E-Thermal fluids: State of the art and case study of different base oils heat transfer characterization measurements for immersion cooling applications.

Abstract

[ES] Con el auge de la electrificación en el sector del transporte surge un tema importante de gran interés con respecto a la gestión térmica, eléctrica y la tribología: los e-fluids. Sin la existencia de estándares internacionales, poca investigación exhaustiva, y con solo unos pocos productos en el mercado, investigar estos fluidos ayudará a comprender, evaluar, y fabricar productos futuros que se acoplen a los requerimientos de los vehículos híbridos y eléctricos. Actualmente existen 3 categorías para los e-fluids: e-greases, e-transmission fluids, y e-thermal fluids. Todos ellos deben cumplir con algún nivel de requerimientos eléctricos de acuerdo con la aplicación o configuración del vehículo. El enfoque principal de los e-thermal fluids está en las aplicaciones de refrigeración por inmersión para BEV (vehículo eléctrico de batería), en cuyo caso deben tener un rendimiento térmico sobresaliente mientras mantienen las capacidades dieléctricas y la compatibilidad con los materiales del sistema durante un largo período de tiempo o durante toda la vida útil del vehículo (llenado de por vida). Debido a que no existen estándares vigentes, no hay normas oficiales que se puedan aplicar para caracterizar completamente un fluido para que funcione apropiadamente con las demandas térmicas, eléctricas y tribológicas de un vehículo eléctrico, sin embargo, podemos medir las propiedades más relevantes para diferentes especímenes y proporcionar una clasificación antes y después de procesos de degradación. Los objetivos principales de este trabajo consisten en proporcionar información relevante sobre los e-fluids y más a fondo sobre los e-thermal fluids, describiendo sus propiedades, aplicaciones, restricciones, e investigación actual; por otro lado, es proponer una metodología de investigación para estudiar potenciales y completamente formulados e-fluids y presentar el trabajo realizado bajo esta metodología sobre los fluidos seleccionados. Se seleccionaron cuatro aceites base como candidatos para potenciales e-thermal fluids: una parafina del grupo III, una polialfaolefina (PAO), un di-éster y un poliol-éster con baja viscosidad a 100ºC (menos de 5cSt). Se utilizó agua y un aceite sintético de motor SAE 5W30 como referencia por sus propiedades térmicas. Todas las bases se caracterizaron completamente antes y después del envejecimiento térmico a 150ºC con un catalizador de cobre durante 120 horas. Se utilizó una Figura de Mérito (FOM) para determinar las capacidades de transferencia de calor de los fluidos y se comparó con el agua y el aceite del motor.

[EN] With the rise of electrification in the transport sector comes an important topic of interest regarding thermal and electrical management and tribology: e-fluids. With no standards and no extensive research with only a few products on the market, investigating these fluids will help to understand, evaluate, and manufacture future products fulfilling the EV requirements. Usually, there are 3 categories for the e-fluids: e-greases, e-transmission fluids, e-thermal fluids. All of them are required to fulfill some level of electrical properties according to the application or EV configuration. The main focus of the e-thermal fluids is in immersion cooling applications for BEV (battery electric vehicle), in which case they must have outstanding thermal performance while maintaining dielectric capabilities and compatibility with the materials of the system for a long period of time or throughout the life of the vehicle (filled for life). Given the recent arise of e-fluids, there are no standards that we can rely on to fully categorize a fluid to be operational and meet the thermal, electrical, and tribological demands of an EV, however, we can measure the most relevant properties for different specimens and provide ranking before and after degradation processes. The two main objectives of this work consist in providing background information about the e-fluids, describing their properties, applications, restrictions, and current research, and on the other hand, is to propose a research methodology to study potential and fully formulated e-fluids and present current work done under this methodology on selected fluids. Four base oils were selected as candidates for potential e-fluids: a group III paraffin, a polyalphaolefin (PAO), a diester, and a polyol ester with low viscosity at 100ºC (less than 5cSt). Water and a SAE 5W30 synthetic engine oil were used as a reference for their thermal properties. All base oils where fully characterized before and after thermal aging at 150ºC with a copper catalyst for 120 hours. A Figure of Merit (FOM) was used to determine the heat transfer capabilities of the fluids and compared with Water and Engine Oil.