تُعدّ البطاريات، باعتبارها المصدر الرئيسي للطاقة في مركبات الطاقة الجديدة، ذات أهمية بالغة. وخلال الاستخدام الفعلي للمركبة، تواجه البطارية ظروف تشغيل معقدة ومتغيرة. ولتحسين مدى السير، تحتاج المركبة إلى وضع أكبر عدد ممكن من البطاريات في حيز محدود، مما يجعل مساحة حزمة البطاريات في المركبة محدودة للغاية. تُولّد البطارية كمية كبيرة من الحرارة أثناء تشغيل المركبة، وتتراكم هذه الحرارة في حيز صغير نسبيًا مع مرور الوقت. ونظرًا للتراص الكثيف للخلايا في حزمة البطارية، يصعب تبديد الحرارة في المنطقة الوسطى، مما يزيد من تفاوت درجات الحرارة بين الخلايا، الأمر الذي يُقلل من كفاءة شحن وتفريغ البطارية ويؤثر على قدرتها، وقد يتسبب في ارتفاع درجة الحرارة بشكل مفاجئ، مما يؤثر على سلامة النظام وعمره الافتراضي.
تؤثر درجة حرارة بطارية الطاقة بشكل كبير على أدائها وعمرها الافتراضي وسلامتها. ففي درجات الحرارة المنخفضة، تزداد المقاومة الداخلية لبطاريات الليثيوم أيون، مما يؤدي إلى انخفاض سعتها. وفي الحالات القصوى، يتجمد الإلكتروليت، فلا يمكن تفريغ البطارية. ويتأثر أداء نظام البطارية في درجات الحرارة المنخفضة بشكل كبير، مما يؤثر سلبًا على أداء خرج الطاقة للمركبات الكهربائية، ويؤدي إلى انخفاض قدرتها على المناورة ومدى سيرها. عند شحن مركبات الطاقة الجديدة في ظروف درجات الحرارة المنخفضة، يقوم نظام إدارة البطارية (BMS) عادةً بتسخين البطارية أولًا إلى درجة حرارة مناسبة قبل الشحن. وإذا لم يتم التعامل مع هذه العملية بشكل صحيح، فقد يؤدي ذلك إلى زيادة مفاجئة في الجهد، مما ينتج عنه ماس كهربائي داخلي، وقد يتطور الأمر إلى دخان أو حريق أو حتى انفجار. وتُعدّ مشكلة سلامة الشحن في درجات الحرارة المنخفضة لنظام بطارية المركبات الكهربائية عائقًا كبيرًا أمام انتشار هذه المركبات في المناطق الباردة.
تُعدّ إدارة حرارة البطارية إحدى الوظائف المهمة في نظام إدارة البطارية (BMS)، وتتمثل مهمتها الأساسية في الحفاظ على عمل حزمة البطارية ضمن نطاق درجة حرارة مناسب في جميع الأوقات، وذلك لضمان أفضل أداء لها. تشمل إدارة حرارة البطارية بشكل رئيسي وظائف التبريد والتدفئة ومعادلة درجة الحرارة. تُضبط وظائف التبريد والتدفئة بشكل أساسي لمراعاة التأثير المحتمل لدرجة الحرارة المحيطة الخارجية على البطارية. أما معادلة درجة الحرارة فتُستخدم لتقليل فرق درجة الحرارة داخل حزمة البطارية ومنع التلف السريع الناتج عن ارتفاع درجة حرارة جزء معين منها.
بشكل عام، تُقسم طرق تبريد بطاريات الطاقة إلى ثلاث فئات رئيسية: التبريد الهوائي، والتبريد السائل، والتبريد المباشر. يعتمد التبريد الهوائي على تدفق الهواء الطبيعي أو هواء التبريد داخل مقصورة الركاب عبر سطح البطارية لتحقيق التبادل الحراري والتبريد. أما التبريد السائل، فيستخدم عادةً أنبوب تبريد مستقل لتسخين أو تبريد البطارية. وتُعد هذه الطريقة حاليًا هي الأكثر شيوعًا في أنظمة التبريد، حيث تستخدمها سيارتا تسلا وفولت على سبيل المثال. في المقابل، يعتمد نظام التبريد المباشر على استخدام مادة التبريد مباشرةً لتبريد البطارية، دون الحاجة إلى أنبوب التبريد.
1. نظام تبريد الهواء:
في بطاريات الطاقة المبكرة، ونظرًا لصغر سعتها وكثافة طاقتها، تم تبريد العديد من بطاريات الطاقة عن طريق التبريد الهوائي.سخان هواء PTCينقسم ) إلى فئتين: التبريد بالهواء الطبيعي والتبريد بالهواء القسري (باستخدام المروحة)، ويستخدم الرياح الطبيعية أو الهواء البارد في الكابينة لتبريد البطارية.
من الأمثلة النموذجية لأنظمة التبريد الهوائي سيارات مثل نيسان ليف وكيا سول الكهربائية. حاليًا، تُوضع بطاريات 48 فولت في المركبات الهجينة الصغيرة ذات 48 فولت داخل مقصورة الركاب، وتُبرّد بالهواء. يتميز نظام التبريد الهوائي ببساطة تركيبه ونضج تقنيته وانخفاض تكلفته. مع ذلك، ونظرًا لمحدودية كمية الحرارة التي يمتصها الهواء، فإن كفاءة التبادل الحراري منخفضة، كما أن تجانس درجة الحرارة الداخلية للبطارية غير جيد، ويصعب التحكم بدقة في درجة حرارتها. لذا، يُعدّ نظام التبريد الهوائي مناسبًا عمومًا للمركبات ذات المدى القصير والوزن الخفيف.
تجدر الإشارة إلى أن تصميم قنوات الهواء في أنظمة التبريد الهوائي يلعب دورًا حيويًا في كفاءة التبريد. تُقسم قنوات الهواء بشكل أساسي إلى نوعين: قنوات متصلة على التوالي وقنوات متوازية. تتميز القنوات المتصلة على التوالي ببساطتها، ولكن مقاومتها الحرارية عالية؛ أما القنوات المتوازية فهي أكثر تعقيدًا وتشغل مساحة أكبر، ولكنها تتميز بتوزيع حراري متجانس.
2. نظام التبريد السائل
يعني وضع التبريد بالسوائل أن البطارية تستخدم سائل التبريد لتبادل الحرارة (سخان سائل التبريد PTCيمكن تقسيم سائل التبريد إلى نوعين: الأول يتصل مباشرة بخلية البطارية (مثل زيت السيليكون وزيت الخروع)، والثاني يتصل بها عبر قنوات مائية (مثل الماء والإيثيلين جليكول). ويُستخدم حاليًا محلول الماء والإيثيلين جليكول بكثرة. يُضاف عادةً مُبرد إلى نظام التبريد السائل ليتكامل مع دورة التبريد، حيث تُسحب حرارة البطارية عبر سائل التبريد. وتتمثل مكوناته الأساسية في الضاغط والمبرد و...مضخة مياه كهربائيةباعتباره مصدر الطاقة للتبريد، يحدد الضاغط قدرة التبادل الحراري للنظام بأكمله. يعمل المبرد كحلقة وصل بين غاز التبريد وسائل التبريد، وتحدد كمية التبادل الحراري درجة حرارة سائل التبريد بشكل مباشر. تحدد مضخة الماء معدل تدفق سائل التبريد في الأنابيب. كلما زاد معدل التدفق، تحسن أداء نقل الحرارة، والعكس صحيح.
تاريخ النشر: 9 أغسطس 2024
