Uma solução imersiva para baterias EV termicamente mais seguras

O trabalho de pesquisa e desenvolvimento para resolver um problema de ruído excessivo criado pelo carregador rápido de bateria de um EV levou a avanços no gerenciamento térmico, dissipação de calor e redução dos riscos de incêndio. A D2H Advanced Technologies, uma empresa de engenharia especializada com sede no Reino Unido, descobriu que o ruído ocorria durante os ciclos de carga rápida do veículo. Foi causado por requisitos de alta potência de bombeamento para o refrigerante, essencial para dissipar o calor da bateria. Com o cliente OEM satisfeito, a D2H mudou seu foco de pesquisa diretamente para as demandas térmicas das baterias de íon-lítio de produção em série.

Nas baterias EV, o acúmulo de calor pode levar à degradação acelerada ou até mesmo à fuga térmica. Esse problema pode ocorrer à medida que maior alcance e carregamento mais rápido se tornarem essenciais para convencer o público de que a eletricidade, não o gás ou o diesel, é a futura fonte de energia para o transporte pessoal. A D2H – cujos clientes incluem McLaren, Chevrolet Racing e Fórmula E – está trabalhando com a Croda, uma empresa química especializada, para enfrentar esses desafios.

O trabalho de pesquisa da D2H sobre o problema do ruído EV começou em 2019, quando uma montadora entrou em contato com a empresa pedindo uma causa definitiva para o problema. Um módulo de bateria de 32 células para testes físicos foi construído e submetido a uma variedade de soluções de resfriamento em potencial, incluindo técnicas imersivas e de placa fria. Os resultados foram correlacionados através de técnicas de dinâmica de fluidos física e computacional (CFD).

Um benefício extra vital

O uso de um fluido dielétrico Croda dentro de um sistema de imersão foi identificado como a resposta, exigindo potência de bombeamento reduzida, especialmente em situações de carga rápida. “Toda a bateria está imersa em um refrigerante eletricamente não condutor”, explicou Chris Hebert, diretor de engenharia da D2H. “Isso traz benefícios significativos por meio de temperaturas de pico mais baixas da célula, permitindo taxas C mais altas [taxa na qual a bateria é carregada/recarregada] e gradientes de temperatura reduzidos dentro de cada célula, levando a uma vida útil mais longa da bateria.”

Mas isso representa um desafio porque nega o uso de água-glicol, com sua alta capacidade de calor específico. Os fluidos dielétricos podem lutar para atingir metade disso, explicou Hebert, resultando em maiores gradientes de temperatura na bateria, da entrada à saída. No entanto, com atenção cuidadosa aos componentes internos da bateria e aos caminhos do fluxo do refrigerante – combinados com a Croda desenvolvendo um fluido de baixa viscosidade e baixa densidade – “conseguimos mitigar isso enquanto ainda mantemos baixa potência da bomba”, disse Hebert.

A D2H descobriu que a transferência de calor através do pacote era muito mais eficiente usando o método imersivo com fluido Croda. “Confirmamos que ele tem potencial para aliviar o desafio do gerenciamento térmico”, observou Hebert. “Um benefício extra vital é o alto ponto de fulgor dos fluidos dielétricos de baixa viscosidade, levando à possibilidade de redução ainda maior do risco de incêndio.”

A pesquisa da D2H sobre o calor gerado por ciclos de carga rápida diz respeito ao desempenho e à longevidade da bateria. O papel da Croda na obra é considerado essencial, introduzindo um fluido imersivo “novo”. “Dados os benefícios do resfriamento por imersão, o desenvolvimento continuará”, disse Hebert. “Os riscos de incêndio diminuem à medida que a bateria fica mais fria. Essa imersão reduz a chance de ignição. E o calor é a principal causa do envelhecimento da bateria e queda de desempenho.”

Caminhos dentro do pacote

Um relatório de pesquisadores da Universidade da Califórnia, Riverside citado por Hebert descobriu que altas temperaturas e resistência de tais ciclos potencialmente danificam as baterias, resultando em desgaste acelerado e, em circunstâncias extremas, risco de incêndio. Os pesquisadores descobriram que, após 40 cargas rápidas, as baterias tinham cerca de 60% de sua capacidade original.

Geralmente, considera-se que, para aplicações automotivas, as baterias de íons de lítio precisam ser substituídas quando a capacidade cai abaixo de 80% - um nível que foi alcançado após apenas 25 ciclos de carregamento rápido. O relatório afirmou que neste momento, há um risco aumentado de eletrodos e eletrólitos serem expostos ao ar, aumentando o risco de incêndio ou explosão, especialmente em temperaturas de 60 ° C e acima.

Apesar dos curtos prazos envolvidos, a D2H não considerou apenas o desempenho de refrigeração total. A credibilidade de cada EV depende de uma embalagem bem-sucedida, tanto quanto do desempenho e do tempo de recarga. Hebert observou que o resfriamento imersivo pode trazer um benefício adicional:“Os projetos de imersão dispensam a placa de resfriamento e, portanto, são mais compactos, o que pode criar a oportunidade de maior espaço dedicado às células reais”.

Embora a imersão na face pareça uma opção mais pesada, a pesquisa da D2H sugere que o design cuidadoso dos caminhos dentro da bateria deve permitir tamanhos de galeria reduzidos sem impedir o fluxo, resultando em volume e peso reduzidos de refrigerante.

“Aprimorar o gerenciamento térmico, especialmente a dissipação de calor durante os ciclos de carga rápida, tem o potencial de permitir maior densidade de energia, alcance e vida útil em iterações futuras – juntamente com riscos de incêndio reduzidos”, afirmou Hebert. “É necessária uma extensa pesquisa nessa área e nosso trabalho experimental em conjunto com a Croda está em andamento.”

Este artigo foi escrito por Stuart Birch, Editor Europeu, SAE Engenharia Automotiva. Para mais informações sobre D2H, visite aqui .