تُعدّ بطاريات الطاقة المصدر الرئيسي للطاقة في مركبات الطاقة الجديدة، ولذا فهي ذات أهمية بالغة لهذه المركبات. وخلال الاستخدام الفعلي للمركبة، ستواجه البطارية ظروف تشغيل معقدة ومتغيرة.
في درجات الحرارة المنخفضة، تزداد المقاومة الداخلية لبطاريات الليثيوم أيون، مما يؤدي إلى انخفاض سعتها. وفي الحالات القصوى، يتجمد الإلكتروليت، فلا يمكن تفريغ البطارية. يتأثر أداء نظام البطارية في درجات الحرارة المنخفضة بشكل كبير، مما يؤثر سلبًا على أداء خرج الطاقة للمركبات الكهربائية، ويؤدي إلى انخفاض في الطاقة والمدى. عند شحن مركبات الطاقة الجديدة في ظروف درجات الحرارة المنخفضة، يقوم نظام إدارة البطارية (BMS) عادةً بتسخين البطارية أولًا إلى درجة حرارة مناسبة قبل الشحن. إذا لم تتم معالجة هذه العملية بشكل صحيح، فقد يؤدي ذلك إلى زيادة مفاجئة في الجهد، مما ينتج عنه ماس كهربائي داخلي، وقد يتطور الأمر إلى دخان أو حريق أو حتى انفجار.
في درجات الحرارة المرتفعة، إذا تعطل نظام التحكم في الشاحن، فقد يتسبب ذلك في تفاعل كيميائي عنيف داخل البطارية وتوليد كمية كبيرة من الحرارة. إذا تراكمت الحرارة بسرعة داخل البطارية دون أن تتبدد، فقد تتسرب منها الغازات والدخان، وما إلى ذلك. في الحالات الشديدة، قد تحترق البطارية بشدة وتنفجر.
يُعد نظام إدارة حرارة البطارية (BTMS) الوظيفة الرئيسية لنظام إدارة البطارية. وتشمل إدارة حرارة البطارية بشكل أساسي وظائف التبريد والتدفئة ومعادلة درجة الحرارة. ويتم ضبط وظيفتي التبريد والتدفئة بشكل أساسي للحد من تأثير درجة الحرارة المحيطة الخارجية على البطارية. أما معادلة درجة الحرارة فتُستخدم لتقليل فرق درجة الحرارة داخل حزمة البطارية ومنع التلف السريع الناتج عن ارتفاع درجة حرارة جزء معين منها. ويتكون نظام التنظيم ذو الحلقة المغلقة من وسيط ناقل للحرارة، ووحدة قياس وتحكم، ومعدات للتحكم في درجة الحرارة، بحيث تعمل بطارية الطاقة ضمن نطاق درجة حرارة مناسب للحفاظ على حالتها المثلى وضمان أداء نظام البطارية وعمره الافتراضي.
1. نموذج "V" لتطوير نظام إدارة الحرارة
كجزء من نظام بطارية الطاقة، تم تطوير نظام إدارة الحرارة وفقًا لنموذج التطوير "V" المستخدم في صناعة السيارات. وبفضل أدوات المحاكاة وعدد كبير من الاختبارات، يمكن تحسين كفاءة التطوير، وخفض تكاليفه، وتوفير نظام الضمان، مع ضمان الموثوقية والسلامة وطول العمر.
فيما يلي نموذج "V" لتطوير نظام إدارة الحرارة. يتكون النموذج عمومًا من محورين، أفقي ورأسي: يتألف المحور الأفقي من أربعة خطوط رئيسية للتطوير الأمامي وخط رئيسي واحد للتحقق العكسي، مع الأخذ في الاعتبار التحقق العكسي ذي الحلقة المغلقة؛ أما المحور الرأسي فيتألف من ثلاثة مستويات: المكونات، والأنظمة الفرعية، والأنظمة.
تؤثر درجة حرارة البطارية بشكل مباشر على سلامتها، لذا يُعد تصميم نظام إدارة الحرارة للبطارية ودراسته من أهم المهام في تصميم نظام البطارية. يجب أن يتم تصميم نظام إدارة الحرارة والتحقق منه بدقة وفقًا لعملية تصميم إدارة الحرارة للبطارية، وأنواع مكونات نظام إدارة الحرارة، واختيار مكونات نظام إدارة الحرارة، وتقييم أداء نظام إدارة الحرارة، وذلك لضمان أداء البطارية وسلامتها.
1. متطلبات نظام إدارة الحرارة. بناءً على مُدخلات التصميم، مثل بيئة استخدام المركبة وظروف تشغيلها ونطاق درجة حرارة خلية البطارية، يتم إجراء تحليل للاحتياجات لتوضيح متطلبات نظام إدارة الحرارة الخاص بالبطارية. وبناءً على تحليل الاحتياجات، يتم تحديد وظائف نظام إدارة الحرارة وأهداف تصميمه. تشمل هذه الأهداف بشكل أساسي التحكم في درجة حرارة خلية البطارية، وفرق درجة الحرارة بين خلايا البطارية، واستهلاك الطاقة، وتكلفة النظام.
2. إطار عمل نظام الإدارة الحرارية. وفقًا لمتطلبات النظام، يُقسّم النظام إلى نظام فرعي للتبريد، ونظام فرعي للتدفئة، ونظام فرعي للعزل الحراري، ونظام فرعي لمنع الهروب الحراري (TRo)، وتُحدد متطلبات تصميم كل نظام فرعي. في الوقت نفسه، يُجرى تحليل محاكاة للتحقق المبدئي من تصميم النظام. على سبيل المثال:سخان تبريد PTC, سخان هواء PTC, مضخة مياه إلكترونية، إلخ.
3. تصميم النظام الفرعي، أولاً تحديد هدف تصميم كل نظام فرعي وفقًا لتصميم النظام، ثم إجراء اختيار الطريقة، وتصميم المخطط، والتصميم التفصيلي، وتحليل المحاكاة والتحقق لكل نظام فرعي بدوره.
4. تصميم الأجزاء، أولاً تحديد أهداف تصميم الأجزاء وفقًا لتصميم النظام الفرعي، ثم إجراء تصميم مفصل وتحليل محاكاة.
5. تصنيع واختبار الأجزاء، وتصنيع الأجزاء، والاختبار والتحقق.
6. تكامل النظام الفرعي والتحقق منه، من أجل تكامل النظام الفرعي والتحقق من الاختبار.
7. تكامل النظام واختباره، والتحقق من تكامل النظام واختباره.
تاريخ النشر: 2 يونيو 2023
