Şeful Koenigsegg a patentat o nouă tehnologie genial de simplă de a amplasa şi răci bateriile maşinilor electrice sau hibride

În ultimii ani, tot mai multe din modelele electrice care erau admirate în valul de lansări care a avut loc prin 2019-2023 ajung în afara garanţiei, ceea ce le face să ajungă şi în ateliere de service independente, care le descoperă tot mai multe probleme şi scăpări inginereşti, ce se fac văzute doar în timp. Bateriile adună câteva din cele mai răspândite probleme şi e curios că până şi la bateriile celor mai hi-tech modele electrice se remarcă uneori probleme pe care mulţi le-am fi considerat rezolvate. Însă acum, şeful Koenigsegg, Christian von Koenigsegg, a patentat o tehnologie genial de simplă de a amplasa şi răci bateriile maşinilor electrice sau plug-in hibride, care rezolvă simultan mai multe provocări de densitate şi performanţă şi totodată le rezolvă şi problemele de fiabilitate.

Ştim că bateriile maşinilor moderne pot avea celule cilindrice, prismatice sau în formă de plicuri, eventual puse în structuri modulare. Mai ştim că unii producătorii de bateri sau chiar de maşini de laudă cu densitate energetică admirabil de mare la nivelul de celulă — de 220, 250 sau chiar 300 Wh/kg şi mai mult. Dar când se ajunge la densitatea pe întreaga carcasă de baterie, cifra se reduce considerabil, până pe la 140-180 Wh/kg. De ce se întâmplă asta? Din cauza structurilor complexe în care trebuie puse celulele acelor baterii.

Oricare ar fi forma aleasă a celulelor, adesea se merge pe calea grupării lor în module, care să conţină de obicei câteva zeci de celule, sau câteva sute dacă sunt celule cilindrice mai înguste. Un modul are o carcasă metalică de obicei, care trebuie să fie suficient de dură pentru a asigura integritatea structurală inclusiv în situaţii extreme, ceea ce impune un metal mai greu. Dacă ar fi doar funcţia structurală, s-ar putea opta mai simplu pentru materiale mai dure şi mai uşoare. Însă modulele trebuie proiectate astfel încât să aibă loc şi răcirea celulelor, iar asta înseamnă, pe de o parte, spaţii prevăzute pe unde că circule antigelul, şi structuri metalice adiţionale care să preia şi să direcţioneze căldura.

Poate suna bizar, dar până şi multe din cele mai noi şi admirate modele electrice au răcire directă doar pe una din pârţile bateriei, de obicei pe cea de jos. Celulele contactează, spre exemplu, cu o pastă termică în partea de jos, iar pasta termică e conectată cu podeaua carcasei de baterii. Podeaua are la rândul ei canale în statul său inferior, prin care circulă antigel. Astfel, celulele de bateriei contactează direct doar cu baza lor cu o suprafaţă mai rece, care să le asigură preluarea căldurii.

Unele module au şi nişte structuri verticale între module. De obicei, acestea sunt doar structuri metalice, care funcţionează pe principiile simple ale unui radiator metalic şi ele contactează cu aceeaşi pastă termică din bază, transferând un pic de căldură. Foarte rar se întâmplă ca prin aceste structuri să circule lichid de răcire, şi chiar dacă circulă, o asemenea structură contactează direct doar cu carcasa modulului sau cu câteva celule, nu cu toate celulele.

Mulţi mecanici care descoperă apoi celule problematice spun că în mod ideal o baterie ar trebui să aibă canale de răcire verticale care să contacteze cu fiecare celulă, indiferent că bateria are 3.000 de celule cilindrice sau 200 celule prismatice. Ba dimpotrivă, la cele prismatice răcirea pe verticală ar fi şi mai necesară, pentru că acolo suprafaţa lor e mai mare.

Dar asta nu se întâmplă, pentru că o asemenea reţea de conducte de răcire ar fi extraordinar de complexă şi ar creşte şi mai mult greutatea. Or, până în prezent abordarea inginerească în lumea noastră este de parcă ne gândim întâi la amplasarea cât mai compactă a celulelor de baterii, apoi ne gândim şi cum să le răcim un pic, mai grupându-le câte un pic şi făcând nişte spaţii între ele. Şi ajungem efectiv să proiectăm carcase şi conducte de răcire în jurul acestor celule, complicând inutil procesul şi nu neapărat răcind bine la final.

E ca şi cum la un motor cu combustie ar proiecta întâi cilindrii încapsulaţi în blocul motor şi i-am face super capabili, apoi ne-am da seama că trebuie să şi răcim acei cilindri şi le facem un etaj de răcire ca o placă, fie în partea de sus, fie în jos, iar cilindrul cu combustie ar fi răcit doar pe latura sa de sus, se exemplu. Dar pereţii ar rămâne fierbinţi şi, în operare intensă, în timp, pereţii cilindrilor se supraîncălzesc, se deformează şi se erodează, ducând la clacare.

Care e soluţia la motoarele cu combustie în a răci cilindrii? Fireşte e în însăşi construcţia blocului, care are canale de răcire în jurul cilindrilor. Blocul e construit din start cu acele canale de răcire interne în structura sa prevăzute, antigelul circulă pe acolo şi răcirea are loc eficient.

Cum a rezolvat problemă răcirii Chirstian von Koenigsegg la baterii prin noua invenţie? Exact pe acelaşi principiu folosit la blocurile motoarelor cu combustie. El a conceput o carcasă de baterii, formată din aliaj uşor, formată dintr-o structură inferioară, superioară şi de mici piloni deşi între cele două nivele, lăsând loc între piloni cât pentru o celulă. La nivelul unei întregi baterii, locurile lăsate arată aproape ca un fagure, dar marea deosebire e că fiecare celulă e înconjurată de o structură prin interiorul căreia circulă antigel şi care-i asigură astfel răcirea uniformă şi eficientă.

Asta-i permite bateriei să ajungă la valori de putere raportată la capacitatea sa mult mai mare, crescând densitatea de putere raportată la greutate. Îi mai permite şi să accepte o putere mult mai mare de încărcare, întrucât celulele baterie îşi pot disipa excelent căldura la puteri mari.

Dar, odată ce există aceşti piloni răciţi, creaţi din aliaj dur şi uşor, el revin şi elementele structurale ale bateriei. Iar bateria nu mai are nevoie astfel de construcţii adiţionale la module, nu mai are nevoie de conducte suplimentare de răcire, şi în final economiseşte enorm de mult în greutate, reducând acele pierdere de densitate gravimetrică de la celulă la carcasă, de care vorbeam mai sus.

Ceea ce a patentat Christian von Koenigsegg pare adaptat in imagini pentru celulele cilindrice, dar principiul poate fi folosit şi la celule prismatice sau eventual cele în formă de plic. Mai mult ca atât, şeful Koenigsegg a identificat şi două materiale din care e posibil să fie produsă noua carcasă de baterie, folosind printerele 3D aditive, adică cele care „cresc” forma necesară adăugând material. Şi întrucât vorbim de printere 3D industriale de înaltă precizie, multitudinea de piloni cu canale de răcire prin ei n-ar fi deloc o problemă.

Cele două materiale sunt LOCTITE 3D 3955 şi BASF Ultracur3D ST 45 B. Ambele sunt fotopolimeri de înaltă duritate, dar LOCTITE 3D 3955 e cel mai special de aici, fiind certificat pentru uzul în piese de aviaţie şi fiind totodată ignifug, cu o stabilitate structurală impresionantă la schimbarea de temperaturi. Poate rezista intact până la 238 grade Celsius. Greutatea lui e mult mai mică decât cea a oricărui metal, dar rezistenţa ar fi similară. Conductivitatea termică a acestui material e mai mică decât cea a metalului, dar această problemă e depăşită prin proximitatea faţă de fiecare celulă, spune şeful Koenigsegg.

Aşadar, avem unul din puţinele cazuri din industrie când şeful şi fondatorul unei companii auto e şi inventatorul unei tehnologii. E un caz rar pentru industrie, însă nu şi pentru Christian von Koenigsegg, care, deşi n-ar studii inginereşti, e omul din spatele inovaţiilor Koenigsegg şi are multiple invenţii patentate în istoria vieţii sale. Şi se pare că de această dată a fost suficient să gândească genial se simplu, dintr-o perspectivă diferită, din perspectiva răcirii motoarelor cu combustie, pentru a răci bateriile electrice şi a le reda densitate mult mai mare. Iar bateriile răcite astfel n-ar mai avea probleme în timp cu celule neglijate şi ar rezista impecabil în timp, indiferent de megawaţii de putere pe care îi susţin.