تقنية الإدارة الحرارية لبطارية ليثيوم أيون
تحتل بطاريات الليثيوم أيون مكانة مهمة في سوق الطاقة العالمية والبطاريات الاستهلاكية، لذلك تحظى تقنية الإدارة الحرارية الخاصة بها دائمًا باهتمام كبير في الصناعة. تتطور هذه التقنيات من التبريد البسيط الخالي من الهواء إلى التبريد المركب، ولكل تقنية خصائصها وتحدياتها الخاصة. يتم عرض تقنيات التبريد المختلفة أدناه بالتفصيل.
تبريد الهواء.
يمكن تقسيم تبريد الهواء إلى تبريد طبيعي سلبي وتبريد قسري نشط. تستخدم كلتا الطريقتين تدفق الهواء لإزالة الحرارة الناتجة عن البطارية لتحقيق التبريد. تشمل مزاياها البنية البسيطة والتكلفة المنخفضة وحماية البيئة وعدم التلوث.
التبريد الطبيعي: هذه تقنية تبريد سلبية تتطلب فقط تصميم قنوات هواء التبريد. على سبيل المثال، استخدمت السيارة الكهربائية نيسان ليف المبكرة طريقة التبريد هذه. ومع ذلك، من الصعب أن تلبي هذه الطريقة احتياجات التبريد الفعالة لبطاريات الطاقة وقد تؤثر على عمر البطارية.
تبريد الهواء القسري: بالمقارنة مع التبريد الطبيعي، تعمل هذه التقنية على زيادة تدفق الهواء وتحسين تأثير التبريد عن طريق إضافة مراوح ومعدات أخرى. ولكنه يعني أيضًا زيادة الضوضاء واستهلاك الطاقة. بالإضافة إلى ذلك، من خلال تعديل شكل قناة تدفق الهواء، يمكن تحسين تأثير التبريد بشكل أكبر.
تكنولوجيا التبريد السائل
يستخدم التبريد السائل سائل التبريد للتبادل الحراري للبطارية، وتبديد الحرارة بكفاءة وسرعة. وتنقسم هذه التقنية إلى التبريد السائل المباشر والتبريد السائل غير المباشر. في التبريد السائل المباشر، يكون المبرد على اتصال مباشر بالبطارية، مثل التبريد السائل المغمور. يحقق التبريد السائل غير المباشر تأثير التبريد من خلال مكونات محددة، مثل ألواح التبريد.
لوحة التبريد التبريد السائل
بالمقارنة مع تبريد الهواء، فإن تقنية التبريد السائل للوحة التبريد أكثر كفاءة، وألواح التبريد مصنوعة في الغالب من الألومنيوم أو سبائك الألومنيوم، والتكلفة منخفضة نسبيًا. الاتجاه الرئيسي للبحث هو تحسين الهيكل وخصائص تدفق السوائل للوحة التبريد لتبسيط عملية التصنيع وتعزيز فعاليتها.
ركزت الأبحاث الحديثة على تصميم قنوات التبريد واتجاه تدفق سائل التبريد. على سبيل المثال، صمم بعض الخبراء نوعًا جديدًا من ألواح التبريد السائلة استنادًا إلى قناة التدفق السربنتينية. يمكن لهذا التصميم الجديد تحسين كفاءة التبريد بشكل كبير في ظل ظروف معينة. وقد صمم بعض الخبراء أيضًا لوحة تبريد ذات هيكل قرص العسل تعتمد على البطاريات المربعة. يعمل هذا التصميم على تحسين تأثير تبديد الحرارة عن طريق إضافة قنوات التبريد. أشارت جميع هذه الدراسات إلى أن التصميم المعقول لقناة التبريد واتجاه التدفق أمران حاسمان لتوحيد درجة الحرارة. بشكل عام، تكنولوجيا التبريد السائل للوحة التبريد ناضجة تمامًا وتستخدم على نطاق واسع في مجموعة متنوعة من المعدات الكهربائية.
بشكل عام، تعتبر تقنية التبريد السائل بلوحة باردة فعالة جدًا بالنسبة لمعظم سيناريوهات التطبيق. تتمتع موادها الرئيسية مثل النحاس والألومنيوم بخصائص توصيل حراري جيدة وهي فعالة من حيث التكلفة إلى حد ما، مما يجعلها مثالية للاستخدام في السيارات الكهربائية أو غيرها من المعدات ذات متطلبات التبريد العالية. في التطبيقات العملية، لضمان تأثيرات تبريد عالية الجودة، من الضروري تصميم قنوات تبريد مناسبة واختيار المواد المناسبة بناءً على نوع البطارية وهيكلها.
التبريد السائل الغمر
تعمل تقنية التبريد السائل الغمر على غمر البطارية والمكونات الأخرى المولدة للحرارة بالكامل في سائل التبريد. بالمقارنة مع تبريد الهواء التقليدي، تعمل هذه التقنية على تقليل الضوضاء واستهلاك الطاقة، كما أنها تتحكم بشكل أفضل في درجة حرارة البطارية. وعلى الرغم من النتائج الممتازة لهذه التقنية، إلا أن عيبها الرئيسي هو الوزن والحجم الكبيران نسبيًا للنظام، مما يحد من تطبيقه في السيارات الكهربائية. لكن بالنسبة لمحطات توليد الطاقة الثابتة لتخزين الطاقة، تعتبر هذه التكنولوجيا مثالية.
يستخدم التبريد السائل الغمر بشكل رئيسي الزيت العازل والسائل المفلور كمبرد، على الرغم من أن التكلفة أعلى. ومع ذلك، فقد أثبتت الأبحاث أن تقنية التبريد هذه يمكن أن تضمن ألا يتجاوز متوسط ارتفاع درجة حرارة البطارية 5 درجات، وأن يكون فرق درجة الحرارة بين الخلايا درجتين فقط. وهذا يساعد على تحسين عمر الخدمة والسلامة لمحطات توليد الطاقة لتخزين الطاقة.
تكنولوجيا تبريد المواد المتغيرة الطور
تعد تقنية الإدارة الحرارية للبطارية المستندة إلى مواد متغيرة الطور (PCM) طريقة مبتكرة تحافظ على البطارية عند درجة حرارة مثالية من خلال الاستفادة من خصائص تخزين الحرارة وإطلاقها في PCM. مزايا هذا الأسلوب عديدة: فهو لا يتطلب طاقة إضافية، ولا يحتوي على أجزاء متحركة، ولا يحتاج إلى صيانة، ويقوم بعمل جيد في ضمان درجة حرارة موحدة للبطارية.
حاليًا، مواد PCM شائعة الاستخدام في الإدارة الحرارية هي: المواد العضوية مثل البارافينات والألكانات والأحماض العضوية.
المواد غير العضوية مثل المحاليل المائية وهيدرات الملح والأملاح المنصهرة.
مواد سهلة الانصهار
ومع ذلك، فإن الموصلية الحرارية لـ PCM نفسها ليست عالية، لذلك عادةً ما تتم إضافة مواد أخرى مثل رغوة النحاس والجرافيت الموسع والجسيمات النانوية لتحسين التوصيل الحراري. يمكن أن يحل هذا أيضًا بعض المشكلات الفيزيائية لـ PCM، مثل مشاكل السيولة بعد تغيير الطور.
لفهم هذا بشكل أكثر بديهية، يمكننا الرجوع إلى بعض الأبحاث الحديثة. على سبيل المثال، قام بعض الخبراء بإنشاء مادة مركبة متغيرة الطور مكونة من حمض اللوريك وشمع البارافين مع الجرافيت الموسع. نجحت هذه المادة في خفض درجة الحرارة القصوى لبطارية معينة إلى 42.39 درجة. وقد أظهرت دراسات أخرى أيضًا أن تأثير التبريد لـ PCM يمكن تعزيزه بشكل أكبر عند دمجه مع طرق التبريد الأخرى، مثل تبريد الهواء.
تكنولوجيا التبريد الحراري
التبريد الحراري هو تقنية تبريد نشطة متقدمة تعتمد على تأثير بلتيير. ببساطة، عندما يمر تيار كهربائي عبر مادة معينة، فإنه يمتص الحرارة من جانب ويطلقها من الجانب الآخر، مما يخلق تأثير التبريد. المزايا الرئيسية لهذه التكنولوجيا تشمل: عدم وجود مبردات، استهلاك منخفض للطاقة، بدء تشغيل سريع، استقرار جيد، ضوضاء منخفضة وعدم وجود أجزاء متحركة. لكن التحديات واضحة أيضًا، مثل انخفاض كفاءة التبريد وصعوبات تصنيع الأجهزة الكبيرة.
أجرى الباحثون عددًا كبيرًا من التجارب من أجل تحسين تطبيق هذه التقنية في أنظمة الإدارة الحرارية للبطاريات. على سبيل المثال، صمم بعض الخبراء نظامًا يجمع بين ألواح التبريد المزدوجة المصنوعة من السيليكا مع شبكة النحاس وتبريد الهواء. ووجدوا أن سمك لوحة التبريد السيليكا يرتبط بأداء درجة حرارة البطارية، وتم تحديد 1.5 ملم ليكون السُمك الأمثل. جمعت دراسة أخرى بين التبريد الحراري والتبريد السائل، وقد أظهرت التجارب أن هذا المزيج يمكن أن يحسن تأثير التبريد بشكل فعال.