مناقشة حول تكنولوجيا الإدارة الحرارية لبطاريات المركبات ذات الطاقة الجديدة
تعتبر بطاريات الطاقة المصدر الرئيسي للطاقة لمركبات الطاقة الجديدة. تولد البطاريات الكثير من الحرارة أثناء تشغيل السيارة، ومع مرور الوقت تتراكم الحرارة في مساحة صغيرة نسبيًا. وبسبب التكدس الكثيف للخلايا في حزمة البطارية، يكون من الصعب أيضًا تبديد الحرارة في المنطقة الوسطى إلى حد ما، مما يؤدي إلى تفاقم عدم الاتساق في درجة الحرارة بين الخلايا. ونتيجة لذلك، ستنخفض كفاءة شحن وتفريغ البطارية، مما يؤثر على طاقة البطارية. وفي الحالات الشديدة، سيؤدي ذلك أيضًا إلى الهروب الحراري، مما يؤثر على سلامة وعمر النظام. وخاصة من حيث إدارة درجة الحرارة، قد يتسبب الهروب الحراري للبطارية في نشوب حريق وتدهور الأداء. لذلك، فإن البحث في تكنولوجيا الإدارة الحرارية لبطاريات مركبات الطاقة الجديدة له أهمية كبيرة لتطوير مركبات الطاقة الجديدة.
1. المكونات الأساسية لنظام إدارة الحرارة في السيارة
يشتمل نظام إدارة الحرارة في المركبات التي تعمل بالطاقة الجديدة على أربعة أجزاء: نظام البطارية، ونظام المحرك، ونظام تكييف الهواء، والمكونات الأخرى. وبالمقارنة مع نظام إدارة الحرارة في المركبات التي تعمل بالوقود التقليدي، فإن نظام إدارة الحرارة في المركبات التي تعمل بالطاقة الجديدة أكثر تعقيدًا. يعد نظام البطارية مكونًا حيويًا في المركبات التي تعمل بالطاقة الجديدة. يحتاج المهندسون إلى البدء بإدارة الحرارة في نظام البطارية لتصميم نظام إدارة حرارية جيد للمركبة بأكملها.
منذ ظهور المركبات ذات الطاقة الجديدة، أجرى الخبراء والعلماء في الصناعات ذات الصلة الكثير من الأبحاث حول تبديد الحرارة في بطارياتهم، وحققوا الكثير من النتائج. تغيرت طريقة التبريد السائدة لإدارة الحرارة في البطارية من التبريد بالهواء إلى التبريد بالسائل وتبريد المواد المتغيرة الطور وتبريد الأنابيب الحرارية. فيما يلي تحليل لتقنيات التبريد مثل التبريد بالهواء والتبريد بالسائل وتبريد المواد المتغيرة الطور وتبريد الأنابيب الحرارية.
2.1 تبريد الهواء
التبريد بالهواء هو طريقة لتبديد الحرارة تستخدم الهواء كوسيط وتستخدم الحمل الحراري في الهواء للسماح للبطارية بتبادل الحرارة مباشرة مع الهواء، وبالتالي تقليل درجة حرارة البطارية. يمكن تقسيم التبريد بالهواء إلى تبريد طبيعي وتبريد قسري وفقًا لاستخدام المروحة. يتم استخدام التبريد بالهواء الطبيعي بدون مروحة؛ يتم استخدام التبريد بالهواء القسري مع مروحة. أظهر عدد كبير من الدراسات أن تأثير تبديد الحرارة للتبريد بالهواء القسري أعلى بكثير من تأثير التبريد بالهواء الطبيعي.
يمكن تقسيم التبريد الهوائي أيضًا إلى تبريد متسلسل وتبريد متوازي وفقًا لهياكل تبديد الحرارة المختلفة. في طريقة التبريد المتسلسل، يتدفق تدفق الهواء من جانب واحد ويتدفق للخارج من الجانب الآخر. ستؤدي هذه الطريقة إلى تبريد رديء للبطاريات بعيدًا عن قناة تدفق الهواء الداخل، وتبديد حرارة غير متساوٍ للبطاريات، واختلافات كبيرة في درجات الحرارة في البطاريات؛ في طريقة التبريد المتوازي، يدخل تدفق الهواء عمومًا من الأسفل ويتدفق للخارج من الأعلى. كما يمكن رؤيته من الشكل، يمكن لتدفق هواء التبريد أن يتدفق بشكل أساسي عبر سطح كل بطارية، وبالتالي فإن فرق درجة الحرارة بين كل بطارية سيكون أصغر من فرق التبريد المتسلسل، ولكنه يجلب أيضًا مشكلة توزيع الحرارة غير المتساوي.
2.2 التبريد السائل
تعد تقنية تبريد سائل البطارية أحد تقنيات الإدارة الحرارية. تستخدم هذه التقنية عادةً سائل تبريد ذي معامل نقل حرارة مرتفع للسماح للبطارية بتبادل الحرارة مع سائل التبريد، وبالتالي تقليل درجة حرارة البطارية.
تمت مقارنة وتحليل أداء تبديد الحرارة لمجموعات البطاريات المبردة بالهواء والمبردة بالسائل. أظهرت النتائج أن الحد الأقصى لدرجة حرارة مجموعة البطاريات أقل وأن اتساق درجة الحرارة أفضل في نظام التبريد السائل. التبريد السائل هو طريقة فعالة للغاية لتبديد الحرارة، ومعامل نقل الحرارة الخاص به أعلى من التبريد الهوائي. يمكن تقسيم نظام التبريد السائل للسيارات الكهربائية إلى اتصال مباشر واتصال غير مباشر وفقًا لشكل الاتصال بين السائل العازل والبطارية. شكل غمر خلية البطارية أو الوحدة في السائل للتبادل الحراري هو شكل الاتصال المباشر؛ بالإضافة إلى ذلك، يمكن ضبط قناة تبريد بين وحدات البطارية، أو يمكن استخدام لوحة تبريد في الجزء السفلي من البطارية. تنتقل حرارة بطارية الطاقة إلى سائل التبريد من خلال لوحة التبريد. شكل التبريد السائل هذا هو اتصال غير مباشر. هذان الشكلان لهما متطلبات عالية لإحكام الهواء لنظام التبريد السائل. بالإضافة إلى ذلك، فإن متطلبات القوة الميكانيكية عالية، ويجب ضمان مقاومة الاهتزاز ومتطلبات عمر نظام التبريد.
يتكون نظام تبريد السائل في السيارة الكهربائية بشكل أساسي من سائل التبريد ولوحة التبريد ومضخة المياه الإلكترونية ومستشعر درجة الحرارة والمبرد وما إلى ذلك. يحدد الضاغط، كمصدر للطاقة للتبريد، سعة التبادل الحراري للنظام بأكمله. يلعب المبرد (جهاز التبريد) دور تبادل المبرد وسائل التبريد، وتحدد كمية التبادل الحراري بشكل مباشر درجة حرارة سائل التبريد. تحدد مضخة المياه معدل تدفق سائل التبريد في خط الأنابيب. كلما كان معدل التدفق أسرع، كان أداء التبادل الحراري أفضل، والعكس صحيح.
2.3 تبريد المواد المتغيرة الطور
تستخدم تقنية تبديد الحرارة باستخدام مادة تغيير الطور (PCM) مبدأ امتصاص مواد تغيير الطور للحرارة عند خضوعها لتغير الطور. يتم وضع مادة تغيير الطور حول حزمة البطارية وتصل إلى درجة حرارة تغيير الطور في ظل ظروف معينة. تخضع مادة تغيير الطور لتغير الطور وتمتص الحرارة المتولدة عند عمل البطارية، وبالتالي تتجنب بشكل فعال عملية ارتفاع درجة حرارة وحدة البطارية. نظرًا لأن عملية تغيير الطور هي عملية درجة حرارة ثابتة، يمكن الحفاظ على درجة حرارة البطارية جيدًا بالقرب من درجة حرارة تغيير الطور لمادة تغيير الطور، وبالتالي منع درجة حرارة البطارية من الاستمرار في الارتفاع. ومع ذلك، يتطلب استخدام تبريد مادة تغيير الطور الاهتمام بقضايا الختم، وسيؤدي إلى زيادة حجم حزمة البطارية وتقليل كثافة الطاقة. بالإضافة إلى ذلك، لا يمكن الحفاظ على وظيفة الحفاظ على الحرارة إلا في غضون وقت انتظار محدود. لا يزال التسخين المسبق للبطارية على المدى الطويل يعتمد على مصدر الحرارة المدمج، ويتطلب الحفاظ على الحرارة عمومًا توصيلًا حراريًا أقل، مما قد يسبب مشاكل في توزيع درجة الحرارة غير المتساوي.
2.4 تبريد الأنابيب الحرارية
تبريد الأنابيب الحرارية هو تقسيم الأنابيب الحرارية إلى قسم التبخير وقسم نقل الحرارة وقسم التكثيف. مبدأ تبديد الحرارة الرئيسي هو إزالة الحرارة في حزمة البطارية من خلال قسم التبخير في الأنابيب الحرارية الذي يمتص الحرارة. تنتقل الحرارة في قسم التبخير إلى قسم التكثيف من خلال القسم الأوسط من الأنبوب الحراري بسبب فرق الضغط المتكون، وبالتالي تحقيق إدارة حرارية فعالة لحزمة البطارية. فيما يتعلق بالبحث في تبريد الأنابيب الحرارية، تمت مقارنة تأثيرات التبريد لثلاث طرق تبريد للبطاريات الكهربائية، وهي تبريد الهواء والسائل والأنابيب الحرارية. تظهر النتائج أن تبريد الأنابيب الحرارية له أفضل تأثير تبريد على حزم البطاريات.
