O echipă de ingineri chinezi a creat o baterie de camion electric, în care celulele sunt scufundate într-un lichid dielectric

Camioanele electrice au ajuns la o dezvoltare galopantă, în China, care a accelerat brusc în ultimele luni. Chiar ieri scriam că proporţia camioanelor electrice printre achiziţiile noi a ajuns la aproape 50% în China, iar printre basculantele grele această cotă depăşeşte 70%. Şi mai spuneam în acelaşi articol că, dacă în cazul maşinilor electrificate în China au cote mari atât cele pur electrice, cât şi cele plug-in hibride, atunci în cazul camioanelor aproape 100% sunt electrice, modelele plug-in hibride fiind aproape inexistente. Şi există o explicaţie interesantă pentru asta, pe care o aflăm azi indirect de la o echipă de ingineri, formată din angajaţi Shell şi FAW, care a creat o baterie pentru camioanele hibride şi eventual cele electrice, unde celulele bateriei sunt scufundate într-un lichid dielectric.

Construcţia bateriei presupune, deci, ca interiorul carcasei să fie efectiv umplut cu un lichid neconductor de electricitate, iar celulele prismatice ale bateriei ar fi astfel înconjurate de acel lichid. În partea superioară ar fi turnat un strat izolator de spumă rigidizată, care separă astfel lichidul de zona conectoarelor la celule.

Inginerii declară că lichidul a fost dezvoltat de Shell, fiind unul din categoria numită GTL de aceştia, ceea ce înseamnă că e produs din gaz natural la bază, prin procese de distilare Fischer-Tropsch, ajungându-se în final la un ulei sintetic hidrocarbonat pur cu o conductivitate electrică aproape inexistentă. Nu e folosită, deci, apa cu glicol sau alte soluţii folosite uneori pentru instalaţii termice.

De ce ar vrea inginerii să folosească o baterie cu celulele scufundate în lichid? Pentru răcire mai bună şi un lanţ întreg de efecte ce survin din asta — acesta e răspunsul principal. Marea majoritate a bateriilor actuale pentru modelele electrice şi plug-in hibride au răcire cu antigel însă acea răcire se realizează doar în partea de jos a bateriei. De obicei, carcasa are un strat inferior cu canale prin care circulă antigel, iar punctele de contact cu celulele sunt gândite pentru o bună convecţie termică, prin care căldura e transferată prin acele puncte. Antigelul circulă printr-un schimbător exterior de căldură, unde e răcit de un sistem cu refrigerent, pe principiu identic cu aerul condiţionat.

Foto: Stratul inferior al carcasei, cu pastă termică de transfer al căldurii dintr-o baterie

Acest principiu funcţionează relativ viabil, dar nu e ideal din punct de vedere teoretic, întrucât lasă în interiorul celulei un soi de gradient termic, în care partea mai departe de punctul de contact cu sistemul de răcire e mai fierbinte decât cea apropiată. Tocmai de asta, în cazuri mult mai rare există şi baterii care mai au un circuit adiţional şi deasupra, răcind bateriile din două părţi. Iar acum un an scriam şi despre o invenţie a fondatorului Koenigsegg, Christian von Koenigsegg, care create o structură interioară tubulară care să susţină toată celulele unei baterii şi prin care ar circula antigel, crescând astfel enorm suprafaţa de contact cu celulele.

Foto: Invenţia Koenigsegg

Acolo unde această problemă inginerească se manifestă ce mai mult e la episoadele de încărcare puternic, dar mai ales descărcare puternică a bateriei — adică în momentele de furnizare a puterii maxime spre electromotor. Atunci celulele sunt forţate mai tare şi mai rapid pe o perioadă scurtă de timp şi-şi pot creşte rapid temperatura, iar după câteva zeci de secunde sau minute, răcirea ar putea fi insuficientă şi BMS-ul bateriei ar putea începe a limita puterea.

La maşini, asta e mai degrabă o situaţie teoretică, care s-ar face simţită în situaţii foarte rare, cum ar fi curse de drag repetate, apropiate în timp una de cealaltă, dar şi acolo maşinile puternice finalizează cursa în 10-15 secunde. Un condus lung şi intens pe circuit poate solicitate mai mult bateria în acest sens. Însă la un camion electric încărcat, asemenea situaţii pot veni mult mai des, când acesta are de urcat un drum de câţiva kilometri lungime la declivitate pronunţată.

Această urcare poate dura minute în şir, iar bateria devine ultra solicitată. La camioanele electrice, capacitatea mai mare a bateriei păstrează această descărcare la o rată de 4C, 5C eventual, care mai permite o răcire relativ bună, dar şi aşa multe camioane electrice în China au specificată în fişele lor tehnice declivitatea maximă luând în considerare tocmai acest factor, al capacităţii de răcire a bateriilor solicitate la maxim. La camioanele plug-in hibride, însă, situaţia e mult mai critică, întrucât acestea au baterii mai mici, iar solicitările de putere din baterie sunt mai mari, şi atunci bateriile sunt de-a dreptul stoarse de energie la o rată de 11C către 16-20C şi mai mult, care le face să se supraîncălzească şi să degradeze rapid, iar BMS-urile le taie puterea pentru a le proteja. De aici şi explicaţia de ce în China domină camioanele pur electrice şi aproape lipsesc cele plug-in hibride.

Iar noua soluţie a inginerilor chinezi de la Shell, realizată împreună cu producătorul chinez de camioane FAW, vine să rezolve exact această problemă prin scufundarea celulei în lichid. Or, o celulă care e scufundată în apă îşi degajează căldură prin 5 din cele 6 laturi ale structurii sale prismatice. Structura carcasei acestei baterii presupune existenţa unui mic spaţiu între celule, pentru circulaţia apei, precum şi existenţa unei structuri pentru direcţionare hidrodinamică a lichidului, iar acest lichid va circula către un schimbător de căldură simplu, unde şi-ar degaja căldura în extern. Temperatura de operare a lichidului ar urma să fie de 20-40°C.

Inginerii spun că noua lor soluţie menţine stabilitatea termică mult mai bine în momentele de descărcări maxime, astfel încât acele limitări de declivitate despre care vorbeam mai sus pot fi aproape dublate. De asemenea, noul sistem ar fi mai eficient energetic, consumând mai puţină energie pentru procesul de răcire, ceea ce face ca în final consumul camionului să scadă cu 0,8%. Iar datorită acestei răciri constante mai bune, durata de viaţă a bateriei ar urma să fie cu 32% mai mare.

Iniţial, camionul demonstrativ pe care a fost pus această baterie cu celulele scufundate în lichid dielectric e unul hibrid, însă FAW a înregistrat deja şi o patentă specializată pentru baterii mai mari, compatibile cu camioanele electrice.

Desigur, ar putea exista şi un dezavantaj din această tehnologie — greutatea bateriei ar putea creşte dacă ea va avea tot volumul disponibil umplu cu lichid. Totuşi, densitatea acestuia e ceva mai mică decât a apei, având aproximativ 800 g/litru. Dar avantajele obţinute printr-o răcire mai bună ar trebui să fie mult mai mari decât cele câteva zeci de kilograme în plus, mai ales în cazul unui camion.