الإدارة الحرارية لبطارية السيارة الكهربائية: شرح أربع تقنيات تبريد
كيف يتم "تبريد" بطاريات السيارات الكهربائية؟ أربع تقنيات رئيسية للإدارة الحرارية
مع التطور السريع لمركبات الطاقة الجديدة، أصبحت بطارية الجر ليست فقط "قلب" السيارة الكهربائية ولكنها أيضًا عامل حاسم للأداء والسلامة وعمر الخدمة.
تعمل بطاريات الليثيوم أيون، المعتمدة على نطاق واسع لكثافة الطاقة العالية ودورة الحياة الطويلة، بشكل يشبه إلى حد كبير النظام البيولوجي الدقيق، حيث يعد التحكم المستقر في درجة الحرارة أمرًا ضروريًا للتشغيل الآمن والفعال.
1. لماذا تتطلب البطاريات التحكم الحراري؟
التحدي المزدوج المتمثل في ارتفاع درجة الحرارة والتبريد الزائد
توليد الحرارة أمر لا مفر منه أثناء شحن البطارية وتفريغها. بالنسبة لحزم بطاريات السيارات الكهربائية ذات السعة العالية والكثافة العالية للطاقة، يصبح تراكم الحرارة وعدم انتظام درجة الحرارة بمثابة تحديات هندسية بالغة الأهمية.
مخاطر ارتفاع درجة الحرارة
- الأنظمة الكهروكيميائية للبطارية حساسة بطبيعتها للحرارة
- لكل زيادة بمقدار 10 درجات مئوية، يتسارع تقادم عمر البطارية عادةً بمقدار ~2×
- تشير الدراسات إلى أن خلايا سوني 18650 التي يتم تدويرها عند درجة حرارة 50 درجة مئوية يمكن أن تفقد ما يصل إلى 60% من قدرتها بعد 500 دورة
- تعمل الحرارة المفرطة على تسريع تدهور المواد النشطة، وزيادة المقاومة الداخلية، وقد تؤدي إلى الهروب الحراري
قيود درجات الحرارة المنخفضة
- يحد النشاط الأيوني المنخفض من طاقة الشحن/التفريغ
- تنخفض السعة ونطاق القيادة بشكل حاد
- تتعرض تجربة المستخدم وإمكانية الشحن السريع للخطر
هدف الإدارة الحرارية
حافظ على تشغيل البطارية ضمن نافذة مثالية تبلغ 25-40 درجة مئوية، مما يضمن تبديد الحرارة بكفاءة في درجات الحرارة المرتفعة والتدفئة الفعالة في البيئات الباردة.
تركز هذه المقالة بشكل خاص علىتقنيات تبريد البطارية.
2. تعميم تقنيات تبريد البطارية
أربعة مسارات مثبتة للإدارة الحرارية
تعتمد أنظمة بطاريات السيارات الكهربائية الحديثة عادةً على أربعة أساليب تبريد ناضجة، والتي تشكل معًا أساس سلامة البطارية وأدائها.
2.1 نظام تبريد الهواء (AC) – الحمل الحراري القسري أو الطبيعي
مبدأ التشغيل
يتم تبديد الحرارة من خلال تدفق الهواء، إما عن طريق:
- الحمل الحراري الطبيعي الناتج عن حركة المركبات
- الحمل القسري باستخدام المراوح
المنظور الهندسي
يوفر تبريد الهواء بنية بسيطة وتكلفة منخفضة، مما يجعله مناسبًا لمنصات المركبات الكهربائية المبكرة. ومع ذلك، نظرًا لانخفاض التوصيل الحراري للهواء وقدرته الحرارية، فإن قدرته على التبريد محدودة بشكل أساسي.
- مع زيادة كثافة طاقة البطارية ومتطلبات الشحن السريع، يواجه تبريد الهواء صعوبة في:
- التحكم في ارتفاع درجة الحرارة أثناء التشغيل المستمر عالي الطاقة
- الحفاظ على توزيع موحد لدرجة الحرارة عبر العبوة
التطبيقات النموذجية
السيارات الكهربائية منخفضة الطاقة، والمركبات الصغيرة، والمنصات الحساسة للتكلفة ذات الأحمال الحرارية المتواضعة.
2.2 نظام التبريد السائل (LC) - معيار الصناعة
مبدأ التشغيل
تقوم المضخة بتدوير سائل التبريد (عادةً خليط من الماء والجليكول) من خلال ألواح باردة ذات قنوات صغيرة مدمجة في وحدات البطارية. يتم نقل الحرارة إلى المبرد الأمامي للتبديد.
المنظور الهندسي
مع التوصيل الحراري ومستويات السعة الحرارية الأعلى من الهواء، يتيح التبريد السائل ما يلي:
- التحكم الدقيق في درجة الحرارة
- التوحيد الحراري الممتاز
- دعم الشحن السريع وإخراج الطاقة العالية
أصبح التبريد السائل هو الحل الافتراضي للمركبات الكهربائية المتوسطة إلى المتطورة.
التحديات الهندسية
- زيادة تعقيد النظام (المضخات والصمامات والأنابيب)
- الوزن المضافة
- متطلبات صارمة لموثوقية الختم، ومقاومة التآكل، والمتانة على المدى الطويل
2.3 تبريد الأنابيب الحرارية (HP) – إدارة النقاط الساخنة المحلية
مبدأ التشغيل
تستخدم الأنابيب الحرارية سائل عمل مغلقًا (مثل الماء أو الأسيتون) يخضع لدورات تبخر وتكثيف سريعة لنقل الحرارة بكفاءة مع الحد الأدنى من اختلاف درجات الحرارة.
المنظور الهندسي
تتميز الأنابيب الحرارية بموصلية حرارية محورية عالية جدًا، غالبًا ما تعادل آلاف المرات من النحاس الصلب.
في أنظمة بطاريات السيارات الكهربائية، نادرًا ما تُستخدم الأنابيب الحرارية كحلول تبريد مستقلة. وبدلا من ذلك، فإنها تعمل على النحو التالي:
- الطرق السريعة الحرارية
- معززات معادلة درجة الحرارة
ويتم دمجها عادةً في لوحات التبريد السائلة أو واجهات الوحدات من أجل:
- استخراج الحرارة من النقاط الساخنة المحلية
- تحسين اتساق درجة الحرارة بشكل عام
- التخفيف من تأثير "الخلية الأضعف".
2.4 تبريد المواد بتغيير الطور (PCM)
مبدأ التشغيل
يمتص PCM أو يطلق كميات كبيرة من الحرارة الكامنة أثناء التحولات بين الطور الصلب والسائل، مما يعمل على تثبيت درجة الحرارة حول نقطة تغير الطور.
المنظور الهندسي
المزايا الرئيسية:
- عملية سلبية بالكامل
- استهلاك الطاقة صفر
- خصائص التخزين الحراري ممتازة
القيود:
- الموصلية الحرارية المنخفضة جوهريا
- نقل الحرارة البطيء دون تعزيز
التطبيق العملي
نادرا ما يستخدم PCM وحده. بدلاً من ذلك، فهو يعمل كمخزن حراري مدمج مع الأنظمة النشطة (عادةً التبريد السائل)، حيث:
- يمتص طفرات الحرارة العابرة
- يبطئ ارتفاع درجة الحرارة
- يقلل من الحمل الأقصى على حلقة التبريد الأولية
3. تكامل النظام والاتجاهات المستقبلية
التآزر متعدد التكنولوجيا هو المستقبل
مع توجه بطاريات السيارات الكهربائية نحو كثافة طاقة أعلى وشحن أسرع، تصل حلول التبريد الفردية إلى حدودها. اتجاه الصناعة واضح: بنيات الإدارة الحرارية الهجينة.
تتضمن التكوينات النموذجية ما يلي:
- التبريد السائل + PCM: التخزين المؤقت الحراري وتقليل الحمل الأقصى
- تبريد سائل/هواء + أنابيب حرارية: استخلاص سريع للنقاط الساخنة ومعادلة درجة الحرارة
- التبريد المباشر بغاز التبريد: استخدام مبرد التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC) لتحقيق كفاءة تبريد عالية للغاية (يتم تطبيقه في سيارات كهربائية مختارة متميزة)
4. التصميم الحراري القائم على المواد
كيف تعمل قضبان التوصيل RHI على تمكين الإدارة الحرارية المتقدمة للبطارية
تضع كل تقنيات تبريد البطاريات السائدة - التبريد السائل، وتبريد الهواء، وأنابيب الحرارة، وPCM، وحتى التبريد الكهروحراري الناشئ - متطلبات حرارية وهيكلية فريدة من نوعها على قضبان التوصيل، وهي الموصلات الكهربائية المهمة داخل حزم البطاريات.
باعتبارها موردًا رائدًا لحلول التوصيل البيني والنحاس والألومنيوم، تستفيد RHI من الخبرة العميقة في مجال المواد وعمليات التصنيع المتقدمة لتقديم أنظمة قضبان التوصيل المتكيفة مع التبريد والموجهة للسلامة، والتي تعمل على حد سواء:
- الموصلات الحرارية الفعالة
- جسور كهربائية موثوقة
4.1 حلول بسبار للتبريد الحراري (TEC)
اقتران حراري دقيق
تتطلب الوحدات الكهروحرارية مقاومة اتصال حرارية منخفضة للغاية.
توفر شركة RHI قضبان توصيل نحاسية مطلية بالنيكل عالية التسطيح، مما يضمن ما يلي:
- واجهات حرارية مستقرة
- مقاومة الأكسدة
- اتصال موثوق به مع وحدات TEC أو وسادات العزل الموصلة حرارياً
العزل الكهربائي لدرجات الحرارة العالية
تقدم أنظمة TEC تدرجات موضعية ساخنة وباردة.
RHIقضبان التوصيل ذات درجة الحرارة العاليةيضم:
- شريط الميكا الداخلي
- شريط مركب من السيراميك الخارجي
الحفاظ على قوة العزل الكهربائي والاستقرار الميكانيكي في ظل الدراجات الحرارية المتكررة.
جاهزية تكامل النظام
يمكن تصنيع قضبان التوصيل المصنوعة من الألومنيوم باستخدام:
- فتحات تركيب أجهزة الاستشعار
- الأسطح المرجعية المسطحة
- الميزات الهيكلية لتكامل BMS
دعم التحكم الحراري والكهربائي ذو الحلقة المغلقة.
4.2 قضبان التوصيل لأنظمة تبريد الأنابيب الحرارية
قواعد حرارية عالية الكفاءة
مع الموصلية الحرارية حوالي 385 واط/م·ك، RHIقضبان النحاستعمل كموزعات حرارة فعالة، حيث تنقل الحرارة الموضعية بكفاءة إلى أقسام مبخر الأنابيب الحرارية.
التكامل المكاني المرن
عروض RHI:
- موصلات مرنة مغلفة بالنحاس/الألومنيوم
- قضبان توصيل صلبة متعددة الزوايا منحنية ثلاثية الأبعاد
السماح بالتوجيه الكهربائي حول أنابيب الحرارة مع الحفاظ على تدفق الهواء الأمثل أو الاتصال باللوحة الباردة.
مطابقة المواد عبر نطاقات درجات الحرارة
- قضبان التوصيل النحاسية للمناطق ذات درجة الحرارة العالية والطاقة العالية
- قضبان الألمنيوم للمناطق خفيفة الوزن ودرجات الحرارة المعتدلة
كل ذلك مزود بعزل بالبثق أو بالحقن لضمان الموثوقية على المدى الطويل.
4.3 قيمة بسبار الأساسية في أنظمة التبريد السائدة
أنظمة التبريد السائلة
توفر قضبان التوصيل RHI ما يلي:
- أسطح مسطحة أو مطلية بالقصدير أو النيكل لمقاومة حرارية منخفضة
- عزل عالي الختم عبر صب الإدخال أو قذف PA12
التخفيف بشكل فعال من مخاطر تسرب سائل التبريد والتكثيف.
أنظمة تبريد الهواء
يتم تعزيز الأداء الحراري من خلال:
- هندسة بسبار محسنة لتدفق الهواء
- هياكل مثقبة أو من النوع الإطاري لزيادة مساحة تبديد الحرارة
- تشطيبات من النحاس العاري أو القصدير اللامع لتحسين نقل الحرارة الإشعاعي
التبريد بمساعدة PCM
تعالج RHI موثوقية الواجهة على المدى الطويل من خلال تقديم:
- قضبان التوصيل المعالجة بالسطح لتحسين التصاق PCM
- عزل مغلف بالكامل (على سبيل المثال، قولبة الحقن PA66+GF30)
منع التفاعل الكيميائي وضمان الأداء الكهربائي المستقر مع مرور الوقت.
5. الاستنتاج
الإدارة الحرارية للبطارية هي توازن دقيق بين السلامة والأداء والمتانة. من تبريد الهواء إلى التبريد السائل، ومن أنابيب الحرارة إلى المواد المتغيرة الطور، يؤدي التطور المستمر والتكامل في تقنيات التبريد إلى دفع بطاريات السيارات الكهربائية نحو كثافة طاقة أعلى وشحن أسرع.
نظرًا لأن أنظمة الإدارة الحرارية أصبحت أكثر تكاملاً وذكاءً، فإن تصميم التوصيل البيني الكهربائي يلعب دورًا متزايد الأهمية.
وباعتبارها شريكًا موثوقًا به في حلول ربط البطاريات، تدعم RHI هذا التطور من خلال تقديم:
مساعدة العملاء على بناء أنظمة إدارة حرارية للبطاريات فعالة وموثوقة وجاهزة للمستقبل.
