جوهر إدارة الحرارة هو كيفية عمل مكيف الهواء: "تدفق الحرارة وتبادلها".
تتشابه آلية إدارة الحرارة في مركبات الطاقة الجديدة مع مبدأ عمل مكيفات الهواء المنزلية. فكلاهما يستخدم مبدأ "دورة كارنو العكسية" لتغيير شكل غاز التبريد من خلال عمل الضاغط، مما يؤدي إلى تبادل الحرارة بين الهواء وغاز التبريد لتحقيق التبريد والتدفئة. ويكمن جوهر إدارة الحرارة في "تدفق الحرارة وتبادلها". وتنقسم هذه الآلية بشكل أساسي إلى ثلاث دوائر: 1) دائرة المحرك: وتُعنى أساسًا بتبديد الحرارة؛ 2) دائرة البطارية: تتطلب ضبط درجة حرارة عالية، مما يستلزم التدفئة والتبريد؛ 3) دائرة قمرة القيادة: تتطلب التدفئة والتبريد (كما هو الحال في تكييف الهواء). ويمكن فهم آلية عملها ببساطة على أنها ضمان وصول مكونات كل دائرة إلى درجة حرارة التشغيل المناسبة. يتمثل اتجاه التطوير في توصيل الدوائر الثلاث على التوالي والتوازي لتحقيق التكامل والاستخدام الأمثل للبرودة والحرارة. فعلى سبيل المثال، ينقل مكيف هواء السيارة البرودة/الحرارة المتولدة إلى مقصورة الركاب، وهو ما يُعرف بدائرة تكييف الهواء لإدارة الحرارة. ومن الأمثلة على اتجاه التطوير: توصيل دائرة تكييف الهواء ودائرة البطارية على التوالي والتوازي، حيث تُزود دائرة تكييف الهواء دائرة البطارية بالبرودة/الحرارة، مما يُعد حلاً فعالاً لإدارة الحرارة (يُوفر مكونات دائرة البطارية ويُحسّن كفاءة استهلاك الطاقة). يكمن جوهر إدارة الحرارة في تنظيم تدفق الحرارة، بحيث تصل إلى المكان المطلوب. وأفضل إدارة حرارية هي تلك التي تُحقق كفاءة عالية في استهلاك الطاقة وتدفق الحرارة وتبادلها.
تُستمد التقنية المستخدمة في هذه العملية من ثلاجات التكييف. ويتم تبريد/تسخين ثلاجات التكييف وفق مبدأ "دورة كارنو العكسية". ببساطة، يقوم الضاغط بضغط غاز التبريد لتسخينه، ثم يمر غاز التبريد الساخن عبر المكثف ليطلق الحرارة إلى البيئة الخارجية. خلال هذه العملية، يعود غاز التبريد إلى درجة حرارته الطبيعية ويدخل المبخر ليتمدد ويخفض درجة حرارته أكثر، ثم يعود إلى الضاغط لبدء الدورة التالية لتحقيق تبادل حراري مع الهواء. ويُعد صمام التمدد والضاغط من أهم أجزاء هذه العملية. يعتمد نظام إدارة الحرارة في السيارات على هذا المبدأ لتحقيق إدارة حرارية فعالة للمركبة من خلال تبادل الحرارة أو البرودة من دائرة التكييف إلى الدوائر الأخرى.
تتميز المركبات الحديثة التي تعمل بالطاقة المتجددة في مراحلها الأولى بدوائر إدارة حرارية مستقلة وكفاءة منخفضة. كانت الدوائر الثلاث (المكيف، والبطارية، والمحرك) في نظام الإدارة الحرارية تعمل بشكل منفصل، حيث كانت دائرة المكيف مسؤولة فقط عن تبريد وتدفئة مقصورة القيادة، ودائرة البطارية مسؤولة فقط عن التحكم في درجة حرارة البطارية، ودائرة المحرك مسؤولة فقط عن تبريد المحرك. يتسبب هذا النموذج المستقل في مشاكل مثل عدم ترابط المكونات وانخفاض كفاءة استخدام الطاقة. وتتجلى هذه المشاكل بشكل مباشر في المركبات الحديثة التي تعمل بالطاقة المتجددة، مثل تعقيد دوائر الإدارة الحرارية، وقصر عمر البطارية، وزيادة وزن المركبة. لذلك، يتمثل مسار تطوير الإدارة الحرارية في جعل الدوائر الثلاث (البطارية، والمحرك، والمكيف) تعمل معًا بأقصى قدر ممكن، وتحقيق التكامل بين الأجزاء وكفاءة الطاقة قدر الإمكان، وذلك لتحقيق حجم أصغر للمكونات، ووزن أخف، وعمر بطارية أطول، وكفاءة أعلى في استهلاك الطاقة.
2. تطوير إدارة الحرارة هو عملية تكامل المكونات والاستخدام الأمثل للطاقة.
استعرض تاريخ تطوير إدارة الحرارة في الأجيال الثلاثة من مركبات الطاقة الجديدة، وستجد أن الصمام متعدد الاتجاهات عنصر ضروري لتحديثات إدارة الحرارة.
يُعدّ تطوير أنظمة إدارة الحرارة عمليةً لتكامل المكونات ورفع كفاءة استخدام الطاقة. من خلال المقارنة الموجزة السابقة، يتضح أن أنظمة إدارة الحرارة الأولية، مقارنةً بأحدث الأنظمة، تتميز بتكامل أكبر بين دوائرها، مما يُتيح مشاركة المكونات والاستخدام الأمثل للطاقة. ننظر إلى تطوير أنظمة إدارة الحرارة من منظور المستثمرين، حيث لا نحتاج إلى فهم آليات عمل جميع المكونات، بل يكفي فهم كيفية عمل كل دائرة وتاريخ تطور دوائر إدارة الحرارة، مما يُتيح لنا التنبؤ بشكل أدقّ باتجاهات تطوير هذه الدوائر، والتغيرات المُصاحبة في قيمة مكوناتها. لذا، سنستعرض فيما يلي بإيجاز تاريخ تطور أنظمة إدارة الحرارة، لنكتشف معًا فرص الاستثمار المستقبلية.
يتكون نظام إدارة الحرارة في مركبات الطاقة الجديدة عادةً من ثلاث دوائر. 1) دائرة تكييف الهواء: تُعد هذه الدائرة الوظيفية هي الدائرة ذات القيمة الأعلى في إدارة الحرارة. وتتمثل وظيفتها الرئيسية في ضبط درجة حرارة المقصورة والتنسيق مع الدوائر الأخرى بالتوازي. وهي عادةً ما توفر الحرارة وفقًا لمبدأ PTC (معامل درجة الحرارة الموجب).سخان سائل التبريد PTC/سخان هواء PTC1) أو مضخة حرارية، وتوفر التبريد وفقًا لمبدأ تكييف الهواء؛ 2) دائرة البطارية: تُستخدم بشكل أساسي للتحكم في درجة حرارة تشغيل البطارية لضمان الحفاظ على درجة حرارة التشغيل المثلى، لذا تحتاج هذه الدائرة إلى التدفئة والتبريد في آنٍ واحد حسب الظروف المختلفة؛ 3) دائرة المحرك: يُولّد المحرك حرارة أثناء تشغيله، ونطاق درجة حرارة تشغيله واسع. لذلك، لا تتطلب هذه الدائرة سوى التبريد. نلاحظ تطور تكامل النظام وكفاءته من خلال مقارنة تغييرات الإدارة الحرارية في طرازات تسلا الرئيسية، من طراز S إلى طراز Y. بشكل عام، نظام الإدارة الحرارية من الجيل الأول: تُبرّد البطارية بالهواء أو السائل، ويُسخّن مكيف الهواء بواسطة PTC، ويُبرّد نظام القيادة الكهربائية بالسوائل. تُحافظ الدوائر الثلاث بشكل أساسي على التوازي وتعمل بشكل مستقل عن بعضها البعض؛ نظام الإدارة الحرارية من الجيل الثاني: تبريد البطارية بالسوائل، وتسخين PTC، وتبريد نظام التحكم الكهربائي للمحرك بالسوائل، واستخدام حرارة المحرك المهدرة، وتعميق التوصيل التسلسلي بين الأنظمة، وتكامل المكونات؛ نظام إدارة حرارية من الجيل الثالث: تدفئة تكييف الهواء بمضخة حرارية، وتدفئة المحرك عند التوقف. مع تعمّق تطبيق هذه التقنية، أصبحت الأنظمة متصلة على التوالي، والدائرة معقدة ومتكاملة للغاية. نعتقد أن جوهر تطوير الإدارة الحرارية لمركبات الطاقة الجديدة يكمن في: الاعتماد على تدفق وتبادل الحرارة في تقنية تكييف الهواء، وذلك من أجل: 1) تجنب التلف الحراري؛ 2) تحسين كفاءة الطاقة؛ 3) إعادة استخدام الأجزاء لتقليل الحجم والوزن.
تاريخ النشر: 12 مايو 2023
