أهمية الإدارة الحرارية في حزم بطاريات السيارات الكهربائية
إن الحفاظ على تشغيل المركبات الكهربائية بأمان وكفاءة يعود في الواقع إلى إدارة الحرارة. بطاريات الليثيوم-أيون صعبة الإرضاء-تفضل استخدام الأشياء التي تتراوح درجة حرارتها بين 20 و40 درجة مئوية. ادفعهم أكثر سخونة، وأنت تطلب المتاعب. يبدأ الإلكتروليت في الانهيار، وتزداد سماكة طبقة SEI، وقبل أن تدرك ذلك، تفقد البطارية قدرتها، وتصبح أقل كفاءة، وفي أسوأ الحالات، تشتعل النيران أو حتى تنفجر.
الطقس البارد ليس ألطف بكثير. عندما تنخفض درجة الحرارة، تتباطأ كيمياء البطارية. المقاومة الداخلية ترتفع. فجأة، لن تحصل على الطاقة أو سرعة الشحن التي تحتاجها. حتى الاختلاف البسيط-مجرد خمس-درجات بين الخلايا-يؤدي إلى شيخوخة غير متساوية. تشيخ بعض الخلايا قبل وقتها بينما تتأخر خلايا أخرى.
إذن، خلاصة القول؟ إن إبقاء كل خلية في نفس درجة الحرارة تقريبًا لا يجعل الأمور أكثر أمانًا فحسب. فهو يحافظ على أداء السيارة في أفضل حالاته ويساعد البطارية على الاستمرار لفترة أطول.
تبريد الهواء لحزم بطاريات السيارات الكهربائية
يعمل تبريد الهواء عن طريق تحريك الهواء فوق أو عبر حزمة البطارية لسحب الحرارة بعيدًا. في بعض الأحيان يكون الهواء هو الذي يتحرك أثناء قيادة السيارة فقط (وهذا أمر سلبي)، وفي أحيان أخرى تقوم المراوح أو المنافيخ بالمهمة (وهو أمر نشط). الإعداد بأكمله واضح ومباشر-لا توجد سباكة معقدة، ولا يوجد وزن زائد، كما أنه رخيص. ولهذا السبب تراه في السيارات الكهربائية المبكرة أو المركبات الصغيرة. إنهم يستخدمون فقط القنوات وعدد قليل من المراوح-بدون حدوث فوضى مع السوائل أو الأجزاء الثقيلة.
ولكن هناك صيد. الهواء ليس جيدًا في حمل الحرارة. إنها أقل كثافة بكثير من السائل، لذلك لا يمكنها امتصاص الكثير من الطاقة. عندما تبدأ البطاريات في العمل بقوة، خاصة أثناء الشحن السريع أو الاستخدام المكثف، يتأخر تبريد الهواء. لا يمكنها إبقاء جميع الخلايا في درجة حرارة ثابتة أو التعامل مع الحرارة التي تضخها المركبات الكهربائية الحديثة. في هذه الأيام، يعمل تبريد الهواء فقط مع أبسط إعدادات البطارية. أي شيء أكثر تطلبا يحتاج إلى شيء أفضل.
المزايا:إنه إعداد بسيط-مجرد عدد قليل من الأجزاء، لذلك يبقى خفيفًا ولا يحتاج إلى الكثير من الصيانة. لا داعي للقلق بشأن تسرب سائل التبريد، وعندما تتحرك السيارة، يمكنها استخدام الهواء المندفع للمساعدة في تبريد الأشياء.
القيود:قوة التبريد ضعيفة جداً . تظهر النقاط الساخنة بسرعة، خاصة إذا كنت تدفع السيارة بقوة أو تشحنها بسرعة، لأن الهواء ليس جيدًا في نقل الحرارة. يمكن أن يؤدي ذلك إلى تآكل المكونات بشكل أسرع أو حتى التسبب في إيقاف تشغيل النظام. بصراحة، هذه الطريقة لا يمكنها مواكبة السيارات الكهربائية ذات الأداء العالي-أو الطاقة- العالية.
التبريد السائل لحزم بطاريات السيارات الكهربائية
يعد التبريد السائل هو الاختيار الأمثل لمعظم السيارات الكهربائية ذات الأداء المتوسط- والعالية-في هذه الأيام. وإليك كيفية عملها: تقوم المضخة بدفع سائل التبريد-عادةً ما يكون عبارة عن مزيج من الماء-جليكول-من خلال القنوات أو الألواح الباردة الموجودة مباشرة مقابل خلايا البطارية. عندما يلتقط المبرد الحرارة من البطاريات، فإنه ينتقل إلى مبادل حراري، والذي يتخلص من تلك الحرارة باستخدام الهواء أو المبرد. وبما أن السوائل تحمل الحرارة بشكل أفضل من الهواء، فإن هذه الأنظمة تحافظ على درجات حرارة البطارية ثابتة ومتساوية. وهذا هو السبب في أن كل{10}المركبات الكهربائية طويلة المدى تقريبًا تستخدم مجموعات البطاريات السائلة-المبردة. بفضل إزالة الحرارة بشكل أفضل، يمكن لهذه الحزم التعامل مع خرج طاقة أعلى وشحن فائق السرعة-دون ارتفاع درجة الحرارة.
المزايا :يسحب التبريد السائل الحرارة بسرعة ويحافظ على درجات الحرارة حتى في جميع الخلايا. وهذا يعني أن البطاريات تدوم لفترة أطول وتحصل على شحن أسرع. يعتبر سائل التبريد أفضل بكثير من الهواء في نقل الحرارة، لذلك يمكن لهذه العبوات التعامل مع معدلات الشحن العالية دون عرق.
العيوب :وينتهي بك الأمر بنظام أكثر تعقيدًا وأثقل. أنت بحاجة إلى المضخات، والخراطيم، والمبادلات الحرارية، وجميع الأجهزة الإلكترونية للتحكم فيها، ويجب إغلاق كل شيء بإحكام. هناك المزيد من الأشياء التي يجب صيانتها أيضًا-يمكن أن تنكسر المضخات أو الصمامات، ويمثل التسرب مشكلة حقيقية. بالإضافة إلى ذلك، فإن كل هذه الأجزاء الإضافية تشغل مساحة وتضيف وزنًا، مما يقلل من كفاءتك الإجمالية قليلاً.
مرحلة -تغيير مادة التبريد (PCM).
تعمل مواد تغيير الطور-، أو PCMs، مثل ممتصات الصدمات الحرارية للبطاريات. عادة ما تجدها على شكل شموع أو أملاح موجودة حول الخلايا. عندما تسخن البطارية بعد نقطة معينة، يذوب PCM، ويمتص الكثير من الطاقة أثناء تحولها من الحالة الصلبة إلى السائلة. إذا بردت الأشياء مرة أخرى، فإنها تتصلب وتطلق الحرارة المخزنة مرة أخرى. تساعد هذه العملية في التحكم في ارتفاع درجات الحرارة، خاصة أثناء الاندفاعات السريعة-مثل الضغط على دواسة الوقود بقوة أو التوصيل بالكهرباء لشحن سريع.
المزايا:إنها سلبية تمامًا، لذا لا تحتاج إلى أي طاقة لتشغيلها. لا توجد مراوح ولا مضخات-مجرد نظام يعمل على تسوية ارتفاع درجات الحرارة بهدوء. تتدخل أجهزة PCM لحماية الخلايا من دفعات الحرارة القصيرة وتساعد في الحفاظ على العبوة في درجة حرارة آمنة عند وجود حمل مفاجئ.
القيود:الجانب السلبي؟ لا تقوم أجهزة PCM بنقل الحرارة بشكل جيد من تلقاء نفسها. بمجرد الانتهاء من مرحلة التغيير، لا يمكنهم امتصاص المزيد من الحرارة. إذا كنت تتعامل مع درجات حرارة عالية مستمرة، فإن التبريد السلبي ليس كافيًا. لسحب الحرارة بعيدًا عن PCM، تحتاج عادةً إلى مكونات إضافية-مثل زعانف الجرافيت أو الأنابيب الحرارية-لإنجاز المهمة.
تبريد الأنابيب الحرارية (التوصيل الحراري)
أنابيب الحرارة هي في الأساس أنابيب معدنية محكمة الغلق تحتوي على القليل من السوائل بداخلها. إنها تنقل الحرارة بسرعة عن طريق السماح لهذا السائل بالتبخر والتكثيف باستمرار، لذلك بالكاد تفقد أي درجة حرارة على طول الطريق. في حزم البطاريات، فكر في الأنابيب الحرارية باعتبارها "موصلات حرارية فائقة". يمكنك وضعها داخل الوحدات أو ربطها مباشرة بالخلايا لسحب الحرارة بعيدًا عن النقاط الساخنة بسرعة. في بعض الأحيان، يقوم أنبوب الحرارة بنقل الحرارة إلى منطقة أكثر برودة أو مباشرة إلى شبكة الألواح - الباردة. على طول طولها، فهي في الواقع موصلة للحرارة أفضل بآلاف المرات من النحاس الصلب، مما يجعلها مثالية لإدارة النقاط الساخنة المحلية. غالبًا ما تراها مدمجة في-أنظمة تبريد سائلة-مثل الألواح الباردة-للمساعدة في توزيع درجات الحرارة عبر الوحدة بأكملها.
المزايا:تتمتع هذه الأجهزة بموصلية حرارية مذهلة، لذا فهي تنشر الحرارة بشكل جانبي بشكل جيد. عند توصيل خلايا متباعدة-، فإنها تساعد في موازنة درجة الحرارة، مما يقلل مشكلة "الخلية الأضعف" برمتها. بالإضافة إلى ذلك، فهي تعمل من تلقاء نفسها-دون الحاجة إلى طاقة.
القيود:عادة، يستخدمها الناس فقط للتبريد الموضعي، وليس كنظام تبريد رئيسي. يجب عليك إغلاقها بشكل صحيح وإيلاء اهتمام وثيق لكيفية إعداد هيكل الفتيل. كما أنها تزيد التكلفة وتجعل تصميم العبوة أكثر تعقيدًا. وفي النهاية، مازلت بحاجة إلى شيء آخر، مثل طبق بارد، لإخراج الحرارة من العبوة.
مقارنة طرق التبريد
إليك خلاصة القول: كل طريقة تبريد لها نقاط قوة ومشاكل خاصة بها.
تبريد الهواء :إنها رخيصة الثمن وبسيطة للغاية. أنت بالكاد تحتاج إلى أي معدات إضافية، ولكن بصراحة، فهي لا تكفي للحرارة الشديدة. تقفز درجات الحرارة، ولا يمكنها الاستمرار إذا كنت تضغط على البطارية بقوة. إنه يعمل فقط مع المركبات الكهربائية-المدرسية القديمة أو المركبات الكهربائية-المنخفضة الطاقة.
التبريد السائل :إنه المكان الذي تهبط فيه معظم المركبات الكهربائية الحديثة. فهو يحافظ على الأشياء متساوية وباردة، حتى أثناء الشحن السريع. بالتأكيد، إنه يعمل بشكل رائع، ولكنك الآن تتعامل مع المضخات والأنابيب والأختام-بالإضافة إلى الوزن والتكلفة الإضافية. ومع ذلك، فهو المعيار لأي شيء متوسط-أو أفضل.
التخزين المؤقت PCM :إنه نوع من الذكاء. إنه يمتص ارتفاعات الحرارة دون استخدام أي طاقة، ولكن بمجرد امتلاءه، يتوقف عن المساعدة. عادة ما يقوم الناس بإقرانه بالتبريد السائل للحصول على مخزن مؤقت إضافي.
أنابيب الحرارة:فهي تشبه أدوات حل المشكلات التي تركز على استخدام الليزر. فهي تعمل على نقل الحرارة بعيدًا عن النقاط الساخنة بسرعة وتساعد على تسوية الأمور، ولكنك لا تزال بحاجة إلى شيء آخر-مثل المشتت الحراري-للتخلص من الحرارة فعليًا. إنهم يتألقون كجزء من نظام أكبر، وليس بمفردهم.
الأساليب المتقدمة (الناشئة):على سبيل المثال، يقوم التبريد بالغمر بغمر البطارية في سائل خاص. تعمل هذه الطريقة على التخلص من الحرارة بسرعة مذهلة-مثالية إذا كنت تريد شحنًا فائق السرعة-. لكن إدارة السوائل تصبح صعبة. حتى أن بعض السيارات الكهربائية المتميزة تستخدم مبرد تكييف الهواء في السيارة لتبريد البطارية مباشرة، وهو أمر فعال للغاية ولكن ليس من السهل تمامًا سحبه.
التأثير على السلامة والأداء وعمر البطارية
لا تعد الإدارة الحرارية مجرد تفاصيل فنية-إنها تمثل أهمية كبيرة لسلامة المركبات الكهربائية وأدائها. عندما تصبح البطاريات ساخنة جدًا، تزداد فرصة نشوب حريق أو حتى حدوث انفجارات. يمكن أن يؤدي ارتفاع درجة الحرارة إلى إطلاق ما يسمى الهروب الحراري، حيث تبدأ الخلايا بشكل أساسي في تفاعل متسلسل وتسخن نفسها أكثر. وهذا أمر خطير على الجميع، وليس فقط الأشخاص داخل السيارة ولكن أيضًا المستجيبين الأوائل.
لكن الأمر لا يتعلق فقط بالبقاء هادئًا. إذا لم يتمكن النظام من إدارة الحرارة بشكل جيد، فإن البطاريات تتقادم بشكل أسرع. هناك قاعدة أساسية: في كل مرة ترتفع درجة الحرارة بمقدار 10 درجات فوق النقطة المثالية، ينخفض عمر البطارية إلى النصف. ادفعها بقوة عند حوالي 50 درجة وسترى أنها تفقد حوالي 60% من قدرتها بعد بضع مئات من الدورات فقط.
البرد ليس رائعًا أيضًا. في درجات الحرارة المنخفضة، تعاني البطاريات لأن الأيونات لا يمكنها التحرك بحرية. وهذا يعني طاقة أقل، وشحنًا أبطأ، واستجابة بطيئة بشكل عام. وهنا شيء ينساه الناس أحيانًا: حتى درجة الحرارة في جميع الخلايا هي المفتاح. إذا كانت بعض الخلايا أكثر سخونة أو برودة من غيرها، فسينتهي الأمر بمجموعة البطارية بأكملها بأداء عند مستوى الخلية الأضعف. وهذا يقتل القدرة ويقصر عمر البطارية.
أمان:إن إبقاء الخلايا باردة يمنعها من السخونة الزائدة واشتعال النيران. إن الحصول على التبريد الجيد ليس أمرًا رائعًا-إنه جزء أساسي من خطة سلامة أي مركبة.
أداء:تعمل البطاريات بشكل أفضل عند درجة حرارة تتراوح بين 20 و40 درجة مئوية. الجو بارد جدًا، ولا يمكنهم توفير الطاقة التي تريدها. حار جدًا، وستحصل على المزيد من المقاومة وتفقد الجهد بسرعة.
عمر البطارية: عندما تحافظ على درجة حرارة ثابتة وباردة، تدوم الخلايا لفترة أطول ولا تبلى بسرعة. حتى درجة الحرارة عبر العبوة بأكملها تعني عدم تعرض أي خلية للضغط بقوة. بصراحة، يمكن لنظام التبريد الصلب أن يجعل البطارية تدوم أكثر من ضعف عمر البطارية التي تعمل ساخنة طوال الوقت.
التقنيات والاتجاهات الناشئة
أصبحت بطاريات السيارات الكهربائية أكثر قوة ويتم شحنها بشكل أسرع من أي وقت مضى، لذلك هناك دافع حقيقي لتكنولوجيا تبريد أفضل. يجذب التبريد الغمر الكثير من الاهتمام في الوقت الحالي. الأمر بسيط: اغمس خلايا البطارية في سائل خاص لا يوصل الكهرباء، مما يسمح للحرارة بالهروب بشكل أسرع. يمكن لهذا النوع من الإعداد التعامل مع الحرارة الشديدة-الكافية لجعل الشحن السريع-يعمل بشكل جنوني، مثل ما يزيد عن 1000 كيلوواط.
يستخدم بعض الأشخاص مبرد مكيف الهواء الخاص بالسيارة لتبريد البطاريات، والذي يعمل بشكل جيد بشكل خاص عندما يكون الجو حارًا بالخارج. هناك أيضًا الكثير من الجدل حول أفكار مثل أنظمة-الطور الثنائي، حيث يغلي سائل التبريد ليحمل الحرارة بعيدًا، أو القنوات الدقيقة-الممرات الصغيرة جدًا التي تعمل على إخراج الحرارة بشكل أسرع.
علاوة على ذلك، يقوم الباحثون بتعديل الوحدات الكهروحرارية والأسطح الخاصة التي تشع الحرارة بعيدًا، إما للتبريد الموضعي أو فقط للتخلص من الدفء الزائد بشكل سلبي. علم المواد موجود في اللعبة أيضًا. يقوم الأشخاص بخلط مواد عالية-موصلية في مرحلة-مواد التغيير، أو تصنيع الرغاوي من الجرافيت النانوي-، وكل ذلك لمساعدة البطاريات على البقاء باردة دون بذل الكثير من الجهد الإضافي.
ثم هناك الجانب البرمجي. أصبحت أنظمة إدارة البطارية أكثر ذكاءً، وذلك باستخدام خوارزميات متقدمة وحتى الذكاء الاصطناعي للتنبؤ بالتبريد والتحكم فيه في الوقت الفعلي. معًا، إنه وقت مثير جدًا لإدارة حرارة البطارية.
تحديات التصميم واعتبارات تصنيع المعدات الأصلية
إن بناء نظام الإدارة الحرارية للبطارية (TMS) في السيارة ليس بالأمر السهل. يجب على الشركات المصنعة التوفيق كثيرًا - لجعل النظام يعمل بشكل جيد دون زيادة التكلفة أو الوزن أو استهلاك مساحة ثمينة. على سبيل المثال، يشغل التبريد السائل والمبادلات الحرارية الكبيرة مساحة تحت الأرضية أو غطاء المحرك ويحمل المزيد من الوزن، مما قد يؤدي إلى تقليص أي مكاسب في الكفاءة. تسبب إعدادات الجهد العالي- (من 400 إلى 800 فولت) مشاكلها الخاصة، وتتطلب عزلًا وأمانًا على أعلى مستوى- لجميع أجزاء سائل التبريد. تحتاج كل دائرة وموصل إلى الوصول إلى علامات الزحف والتخليص الصارمة والصمود في وجه الاهتزازات القاسية والتقلبات الشديدة في درجة الحرارة.
ثم هناك الطقس الذي يجب التفكير فيه. في الأماكن الباردة تحتاج البطاريات إلى سخانات - سواء PTC أو مضخة حرارية - لإيصالها إلى درجة الحرارة بسرعة. هذا يتراكم فقط على المزيد من التعقيد. ولا تنس الصيانة والموثوقية. المضخات والصمامات والحساسات - كل واحد يضيف شيء آخر يمكن أن يفشل. لذا، في النهاية، يتعين على المهندسين إيجاد التوازن الصحيح. إنهم بحاجة إلى جعل نظام TMS بسيطًا قدر الإمكان دون التضحية بالمدى أو التكلفة أو الأهم من ذلك السلامة وعمر البطارية. إنه لغز صعب ويعتمد الكثير على الحل.
التكامل مع هندسة المركبات
يعمل النظام الحراري للبطارية جنبًا إلى جنب مع نظام التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC) في السيارة ومجموعة نقل الحركة. في الكثير من السيارات الكهربائية، ستجد حلقات تبريد مشتركة-تتعامل نفس المضخة الحرارية أو ضاغط التيار المتردد والمكثف مع كل من المقصورة والبطارية، ولكن في أوضاع مختلفة فقط. لذلك، لنفترض أن الصيف هو: يقوم مكيف الهواء بتبريد البطارية باستخدام المبخر المشترك. عندما يكون الجو باردًا، يمكن للحرارة التي يطلقها مكثف البطارية أن تساعد في الواقع على تدفئة المقصورة. عادةً ما يقوم المهندسون بإعداد حلقات تبريد منفصلة-واحدة للبطارية (تمر عبر ألواحها الباردة)، وأخرى للمقصورة أو المحرك-ثم يربطونها معًا باستخدام لوحة مبادلات حرارية عندما يحتاجون إلى تحريك الحرارة. تعمل أنظمة التحكم على التحكم في الأمور خلف الكواليس: حيث يقرر نظام إدارة البطارية وجهاز التحكم الحراري مدى سرعة تشغيل المضخات والمراوح ومكان الصمامات، وكل ذلك بناءً على ما تفعله خلايا البطارية وبقية السيارة. ومع إعدادات الجهد العالي- الجديدة، يصبح التصميم الحراري والكهربائي أكثر تشابكًا-تعني هذه الأنظمة المدمجة بقدرة 800 فولت أن كل جزء حراري يجب أن يتناسب مع المساحة الضيقة وقواعد العزل. في النهاية، يتحول تصميم نظام الإدارة الحرارية بأكمله إلى لغز كبير، ويجب عليك تحسين كل شيء معًا.
باور وينكسيوفر مكونات الإدارة الحرارية المتقدمة للمركبات الكهربائية وحلول تبريد البطارية المخصصة. بفضل الخبرة العميقة في تصميم المبادلات الحرارية ونظام التبريد، تساعد PowerWinx مصنعي المعدات الأصلية على دمج وحدات التبريد الدقيقة في حزم البطاريات الخاصة بهم. تضمن حلولنا المصممة خصيصًا إزالة الحرارة بكفاءة والتحكم الموحد في درجة الحرارة، مما يحسن سلامة البطارية والأداء وطول العمر في السيارات الكهربائية الحديثة.
حل الإدارة الحرارية للمركبات الكهربائية
حل الإدارة الحرارية للمركبات الكهربائية
