اتجاه تطوير تكنولوجيا إدارة الحرارة في المركبات ذات الطاقة الجديدة

إدارة حرارة البطارية

أثناء تشغيل البطارية، تؤثر درجة الحرارة بشكل كبير على أدائها. فإذا انخفضت درجة الحرارة بشكل كبير، فقد يؤدي ذلك إلى انخفاض حاد في سعة البطارية وقدرتها، بل وحتى حدوث ماس كهربائي. وتزداد أهمية إدارة حرارة البطارية بشكل ملحوظ، إذ أن ارتفاع درجة الحرارة بشكل كبير قد يؤدي إلى تحلل البطارية أو تآكلها أو اشتعالها أو حتى انفجارها. وتُعد درجة حرارة تشغيل بطارية الطاقة عاملاً أساسياً في تحديد أدائها وسلامتها وعمرها الافتراضي. فمن ناحية الأداء، يؤدي انخفاض درجة الحرارة بشكل كبير إلى انخفاض نشاط البطارية، مما ينتج عنه انخفاض في كفاءة الشحن والتفريغ، وانخفاض حاد في سعتها. وقد أظهرت المقارنة أنه عند انخفاض درجة الحرارة إلى 10 درجات مئوية، بلغت سعة تفريغ البطارية 93% من سعتها عند درجة الحرارة العادية؛ بينما عند انخفاض درجة الحرارة إلى -20 درجة مئوية، انخفضت سعة تفريغ البطارية إلى 43% فقط من سعتها عند درجة الحرارة العادية.

أشارت دراسة أجراها لي جونكيو وآخرون إلى أنه من منظور السلامة، إذا كانت درجة الحرارة مرتفعة للغاية، فإن التفاعلات الجانبية للبطارية ستتسارع. فعندما تقترب درجة الحرارة من 60 درجة مئوية، تتحلل المواد الداخلية/المواد الفعالة في البطارية، مما يؤدي إلى "هروب حراري" يتسبب في ارتفاع مفاجئ في درجة الحرارة، قد يصل إلى 400-1000 درجة مئوية، مما قد يؤدي إلى نشوب حريق وانفجار. أما إذا كانت درجة الحرارة منخفضة للغاية، فيجب الحفاظ على معدل شحن البطارية عند مستوى منخفض، وإلا فإن ذلك سيؤدي إلى تحلل الليثيوم في البطارية وحدوث قصر داخلي يتسبب في اشتعال النيران.

من منظور عمر البطارية، لا يمكن إغفال تأثير درجة الحرارة. فترسب الليثيوم في البطاريات المعرضة للشحن في درجات حرارة منخفضة يؤدي إلى تدهور سريع في عمرها الافتراضي، يصل إلى عشرات المرات، بينما تؤثر درجات الحرارة المرتفعة بشكل كبير على عمرها الزمني وعمرها الافتراضي. وقد أظهرت الأبحاث أن العمر الافتراضي للبطارية ذات السعة المتبقية 80% يبلغ حوالي 6238 يومًا عند درجة حرارة 23 درجة مئوية، بينما ينخفض ​​إلى حوالي 1790 يومًا عند ارتفاع درجة الحرارة إلى 35 درجة مئوية، وإلى 272 يومًا فقط عند ارتفاعها إلى 55 درجة مئوية.

في الوقت الحالي، ونظراً للقيود المتعلقة بالتكلفة والتقنية، فإن إدارة حرارة البطارية (نظام إدارة BTMSلا يوجد توحيد في استخدام الوسائط الموصلة، ويمكن تقسيمها إلى ثلاثة مسارات تقنية رئيسية: التبريد الهوائي (النشط والسلبي)، والتبريد السائل، ومواد تغيير الطور (PCM). يُعد التبريد الهوائي بسيطًا نسبيًا، ولا ينطوي على خطر التسرب، كما أنه اقتصادي. وهو مناسب للتطوير الأولي لبطاريات فوسفات الحديد الليثيوم (LFP) وقطاع السيارات الصغيرة. أما التبريد السائل، فيتفوق على التبريد الهوائي من حيث الفعالية، ولكنه أكثر تكلفة. وبالمقارنة مع الهواء، يتميز التبريد السائل بسعة حرارية نوعية عالية ومعامل انتقال حرارة مرتفع، مما يعوض بشكل فعال عن القصور التقني المتمثل في انخفاض كفاءة التبريد الهوائي. وهو الخيار الرئيسي لتحسين سيارات الركاب حاليًا. وقد أشار تشانغ فوبين في بحثه إلى أن ميزة التبريد السائل تكمن في سرعة تبديد الحرارة، مما يضمن توحيد درجة حرارة حزمة البطارية، وهو مناسب لحزم البطاريات ذات الإنتاجية الحرارية العالية؛ أما عيوبه فتتمثل في ارتفاع التكلفة، ومتطلبات التغليف الصارمة، وخطر تسرب السائل، وتركيبه المعقد. تتميز مواد تغيير الطور بكفاءة عالية في تبادل الحرارة ومزايا من حيث التكلفة، بالإضافة إلى انخفاض تكاليف الصيانة. ولا تزال هذه التقنية في مرحلة المختبر. إن تقنية إدارة الحرارة لمواد تغيير الطور لم تنضج بالكامل بعد، وهي الاتجاه الأكثر احتمالاً لتطوير إدارة الحرارة للبطاريات في المستقبل.

بشكل عام، يُعد التبريد السائل هو المسار التكنولوجي السائد حاليًا، ويرجع ذلك أساسًا إلى:

(1) من جهة، تتميز بطاريات الليثيوم والحديد الثلاثية عالية النيكل السائدة حاليًا بثبات حراري أقل من بطاريات الليثيوم والحديد الفوسفاتية، وانخفاض درجة حرارة الانهيار الحراري (درجة حرارة التحلل، 750 درجة مئوية لبطاريات الليثيوم والحديد الفوسفاتية، و300 درجة مئوية لبطاريات الليثيوم الثلاثية)، وارتفاع إنتاج الحرارة. ومن جهة أخرى، تعمل تقنيات تطبيق بطاريات الليثيوم والحديد الفوسفاتية الجديدة، مثل بطارية BYD الشفرية وبطارية Ningde CTP، على الاستغناء عن الوحدات، وتحسين استغلال المساحة وكثافة الطاقة، وتعزيز إدارة حرارة البطارية من تقنية التبريد الهوائي إلى تقنية التبريد السائل.

(2) نتيجةً لتوجيهات خفض الدعم وقلق المستهلكين بشأن مدى القيادة، يستمر مدى قيادة المركبات الكهربائية في الازدياد، وتتزايد متطلبات كثافة طاقة البطارية باستمرار. وقد ازداد الطلب على تقنية التبريد السائل ذات كفاءة نقل الحرارة العالية.

(3) تتطور النماذج في اتجاه النماذج المتوسطة إلى الراقية، مع ميزانية تكلفة كافية، والسعي وراء الراحة، وانخفاض تحمل أعطال المكونات والأداء العالي، وحل التبريد السائل أكثر توافقًا مع المتطلبات.

بغض النظر عما إذا كانت سيارة تقليدية أو مركبة تعمل بالطاقة الجديدة، فإن طلب المستهلكين على الراحة يتزايد باستمرار، وأصبحت تقنية إدارة الحرارة في مقصورة القيادة ذات أهمية بالغة. فيما يتعلق بأساليب التبريد، تُستخدم ضواغط كهربائية بدلاً من الضواغط العادية، وعادةً ما تُوصل البطاريات بأنظمة تكييف الهواء. تعتمد المركبات التقليدية بشكل أساسي على نظام التبريد ذي اللوحة المائلة، بينما تستخدم مركبات الطاقة الجديدة نظام التبريد الدوامي. يتميز هذا النظام بكفاءة عالية، ووزن خفيف، وضوضاء منخفضة، وتوافق كبير مع الطاقة الكهربائية. بالإضافة إلى ذلك، يتميز ببساطة التركيب، واستقرار التشغيل، وكفاءة حجمية أعلى بنسبة 60% تقريبًا من نظام التبريد ذي اللوحة المائلة. أما فيما يتعلق بأساليب التسخين، فيُستخدم نظام التسخين PTC (سخان هواء PTC/سخان سائل التبريد PTCهناك حاجة إلى ذلك، وتفتقر المركبات الكهربائية إلى مصادر حرارة عديمة التكلفة (مثل سائل تبريد محرك الاحتراق الداخلي).