نظرة عامة على إدارة الحرارة في أنظمة نقل الحركة في المركبات الكهربائية

ينقسم نظام إدارة الحرارة في السيارات إلى قسمين: نظام إدارة الحرارة في سيارات الوقود التقليدية، ونظام إدارة الحرارة في سيارات الطاقة الجديدة. وقد وصل نظام إدارة الحرارة في سيارات الوقود التقليدية إلى مرحلة متقدمة من النضج. تعتمد هذه السيارات على محركها، لذا تُعدّ إدارة حرارة المحرك محورًا أساسيًا في هذا النظام. وتشمل إدارة حرارة المحرك بشكل رئيسي نظام تبريده. إذ يجب على دائرة تبريد المحرك تصريف أكثر من 30% من حرارة السيارة لمنع ارتفاع درجة حرارته أثناء التشغيل تحت الأحمال العالية. ويُستخدم سائل تبريد المحرك لتدفئة مقصورة الركاب.

تتكون محطة توليد الطاقة في المركبات التي تعمل بالوقود التقليدي من محركات وناقلات حركة، بينما تتكون مركبات الطاقة الجديدة من بطاريات ومحركات كهربائية وأنظمة تحكم إلكترونية. وقد شهدت أساليب إدارة الحرارة في كلا النوعين تطورات كبيرة. تتراوح درجة حرارة التشغيل الطبيعية لبطارية الطاقة في مركبات الطاقة الجديدة بين 25 و40 درجة مئوية. لذا، تتطلب إدارة حرارة البطارية الحفاظ على دفئها وتبريدها في آنٍ واحد. في الوقت نفسه، يجب ألا ترتفع درجة حرارة المحرك بشكل مفرط، إذ أن ارتفاعها سيؤثر على عمره الافتراضي. لذلك، يحتاج المحرك أيضًا إلى اتخاذ تدابير تبريد مناسبة أثناء التشغيل. فيما يلي شرح لنظام إدارة الحرارة في البطارية ونظام إدارة الحرارة في وحدة التحكم الإلكترونية للمحرك والمكونات الأخرى.

نظام إدارة حرارية لبطارية الطاقة

ينقسم نظام إدارة الحرارة في بطارية الطاقة بشكل أساسي إلى التبريد الهوائي، والتبريد السائل، والتبريد باستخدام مواد تغيير الطور، والتبريد باستخدام الأنابيب الحرارية، وذلك بناءً على وسائط التبريد المختلفة. وتختلف مبادئ وبنية أنظمة طرق التبريد المختلفة اختلافًا كبيرًا.

1) تبريد بطارية الطاقة بالهواء: يتم تبادل الحرارة بالحمل الحراري بين حزمة البطارية والهواء الخارجي عبر تدفق الهواء. ينقسم التبريد بالهواء عمومًا إلى التبريد الطبيعي والتبريد القسري. التبريد الطبيعي هو عندما يبرد الهواء الخارجي حزمة البطارية أثناء تشغيل السيارة. أما التبريد القسري فهو تركيب مروحة لتبريد حزمة البطارية قسرًا. من مزايا التبريد بالهواء انخفاض التكلفة وسهولة التطبيق التجاري. أما عيوبه فتتمثل في انخفاض كفاءة تبديد الحرارة، وكبر حجمه، ومشاكل الضوضاء الشديدة.سخان هواء PTC)

2) تبريد بطاريات الطاقة بالسوائل: يتم سحب حرارة حزمة البطارية عن طريق تدفق السائل. ولأن السعة الحرارية النوعية للسائل أكبر من تلك الخاصة بالهواء، فإن تأثير التبريد بالسوائل أفضل من التبريد بالهواء، كما أن سرعة التبريد أسرع، ويكون توزيع درجة الحرارة بعد تبديد الحرارة من حزمة البطارية أكثر تجانسًا. لذلك، يُستخدم التبريد بالسوائل على نطاق واسع تجاريًا.سخان سائل التبريد PTC)

3) تبريد مواد تغيير الطور: تشمل مواد تغيير الطور (PCM) البارافين والأملاح المائية والأحماض الدهنية، وغيرها، والتي يمكنها امتصاص أو إطلاق كمية كبيرة من الحرارة الكامنة عند حدوث تغيير في الطور، بينما تبقى درجة حرارتها ثابتة. لذلك، تتمتع مواد تغيير الطور بسعة تخزين طاقة حرارية كبيرة دون استهلاك طاقة إضافية، وتُستخدم على نطاق واسع في تبريد بطاريات المنتجات الإلكترونية مثل الهواتف المحمولة. مع ذلك، لا يزال تطبيقها في بطاريات الطاقة للسيارات قيد البحث. تعاني مواد تغيير الطور من مشكلة انخفاض الموصلية الحرارية، مما يؤدي إلى انصهار سطحها الملامس للبطارية، بينما لا تنصهر الأجزاء الأخرى، الأمر الذي يقلل من كفاءة نقل الحرارة في النظام، ويجعلها غير مناسبة لبطاريات الطاقة كبيرة الحجم. إذا أمكن حل هذه المشكلات، سيصبح تبريد مواد تغيير الطور الحل الأمثل لإدارة الحرارة في مركبات الطاقة الجديدة.

4) التبريد باستخدام الأنابيب الحرارية: الأنبوب الحراري جهاز يعتمد على نقل الحرارة عبر تغيير الطور. وهو عبارة عن حاوية أو أنبوب محكم الإغلاق مملوء بسائل مشبع (كالماء، أو الإيثيلين جليكول، أو الأسيتون، إلخ). يُمثل أحد طرفي الأنبوب الحراري طرف التبخر، بينما يُمثل الطرف الآخر طرف التكثيف. ولا يقتصر دوره على امتصاص حرارة حزمة البطاريات فحسب، بل يُسهم أيضًا في تسخينها. ويُعد حاليًا النظام الأمثل لإدارة الحرارة في بطاريات الطاقة، إلا أنه لا يزال قيد البحث والتطوير.

5) التبريد المباشر باستخدام المبرد: يعتمد التبريد المباشر على مبدأ تبخير وامتصاص الحرارة باستخدام المبرد R134a وغيره من المبردات، حيث يتم تركيب مبخر نظام التكييف داخل صندوق البطارية لتبريده بسرعة. يتميز نظام التبريد المباشر بكفاءة تبريد عالية وقدرة تبريد كبيرة.