Что такое система охлаждения?
Вопрос от Джеймса Вонга, Фремонт, Калифорния.
Я работаю на старом заводе GM-Toyota NUMMI, и мы только что услышали, что когда-нибудь собираемся производить электромобиль. Люди продолжают говорить об охлаждении батареи. Какова реальная история?
Ответил Ричард Флэган, профессор химической инженерии и экологической инженерии Калифорнийского технологического института.
(В основном я работаю с аэрозолями, но в последнее время меня втянули в пару проектов по производству аккумуляторов совместно с Лабораторией реактивного движения и автомобильными компаниями.)
Литий-ионный-аккумулятор выделяет удивительное количество тепла, когда вы его толкаете. Аккумулятор на 60 кВтч при зарядке 3C может отвести 15–20 кВт тепла. Это небольшой обогреватель, работающий внутри пола автомобиля. Оставьте это в покое, и средние элементы достигнут температуры 60 градусов, пока вы все еще пытаетесь зарядиться до 80%. Жизнь быстро падает при температуре выше 45 градусов, поэтому вам приходится отключать тепло.
В большинстве упаковок сейчас используются плоские алюминиевые холодные пластины толщиной около 4–6 мм со штампованным каналом внутри. Вы вставляете одну пластину между каждыми двумя модулями или под каждым рядом пакетов. Пластина заполнена тонким слоем термопасты на дне ячейки. Пластины Ultium от GM именно такие. Тесла раньше наматывал круглую трубку под 18650-е и 2170-е зигзагом-выглядит как спагетти, работает нормально, но собирать муторно. В новой упаковке 4680 в Техасе вместо круглой трубки использовалась более широкая сложенная лента. Легче сваривать.
Охлаждающая жидкость почти всегда состоит из воды-гликоля 50/50 с обычными ингибиторами. Некоторые прототипы гоночных автомобилей используют чистый гликоль или даже силиконовое масло, но никто не поставляет его клиентам. Расход обычно составляет 10–20 литров в минуту для большой упаковки. Насос представляет собой небольшую бесщеточную штуку мощностью 400 Вт, работающую от напряжения 12 В. Он живет под капотом или в багажнике.
Радиатор расположен перед конденсатором кондиционера. На скорости по шоссе вы получаете много воздуха, но, сидя у нагнетателя в Барстоу при температуре 110 градусов по Фаренгейту, электрический вентилятор должен сильно тянуть. Вот почему несколько лет назад Tesla добавила маленький клапан-осьминог,-позволяющий охладителю заимствовать холодный хладагент из контура кондиционирования салона, когда там очень жарко.
Разброс температур является убийцей. Если температура самого холодного элемента составляет 25 градусов, а самого горячего — 40 градусов, вы теряете около 15–20 % срока службы аккумулятора. Таким образом, впускной коллектор должен равномерно распределять поток. Некоторые компании изготавливают крошечные отверстия в каждом ответвлении. Другие просто делают каналы длинными и тонкими, чтобы перепад давления обеспечивал равномерный поток. Пакет лопастных ячеек BYD направляет охлаждающую жидкость вдоль длинного края ячейки, а не по нижней части, -что обеспечивает лучшую однородность.
Холодная погода — это та часть, о которой никто не говорил в 1999 году. При температуре ниже 0 градусов вы не можете быстро заряжать, иначе вы покрываете литий-металл и убивает элемент. Таким образом, тот же контур, который охлаждается, теперь должен нагреваться. Нагреватель PTC мощностью 3–5 кВт устанавливается в резервуаре или сразу после насоса. BMS во время предварительного нагрева следит за напряжением элементов, как ястреб.
Давление обычно составляет 1–1,5 бар. Поддерживает температуру кипения на уровне 115–120 градусов, поэтому вы никогда не получите паровых карманов, если клетка решит перейти в экзотермический режим.
В прошлом году в Лаборатории реактивного движения мы тестировали модуль на 30-ячеек. После охлаждения температура поднялась с 25 градусов до 65 градусов за восемь минут при разряде 200 А. Включите насос на скорости 12 л/мин, и температура установится на 38 градусах. Восемь минут против никогда — именно поэтому теперь каждая серьезная упаковка имеет жидкостное охлаждение.
Это основная картина. Детали меняются каждый модельный год, но физика — нет.
