Nel contesto del Project CELERITAS, Castrol e Sprint Power hanno iniziato una collaborazione per lo sviluppo di moduli batterie con ricarica ultraveloce.
L’iniziativa che punta all’impiego in veicoli elettrici e ibridi con sistemi di celle a combustibile (FCHEV), è finanziata dal Centro di propulsione avanzata (Advanced Propulsion Centre, APC).
I fluidi Castrol ON per la gestione termica dei veicoli elettrici assicureranno ai due moduli batteria, sviluppati da Sprint Power, di raggiungere una carica dell’80% in soli dodici minuti, agevolando in tal modo il passaggio alla mobilità elettrica.
Project CELERITAS è un progetto da 9,7 milioni di sterline di cui 4,8 finanziate tramite APC18 (Advanced Propulsion Centre), che mira ad affrontare le problematiche degli utenti relative alla velocità di ricarica dei veicoli elettrici sul mercato. Oltre a Castrol e Sprint Power, fanno parte del consorzio anche BMW, AMTE Power, Clas-SiC ed Eltrium.
Sprint Power, con sede nel Regno Unito, è leader nei motori elettrici, nell’elettronica di potenza e nei sistemi a batteria. Di questi ultimi ne ha sviluppato uno per applicazioni sui BEV e uno per veicoli ibridi. Entrambi integrano l’elettronica di sistema e incorporano diversi protocolli di ricarica assicurando risparmio di spazio e peso includendo, inoltre, un convertitore da 800 V a 14 V CC/CC, un sistema di gestione della batteria (BMS) da 800 V e funzionalità di “raffreddamento diretto”, in cui le celle sono immerse in una soluzione di raffreddamento non conduttiva.
I fluidi Castrol ON per la gestione termica dei veicoli elettrici, specificatamente formulati per applicazioni a raffreddamento diretto, non solo consentono ai sistemi a batteria Sprint Power di ricaricarsi più rapidamente, ma offrono migliori prestazioni e protezione rispetto a un sistema di batterie a raffreddamento indiretto. Castrol si serve inoltre di strutture di modellizzazione e collaudo all’avanguardia: per questo i sistemi a batteria Sprint Power vantano un design finale ottimizzato, in grado di gestire anche gli alti livelli di sollecitazioni causate da ricariche ultraveloci.
Moduli batteria all’avanguardia
I moduli batteria Sprint Power sono caratterizzati da un design modulare del blocco celle, in grado di adattarsi a diversi impieghi: dalle auto sportive fino ad applicazioni per veicoli elettrici a decollo e atterraggio verticale (eVTOL).
Il modulo batteria ibrido è confezionato anche per adattarsi alle potenziali applicazioni sui veicoli ad idrogeno (FCEV), con un design ottimizzato per un rapporto potenza/peso di 3 kW/kg, escluso il convertitore CC/CC. La batteria è in grado di erogare 5 kWh di energia utilizzabile, con un picco di potenza di carica/scarica di 230 kW (105 kW a corrente continua). In caso di applicazioni su auto sportive, si può arrivare a 76 kWh, con un picco di 800 kW (700 kW a corrente continua).
Un convertitore unidirezionale integrato da 800 V a 14 V CC/CC gestisce un’uscita di potenza massima di 3,5 kW all’interno di un pacchetto compatto di potenza densa di 0,8 kW/ litro. Il convertitore CC/CC, come ogni altro elemento del modulo batteria di Sprint Power, è stato progettato per essere altamente efficiente, con un indice di picco del 97%.
All’interno del modulo c’è il master con BMS di Sprint Power dotato di un microcontrollore di sicurezza per il supporto in termini di protezione informatica, funzionalità di diagnostica dei guasti e capacità di supportare gli standard di ricarica CHAdeMO e CCS. Il sistema è in grado di erogare una tensione di 8-16 V ed è stato testato per il funzionamento a temperature che vanno da -40 gradi Celsius a 85 gradi Celsius. Il BMS slave offre il supporto configurabile per varie dimensioni di moduli batteria contenenti da 5 a 12 celle.
L’esperienza di Castrol nel mondo dei fluidi
La grande maggioranza dei moduli batteria per gli odierni veicoli elettrici è gestita a livello termico mediante refrigeranti a base di acqua-glicole, inseriti all’interno in modo da regolare la temperatura delle celle. Invece, i moduli batteria sviluppati nell’ambito di Project CELERITAS utilizzano il fluido Castrol ON per veicoli elettrici, ossia un liquido dielettrico innovativo in cui il fluido circola nel modulo e viene a contatto con le singole celle della batteria, aumentando così l’area della superficie di gestione termica. Ciò consente una ricarica più veloce1, una miglior gestione termica in tutte le condizioni operative2, a temperature ambientali alte e basse, e una maggiore durata della batteria3.
Raffreddando direttamente le singole celle della batteria, il fluido dielettrico Castrol contribuisce ad evitare il rischio di “runaway termico”, dove un incremento di temperatura, a seguito di un eccesso di carica o di un cortocircuito, può causare guasti irreversibili alle celle. Il runaway può anche portare alla propagazione termica, in cui il calore proveniente dalla cella danneggiata viene trasferito per convezione e conduzione alle celle adiacenti: un processo che può potenzialmente danneggiare gravemente l’intero modulo batteria. Grazie ai sistemi di raffreddamento diretto, i picchi di temperatura delle singole celle sono meno probabili e, se si verificano, possono essere contenuti all’origine, contrariamente a quanto avviene con i refrigeranti utilizzati nei sistemi a raffreddamento indiretto.
Simulazioni e collaudi approfonditi
La vasta esperienza di Castrol in modellazione e simulazione ha consentito a entrambe le parti di comprendere meglio il flusso del fluido dielettrico di Castrol all’interno dei moduli batteria. Ciò ha permesso al team di Sprint Power di ottimizzare il design della batteria per implementare le prestazioni termiche. Le prove di simulazione consentiranno ai tecnici di verificare anche l’instabilità termica.
Inoltre, i test dinamici sui fluidi ottimizzati daranno la possibilità a Castrol di identificare potenziali evoluzioni per la messa a punto di futuri prodotti della gamma Castrol ON.
L’innovativa struttura di Castrol per i test sulle celle delle batterie consente di collaudare pacchi batterie con temperature che vanno da -40 °C a + 85 °C, fino a una tensione di picco di 1.200 Vcc e 600 kW e a partire dall’inizio del 2023 verrà utilizzata per testare i prototipi funzionanti, assicurando in tal modo le prestazioni, la durata e la sicurezza desiderate.
Note
1. Rispetto a un prodotto a base di acqua/glicole in uno studio di modellizzazione condotto in modo indipendente con le stesse variabili, ha dimostrato una carica più veloce del 41% (10 minuti per raggiungere l’80% della carica con Castrol ON, rispetto a 14,1 minuti per i fluidi a base di acqua glicole esistenti)
2. Test indipendenti hanno dimostrato che il fluido termico Castrol ON per veicoli elettrici offre prestazioni di gestione termica superiori rispetto a refrigeranti indiretti a base di acqua/glicole. Fonte sui vantaggi della gestione termica: Thermal management of lithium‐ion batteries for electric vehicles; G. Karimi X. Li; International Journal of Energy Research; Volume 37, Numero 1; gennaio 2013; pagine 13-24.
3. Un’efficace gestione termica delle celle (mantenendo la temperatura all’interno del loro range operativo ideale) riduce l’invecchiamento precoce dovuto alla perdita dello “stato di salute” e quindi mantiene la capacità della batteria più a lungo. Fonte: Capacity vs days data: Calendar aging of commercial graphite/LiFePO4 cell e. Predicting capacity fade under time-dependent storage conditions, Sébastien Grolleau, Arnaud Delaille, Hamid Gualous, Philippe Gyan, Renaud Revel, Julien Bernard, Eduardo Redondo-Iglesias, Jérémy Peter; on behalf of the SIMCAL Network Journal of Power Sources 255 (2014) 450-458 LFP cells.
Fonte: Castrol Italia
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