تحليل نظام الإدارة الحرارية لوسيط نقل الحرارة في بطارية الطاقة

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 إدارة الحرارة، يمكن تقسيم أنظمة إدارة الحرارة إلى نوعين: أنظمة فعّالة وأنظمة سلبية. ومن منظور وسيط نقل الحرارة، يمكن تقسيم أنظمة إدارة الحرارة إلى: أنظمة تبريد بالهواء، وأنظمة تبريد بالسوائل، وأنظمة تخزين حراري تعتمد على تغيير الطور.

إدارة الحرارة باستخدام الهواء كوسيط لنقل الحرارة

يؤثر وسيط نقل الحرارة بشكل كبير على أداء نظام إدارة الحرارة وتكلفته. يُستخدم الهواء كوسيط لنقل الحرارة عن طريق إدخاله مباشرةً ليتدفق عبر وحدة البطارية بهدف تبديد الحرارة. يتطلب ذلك عادةً مراوح، وفتحات تهوية للدخول والخروج، ومكونات أخرى.
وبحسب مصادر سحب الهواء المختلفة، توجد عموماً الأشكال التالية:
1- التبريد السلبي مع تهوية الهواء الخارجي
2. التبريد/التدفئة السلبية لتهوية هواء مقصورة الركاب
3. التبريد/التدفئة النشطة للهواء الخارجي أو هواء مقصورة الركاب
يتميز نظام التبريد السلبي ببنية بسيطة نسبياً، ويعتمد بشكل مباشر على البيئة المحيطة. فعلى سبيل المثال، إذا احتاجت البطارية إلى التسخين في الشتاء، يمكن استخدام الهواء الساخن داخل مقصورة الركاب لتبريدها. وإذا ارتفعت درجة حرارة البطارية أثناء القيادة، ولم يكن تبريد الهواء داخل المقصورة كافياً، يمكن استنشاق هواء بارد من الخارج لتبريدها.

بالنسبة للنظام النشط، يلزم إنشاء نظام منفصل لتوفير وظائف التدفئة أو التبريد، ويتم التحكم فيه بشكل مستقل وفقًا لحالة البطارية، مما يزيد من استهلاك الطاقة وتكلفة المركبة. ويعتمد اختيار الأنظمة المختلفة بشكل أساسي على متطلبات استخدام البطارية.

إدارة الحرارة باستخدام السوائل كوسيط لنقل الحرارة

لنقل الحرارة باستخدام سائل كوسيط، من الضروري إنشاء قناة اتصال لنقل الحرارة بين الوحدة والسائل، كغلاف مائي مثلاً، لتوصيل الحرارة والتدفئة بشكل غير مباشر عن طريق الحمل الحراري والتوصيل الحراري. يمكن أن يكون وسيط نقل الحرارة الماء أو الإيثيلين جليكول أو حتى مادة تبريد. كما يوجد نقل حرارة مباشر عن طريق غمر قطعة القطب في سائل العازل، ولكن يجب اتخاذ تدابير العزل لتجنب حدوث ماس كهربائي.

يستخدم التبريد السائل السلبي عادةً تبادل الحرارة بين السائل والهواء المحيط، ثم يُدخل مواد عازلة داخل البطارية لتبادل الحرارة الثانوي، بينما يستخدم التبريد النشط مبادلات حرارية بين سائل تبريد المحرك والوسط السائل، أو التدفئة الكهربائية/التدفئة بالزيت الحراري لتحقيق التبريد الأساسي. يتم التدفئة والتبريد الأساسي باستخدام هواء مقصورة الركاب/مكيف الهواء مع سائل التبريد.
يتطلب نظام إدارة الحرارة الذي يستخدم الهواء والسائل كوسيط مراوح ومضخات مياه ومبادلات حرارية وسخانات (سخان هواء PTC)، وخطوط الأنابيب وغيرها من الملحقات التي تجعل الهيكل كبيرًا ومعقدًا للغاية، كما أنها تستهلك طاقة البطارية، مما يؤدي إلى انخفاض كثافة الطاقة وكثافة الطاقة للبطارية.
(سائل تبريد PTCسخانيستخدم نظام تبريد البطارية المبرد بالماء سائل تبريد (50% ماء/50% إيثيلين جليكول) لنقل الحرارة من البطارية إلى نظام التبريد عبر مبرد البطارية، ثم إلى البيئة عبر المكثف. يسهل خفض درجة حرارة الماء الداخل بعد تبادل الحرارة بواسطة مبرد البطارية، 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 الإيقاف، ومبرد البطارية (صمام التمدد مع صمام الإيقاف)، وأنابيب تكييف الهواء، وغيرها. وتشمل دائرة مياه التبريد ما يلي:مضخة مياه كهربائية، البطارية (بما في ذلك ألواح التبريد)، ومبردات البطارية، وأنابيب المياه، وخزانات التمدد، وغيرها من الملحقات.