos járműcsomag esetében a gyakorlati sorrend rövid: először a hőmérsékleti ablakot kell meghatározni, ami általában víz-glikol keverékre mutat; az architektúrát kell meghatározni, a dielektromos folyadékot csak ott kell bevezetni, ahol a kialakítás a folyadékot feszültség alatt álló alkatrészekkel érintkezik; majd az anyagkompatibilitást kell ellenőrizni, és a hurkot az elfogadott viszkozitásnak megfelelően kell méretezni. Ha ezt a sorrendet helyesen választjuk meg, a “legjobb folyadék” kérdésre többnyire magától megválaszolódik a kérdés.
A folyadékot és a hardvert, amelyen keresztülhalad, egyetlen döntésként kell meghatározni. Ha a hűtőfolyadékot egy adott cellaformátumhoz, hűtőlemez-elrendezéshez vagy határfelületi anyag réteghez illeszti, vegye fel a kapcsolatot az Trumonytechs csapatával hogy a változókat a falkád ellenében dolgozd fel.
GYIK
Vizet vagy víz-glikol keveréket használjak elektromos vagy ESS akkumulátor hűtőlemezéhez?
Használjon víz-glikol keveréket, ha a tartály fagypont alatti tárolásra vagy nagy környezeti ingadozásra van kitéve, és csak kezelt vizet, ha a hőmérséklet-ablak enyhe marad. A glikol csökkenti a fagyáspontot és növeli a forráspontot a hőátadás és a nagyobb viszkozitás rovására, amit a legtöbb tartály elfogad a fagyvédelem érdekében. Ellenőrizze a glikol frakcióját a legalacsonyabb hőmérséklethez képest, amelyet el kell viselnie.
Futtathatok sima csapvizet az akkumulátor folyadékhűtő körébe?
Nem. A csapvíz szennyeződéseket juttat a lemezekbe, amelyek korrodálhatják és eltömíthetik a csatornákat. Ha a víz megfelel az Ön hőmérsékleti tartományának, használjon ioncserélt vagy desztillált vizet, és a vízminőséget, a korróziógátlókat és a mikrobiális kockázatot az eredetiberendezés-gyártó (OEM) vagy a hűtőfolyadék-beszállító specifikációi szerint szabályozza, a nedvesített anyagok teljes készletével összehasonlítva. A kezeletlen csapvizet elkerülhető korróziós és szennyeződési kockázatként kezelje, ne költségmegtakarításként.
Mikor van szükségem dielektromos folyadékra víz-glikol helyett?
Válasszon dielektromos folyadékot, ha a hűtési architektúra miatt a folyadék közvetlenül érintkezik a cellákkal vagy a gyűjtősínekkel, mint például az immerziós kialakításoknál, és a vezetőképes hűtőfolyadék szivárgása elfogadhatatlan. Előnye a nem vezetőképessége; ára pedig a sokkal alacsonyabb hővezető képessége, amit a nagyobb hőátadó felület ellensúlyoz. Ha egy közvetett hűtőlemez elválasztja a folyadékot a celláktól, akkor a víz-glikol hűtőközeg általában a jobb választás, ezért ellenőrizze az adott folyadék adataival.
Melyik hűtőfolyadék tulajdonsága számít a legjobban a hőmérséklet egyenletessége szempontjából egy csomagon belül?
A megfelelő hőátadás és a minden csatornában elegendő áramlás kombinációja a legfontosabb, mivel az egyenletesség a leghidegebb és legmelegebb cellák közelségétől függ, nem csak az átlagtól. Egy viszkózus folyadék, amely a legtávolabbi csatornákat is aluláramolja, szélesíti a gradienst, még akkor is, ha a térfogati tulajdonságai megfelelőek. Határozza meg a célátlagot és a cellaközi maximális különbséget a cellák és a kitöltési tényező alapján, majd méretezze a szivattyút és a csatorna kialakítását a ténylegesen kiválasztott folyadékhoz.
További olvasmányok
- Hűtőközeg kiválasztása folyékony hűtéshez — Astrodyne TDI — Műszaki cikk a hűtőfolyadék kiválasztásáról; bemutatja a víz és a víz-glikol tulajdonságok közötti kompromisszumokat (hővezető képesség, forráspont/fagyáspont, viszkozitás) a fentiekkel összehasonlítva.
- Hogyan működik az akkumulátor folyadékhűtése — Neural Concept — Akkumulátorhűtés-mérnöki magyarázat; támogatja a celláktól a hűtőközegig terjedő hőáramlást és a lítium-ion akkumulátorok üzemi hőmérsékletével kapcsolatos megbeszélést.
Kapcsolódó cikkek
- Akkumulátor folyadékhűtő rendszer áttekintése — Rendszerszintű áttekintés az akkumulátorok folyadékhűtési köreinek felépítéséről és a léghűtés hiányosságainak okairól.
- Hideglemez és hegesztés: Hőkezelés — Hogyan befolyásolja a hideglemezes konstrukció és a hegesztés a csomag hőelvezetését és a hőmérséklet-egyensúlyt.
- Folyadék-levegő hőcserélő: Növelje az elektromos járművek hűtését és élettartamát — Hogyan vezetik le a folyadék-levegő hőcserélők az akkumulátor hűtőfolyadékának hőjét a hőmérséklet és a hatótávolság megtartása érdekében.
- Miért van szükség az elektromos járműveknek lítium-ion akkumulátorokra a töltéshez és a kisütéshez? — Miért használnak lítium-ion cellákat az elektromos járművek, és hogyan tartja őket a hűtés a működési tartományukon belül.
- A hőkezelési kihívások leküzdése az elektromos járműiparban: Átfogó útmutató — A hűtőfolyadék-választáson túlmutató, szélesebb körű elektromos járművek hőkezelési kihívások.
