تُعدّ بطاريات الطاقة من أهمّ التقنيات المستخدمة في مركبات الطاقة الجديدة. فجودة هذه البطاريات تُحدّد تكلفة المركبات الكهربائية من جهة، ومدى سيرها من جهة أخرى، ما يجعلها عاملاً أساسياً في قبولها وانتشارها السريع.
وفقًا لخصائص الاستخدام والمتطلبات ومجالات تطبيق بطاريات الطاقة، فإن أنواع البحث والتطوير لبطاريات الطاقة في الداخل والخارج هي تقريبًا: بطاريات الرصاص الحمضية، وبطاريات النيكل والكادميوم، وبطاريات هيدريد النيكل المعدني، وبطاريات الليثيوم أيون، وخلايا الوقود، وما إلى ذلك، ومن بينها يحظى تطوير بطاريات الليثيوم أيون بأكبر قدر من الاهتمام.
سلوك توليد الحرارة في بطارية الطاقة
يرتبط مصدر الحرارة ومعدل توليدها وسعة حرارة البطارية وغيرها من المعايير ذات الصلة بوحدة بطارية الطاقة ارتباطًا وثيقًا بطبيعة البطارية. وتعتمد الحرارة المنبعثة من البطارية على طبيعتها وخصائصها الكيميائية والميكانيكية والكهربائية، وخاصة طبيعة التفاعل الكهروكيميائي. ويمكن التعبير عن الطاقة الحرارية المتولدة في تفاعل البطارية بحرارة التفاعل Qr؛ ويؤدي الاستقطاب الكهروكيميائي إلى انحراف الجهد الفعلي للبطارية عن قوتها الدافعة الكهربائية عند الاتزان، ويُعبر عن فقد الطاقة الناتج عن استقطاب البطارية بـ Qp. بالإضافة إلى تفاعل البطارية الذي يسير وفقًا لمعادلة التفاعل، توجد أيضًا بعض التفاعلات الجانبية. وتشمل التفاعلات الجانبية النموذجية تحلل الإلكتروليت والتفريغ الذاتي للبطارية. وتُرمز حرارة التفاعل الجانبي المتولدة في هذه العملية بـ Qs. علاوة على ذلك، ولأن أي بطارية ستمتلك مقاومة حتمًا، ستتولد حرارة جول Qj عند مرور التيار. لذلك، فإن إجمالي حرارة البطارية هو مجموع حرارة الجوانب التالية: Qt = Qr + Qp + Qs + Qj.
تختلف العوامل الرئيسية المسببة لتوليد الحرارة في البطارية باختلاف عملية الشحن (أو التفريغ). فعلى سبيل المثال، عند شحن البطارية بشكل طبيعي، يكون Qr هو العامل المهيمن؛ وفي المراحل اللاحقة من الشحن، نتيجة لتحلل الإلكتروليت، تبدأ التفاعلات الجانبية (حرارة التفاعلات الجانبية Qs). وعندما تقترب البطارية من الشحن الكامل أو عند زيادة الشحن، يحدث تحلل الإلكتروليت بشكل رئيسي، حيث تهيمن Qs. تعتمد حرارة جول Qj على التيار والمقاومة. تتم عملية الشحن الشائعة بتيار ثابت، وتكون قيمة Qj محددة في هذه الحالة. مع ذلك، يكون التيار مرتفعًا نسبيًا أثناء بدء التشغيل والتسارع. بالنسبة للمركبات الهجينة الكهربائية، يعادل هذا تيارًا يتراوح بين عشرات ومئات الأمبيرات. في هذه الحالة، تكون حرارة جول Qj كبيرة جدًا، وتصبح المصدر الرئيسي لانبعاث الحرارة من البطارية.
من منظور إمكانية التحكم في الإدارة الحرارية، فإن أنظمة الإدارة الحرارية (HVHيمكن تقسيم أنظمة إدارة الحرارة إلى نوعين: نشطة وسلبية. ومن منظور وسيط نقل الحرارة، يمكن تقسيم أنظمة إدارة الحرارة إلى: أنظمة التبريد بالهواء (سخان هواء PTC)، مبرد بالسوائل (سخان سائل التبريد PTC)، وتخزين الحرارة بتغيير الطور.
لنقل الحرارة باستخدام سائل التبريد (سخان سائل التبريد PTC) كوسيط، من الضروري إنشاء اتصال لنقل الحرارة بين الوحدة والوسط السائل، مثل غلاف مائي، لإجراء التسخين والتبريد غير المباشرين عن طريق الحمل الحراري والتوصيل الحراري. يمكن أن يكون وسيط نقل الحرارة الماء أو الإيثيلين جليكول أو حتى مادة التبريد. كما يوجد نقل حرارة مباشر عن طريق غمر قطعة القطب في سائل العازل، ولكن يجب اتخاذ تدابير العزل لتجنب حدوث ماس كهربائي.
يستخدم التبريد السلبي عادةً تبادل الحرارة بين سائل التبريد والهواء المحيط، ثم يُدخل مواد عازلة داخل البطارية لتبادل الحرارة الثانوي. أما التبريد النشط فيستخدم مبادلات حرارية بين سائل تبريد المحرك ووسط سائل، أو التسخين الكهربائي/تسخين الزيت الحراري لتحقيق التبريد الأساسي. ويتم التسخين والتبريد الأساسي باستخدام هواء مقصورة الركاب/مكيف الهواء ووسط سائل التبريد.
بالنسبة لأنظمة إدارة الحرارة التي تستخدم الهواء والسائل كوسيط، فإن الهيكل كبير ومعقد للغاية بسبب الحاجة إلى المراوح ومضخات المياه والمبادلات الحرارية والسخانات والأنابيب وغيرها من الملحقات، كما أنه يستهلك طاقة البطارية ويقلل من كثافة طاقة البطارية وكثافة الطاقة.
يستخدم نظام تبريد البطارية بالماء سائل تبريد (50% ماء/50% إيثيلين جليكول) لنقل حرارة البطارية إلى نظام التبريد عبر مبرد البطارية، ثم إلى البيئة عبر المكثف. يتم تبريد ماء دخول البطارية بواسطة البطارية نفسها، مما يسهل الوصول إلى درجة حرارة منخفضة بعد عملية التبادل الحراري، ويمكن ضبط البطارية للعمل ضمن نطاق درجة حرارة التشغيل الأمثل. يوضح الشكل مبدأ عمل النظام. تشمل المكونات الرئيسية لنظام التبريد: المكثف، والضاغط الكهربائي، والمبخر، وصمام التمدد مع صمام الإغلاق، ومبرد البطارية (مع صمام التمدد وصمام الإغلاق)، وأنابيب تكييف الهواء، وغيرها. أما دائرة مياه التبريد فتشمل: مضخة مياه كهربائية، والبطارية (بما في ذلك ألواح التبريد)، ومبردات البطارية، وأنابيب المياه، وخزانات التمدد، وغيرها من الملحقات.
تاريخ النشر: 27 أبريل 2023
