Упаковка достаточного количества энергии в аккумулятор для питания автомобиля оказывает большое давление на устройства хранения, которые в течение последнего столетия или около того в основном использовались для работы небольших бытовых приборов и электроники. Стресс доходит до них — проявляется в сбоях в работе, снижении производительности и даже срывах. Исследователи из Университета Дрекселя пытаются помочь, отводя часть буквального тепла от батарей и прокладывая более устойчивый путь их использования в электромобилях.

В недавно опубликованной статье в журнале Composites Part B: Engineering исследователи под руководством Ахмада Наджафи из Drexel, доктора философии, доцента инженерного колледжа, представили систему оптимизации конструкции для включения сети охлаждения, подобной кровеносному сосуду, в упаковка нового поколения аккумуляторов на основе углеродного волокна , используемых в электромобилях. Их метод уравновешивает факторы, повышающие производительность, такие как емкость и проводимость батареи, с проблемными переменными, включая вес и тепловую активность, которые могут снижать производительность и вызывать неисправности, чтобы обеспечить наилучшие характеристики аккумуляторной батареи для любой конструкции электромобиля.

«Одним из основных факторов, сдерживающих развитие электромобилей и, следовательно, расширение их доли на рынке , является низкая удельная энергия аккумуляторов, что делает электромобили тяжелыми, особенно для дальнобойной конструкции», — пишут авторы.

Многогранные аккумуляторы

Несмотря на то, что спрос на электромобили был подстегнут все более надвигающимися опасениями по поводу качества воздуха и изменения климата, а также ростом цен на бензин, рынок сдерживался рядом громких отзывов электромобилей за последний год, которые призвали к долговечности и безопасности. их батареи под вопросом.

В результате все больше компаний рассматривают возможность использования твердых аккумуляторов — тонкой версии на основе углеродного волокна более крупных литий-ионных аккумуляторов, широко используемых в электромобилях, — поскольку их можно разумно встроить в физическую структуру шасси автомобиля в качестве элемента питания. способ похудеть.

По некоторым оценкам, уменьшение веса автомобиля всего на 10 % может повысить эффективность пробега между зарядками на целых 6–8 %, поэтому замена частей рамы автомобиля композитным материалом из углеродного волокна, который действует как конструктивный компонент. и в качестве батареи может уменьшить общий вес транспортного средства, а также улучшить его емкость для накопления энергии.

Нагрев

Чтобы эти структурные или «безмассовые» батареи имели успех, разработчики должны решить проблему, связанную с использованием ими твердого полимера, а не раствора жидкого электролита, в качестве среды для прохождения электронов.

«Тепловыделение в конструкционных батареях будет существенно выше по сравнению со стандартными литий-ионными батареями», — пояснил Наджафи, поскольку проводимость полимерного электролита намного меньше, чем у жидких электролитов, используемых в литий-ионных батареях. Это означает, что электроны сталкиваются с большим количеством узких мест при движении через полимер; они вынуждены двигаться медленнее и, как следствие, выделяют больше тепла, когда батарея разряжается.

«Хотя конструкционные композитные батареи являются многообещающей технологией для снижения веса электромобилей, их конструкция, безусловно, выиграла бы от добавления системы управления тепловым режимом», — сказал Наджафи. «Это не только могло бы улучшить дальность полета электромобиля, но также значительно уменьшило бы вероятность реакции теплового разгона».

Оставаться хладнокровным

Исследовательская группа Наджафи уже несколько лет занимается разработкой специальных композитных материалов для управления теплом. Их работа основана на природном методе охлаждения — сосудистой системе — для рассеивания тепла. Модифицируя инструмент проектирования, который они изобрели, чтобы построить оптимальную «микрососудистую» сеть, исследователи смогли разработать охлаждающие композиты, которые будут работать как часть структурной упаковки батареи, которую в настоящее время тестируют такие компании, как Tesla, Volvo и Volkswagen.

Система проектирования, представленная командой Наджафи в их последнем исследовании, позволяет рассчитать наилучший рисунок, размер и количество микрососудистых каналов для быстрого отвода тепла от батарей, а также оптимизировать конструкцию для эффективности потока охлаждающей жидкости, движущейся по каналам.

«Эти композиты действуют как радиатор в автомобиле с двигателем внутреннего сгорания», — сказал Наджафи. «Хладагент втягивает тепло и отводит его от композита батареи по мере того, как он движется по сети микроканалов».

Размещение структурных батарей между слоями охлаждающих микрососудистых композитов может стабилизировать их температуру во время использования и увеличить время и диапазон мощности, в которых они могут функционировать.

Правильная посадка

Как сообщается в документе, в процессе структурной оптимизации батареи команда учитывает несколько конструктивных параметров, таких как толщина и направление волокон в каждом слое углеродного волокна, объемная доля волокон в активных материалах и количество микрососудистых композитных панелей, необходимых для терморегуляции.

Чтобы протестировать каждую комбинацию, группа измерила жесткость каждого конструкционного композитного ламината, охлаждающего батарею, чтобы убедиться, что они соответствуют стандартам структурной целостности автомобиля. Затем они смоделировали потребление энергии транспортным средством на различных скоростях в течение нескольких минут, записывая при этом температуру аккумулятора и прогнозируемый запас хода транспортного средства.

Согласно исследованию, компьютерные модели одной оптимизированной системы показали, что она может увеличить запас хода Tesla Model S на целых 23%. Но команда отмечает, что реальная ценность их работы заключается в ее способности подобрать наилучшее сочетание размера и веса батареи , включая достаточную охлаждающую способность, чтобы поддерживать ее работу, для любого электромобиля, находящегося в производстве сейчас, и любых будущих конструкций.

«Хотя мы знаем, что любое снижение веса может помочь улучшить производительность электромобиля, управление температурным режимом может быть столь же важным, а может быть и более важным, когда речь идет о том, чтобы люди чувствовали себя комфортно за рулем», — сказал Наджафи. «Наша система стремится интегрировать улучшения в обе эти области, которые могут сыграть важную роль в развитии электромобилей».