بحث حول تقنية الإدارة الحرارية لبطاريات الليثيوم لمركبات الطاقة الجديدة

1. خصائص بطاريات الليثيوم لمركبات الطاقة الجديدة

تتميز بطاريات الليثيوم بانخفاض معدل تفريغها الذاتي، وكثافة طاقتها العالية، وطول دورات شحنها وتفريغها، وكفاءتها التشغيلية العالية. ويُعدّ استخدامها كمصدر طاقة رئيسي في أنظمة الطاقة المتجددة خيارًا مثاليًا. لذا، تُعتبر حزمة بطاريات الليثيوم، المرتبطة بخلية البطارية، المكون الأساسي والجزء الرئيسي المسؤول عن توفير الطاقة في مركبات الطاقة المتجددة. وتتطلب بطاريات الليثيوم ظروفًا بيئية محددة أثناء التشغيل. وتشير النتائج التجريبية إلى أن درجة حرارة التشغيل المثلى تتراوح بين 20 و40 درجة مئوية. فعندما تتجاوز درجة الحرارة المحيطة بالبطارية هذا الحد، ينخفض ​​أداء البطارية بشكل كبير، ويقل عمرها الافتراضي بشكل ملحوظ. أما في حالة انخفاض درجة الحرارة المحيطة، فإن سعة التفريغ النهائية وجهد التفريغ ينحرفان عن القيم المحددة مسبقًا، مما يؤدي إلى انخفاض حاد.

إذا ارتفعت درجة الحرارة المحيطة بشكل كبير، سيزداد احتمال حدوث هروب حراري في بطارية الليثيوم، وستتجمع الحرارة الداخلية في موضع محدد، مما يُسبب مشاكل خطيرة في تراكم الحرارة. وإذا لم يتم تصريف هذه الحرارة بسلاسة، ومع زيادة مدة تشغيل البطارية، ستكون عرضة للانفجار. يُشكل هذا الخطر تهديدًا كبيرًا للسلامة الشخصية، لذا يجب أن تعتمد بطاريات الليثيوم على أجهزة تبريد كهرومغناطيسية لتحسين أداء السلامة للمعدات ككل أثناء التشغيل. يتضح أنه عند التحكم في درجة حرارة بطاريات الليثيوم، يجب على الباحثين استخدام أجهزة خارجية لتصريف الحرارة والتحكم في درجة حرارة التشغيل المثلى. بعد أن تصل درجة الحرارة إلى المعايير المطلوبة، لن يكون هناك أي تهديد لهدف القيادة الآمنة لمركبات الطاقة الجديدة.

2. آلية توليد الحرارة في بطارية الليثيوم المستخدمة في مركبات الطاقة الجديدة

على الرغم من إمكانية استخدام هذه البطاريات كمصدر للطاقة، إلا أن الفروقات بينها تبرز بشكل أوضح عند استخدامها في التطبيقات العملية. فبعض البطاريات لها عيوب أكبر، لذا ينبغي على مصنعي مركبات الطاقة الجديدة توخي الحذر عند اختيارها. فعلى سبيل المثال، توفر بطارية الرصاص الحمضية طاقة كافية للجزء الأوسط من نظام الطاقة، لكنها تُلحق ضررًا بالغًا بالبيئة المحيطة أثناء تشغيلها، وهو ضرر يصعب إصلاحه لاحقًا. ولذلك، حرصًا على حماية البيئة، أدرجت الدولة بطاريات الرصاص الحمضية ضمن قائمة المواد المحظورة. خلال فترة التطوير، حظيت بطاريات النيكل-هيدريد المعدني بفرص جيدة، ونضجت تقنيات تطويرها تدريجيًا، وتوسع نطاق استخدامها. ومع ذلك، بالمقارنة مع بطاريات الليثيوم، فإن عيوبها أكثر وضوحًا. فعلى سبيل المثال، يصعب على مصنعي البطاريات العاديين التحكم في تكلفة إنتاج بطاريات النيكل-هيدريد المعدني. ونتيجة لذلك، ظل سعر بطاريات النيكل-هيدروجين في السوق مرتفعًا. ومن المستبعد أن تفكر بعض ماركات مركبات الطاقة الجديدة التي تسعى إلى تحقيق أفضل أداء من حيث التكلفة في استخدامها كقطع غيار. والأهم من ذلك، أن بطاريات النيكل-معدن الهيدريد أكثر حساسية لدرجة الحرارة المحيطة من بطاريات الليثيوم، وأكثر عرضة للاشتعال بسبب ارتفاع درجات الحرارة. بعد إجراء العديد من المقارنات، تبرز بطاريات الليثيوم وتُستخدم الآن على نطاق واسع في مركبات الطاقة الجديدة.

يكمن السبب وراء قدرة بطاريات الليثيوم على تزويد مركبات الطاقة الجديدة بالطاقة في احتوائها على مواد فعالة في قطبيها الموجب والسالب. فخلال عملية التضمين والاستخراج المستمرة لهذه المواد، يتم الحصول على كمية كبيرة من الطاقة الكهربائية، والتي يتم تحويلها لاحقًا، وفقًا لمبدأ تحويل الطاقة، إلى طاقة حركية، مما يوفر طاقة قوية لمركبات الطاقة الجديدة، ويساهم في تشغيلها. وفي الوقت نفسه، عند حدوث تفاعل كيميائي في خلية بطارية الليثيوم، فإنها تمتص الحرارة وتطلقها لإتمام عملية تحويل الطاقة. إضافةً إلى ذلك، فإن ذرات الليثيوم ليست ثابتة، بل تتحرك باستمرار بين الإلكتروليت والحجاب الحاجز، مما يُولد مقاومة داخلية ناتجة عن الاستقطاب.

الآن، سيتم إطلاق الحرارة بشكل مناسب. مع ذلك، فإن درجة الحرارة المحيطة ببطارية الليثيوم في مركبات الطاقة الجديدة مرتفعة للغاية، مما قد يؤدي بسهولة إلى تلف الفواصل الموجبة والسالبة. إضافةً إلى ذلك، تتكون بطارية الليثيوم في مركبات الطاقة الجديدة من عدة حزم بطاريات. الحرارة المتولدة من جميع حزم البطاريات تفوق بكثير حرارة البطارية الواحدة. عندما تتجاوز درجة الحرارة قيمة محددة مسبقًا، تصبح البطارية عرضة للانفجار بشكل كبير.

3. التقنيات الرئيسية لنظام إدارة حرارة البطارية

حظي نظام إدارة بطاريات مركبات الطاقة الجديدة باهتمام كبير محليًا وعالميًا، حيث أُجريت سلسلة من الأبحاث وحققت نتائج عديدة. ستركز هذه المقالة على التقييم الدقيق للطاقة المتبقية في نظام إدارة حرارة بطاريات مركبات الطاقة الجديدة، وإدارة توازن البطارية، والتقنيات الرئيسية المستخدمة فيه.نظام إدارة حرارية.

3.1 طريقة تقييم الطاقة المتبقية لنظام إدارة الحرارة للبطارية
استثمر الباحثون جهودًا مضنية في تقييم حالة الشحن (SOC)، معتمدين بشكل أساسي على خوارزميات البيانات العلمية مثل طريقة التكامل الأمبيري-ساعي، وطريقة النموذج الخطي، وطريقة الشبكة العصبية، وطريقة مرشح كالمان، لإجراء عدد كبير من تجارب المحاكاة. مع ذلك، غالبًا ما تحدث أخطاء حسابية أثناء تطبيق هذه الطريقة. إذا لم يتم تصحيح الخطأ في الوقت المناسب، ستزداد الفجوة بين نتائج الحساب. وللتغلب على هذا القصور، يلجأ الباحثون عادةً إلى دمج طريقة تقييم أنشي مع طرق أخرى للتحقق المتبادل، بهدف الحصول على أدق النتائج. وبفضل البيانات الدقيقة، يستطيع الباحثون تقدير تيار تفريغ البطارية بدقة.

3.2 الإدارة المتوازنة لنظام إدارة حرارة البطارية
تُستخدم إدارة التوازن في نظام إدارة حرارة البطارية بشكل أساسي لتنسيق الجهد والطاقة لكل جزء من أجزاء البطارية. عند استخدام بطاريات مختلفة في أجزاء مختلفة، يختلف الجهد والطاقة. في هذه الحالة، يجب استخدام إدارة التوازن لإزالة هذا التباين. وتُعد تقنية إدارة التوازن حاليًا الأكثر استخدامًا.

ينقسم هذا النوع من المعالجة الصوتية بشكل أساسي إلى نوعين: المعالجة السلبية والمعالجة النشطة. ومن منظور التطبيق، تختلف مبادئ التنفيذ المستخدمة في هذين النوعين من المعالجة اختلافًا كبيرًا.

(1) التوازن السلبي. يعتمد مبدأ التوازن السلبي على العلاقة التناسبية بين قدرة البطارية وجهدها، استنادًا إلى بيانات جهد سلسلة واحدة من البطاريات، ويتم تحويل الطاقة بينهما عادةً من خلال التفريغ المقاوم: حيث تولد طاقة البطارية عالية القدرة حرارةً عبر التسخين المقاوم، ثم تُبدد هذه الحرارة عبر الهواء لتحقيق هدف فقدان الطاقة. مع ذلك، لا تُحسّن طريقة التوازن هذه كفاءة استخدام البطارية. إضافةً إلى ذلك، إذا كان تبديد الحرارة غير متساوٍ، فلن تتمكن البطارية من إتمام مهمة إدارة حرارتها بسبب مشكلة ارتفاع درجة الحرارة.

(2) التوازن النشط. يُعد التوازن النشط تطويرًا للتوازن السلبي، حيث يُعالج عيوبه. من حيث مبدأ التنفيذ، لا يعتمد التوازن النشط على مبدأ التوازن السلبي، بل يتبنى مفهومًا جديدًا تمامًا: فهو لا يُحوّل الطاقة الكهربائية للبطارية إلى طاقة حرارية ولا يُبددها، بل ينقل الطاقة من البطارية ذات الطاقة العالية إلى البطارية ذات الطاقة المنخفضة. علاوة على ذلك، لا يُخالف هذا النوع من النقل قانون حفظ الطاقة، ويتميز بانخفاض الفاقد، وكفاءة الاستخدام العالية، وسرعة النتائج. مع ذلك، فإن بنية إدارة التوازن معقدة نسبيًا. فإذا لم يتم التحكم في نقطة التوازن بشكل صحيح، فقد يتسبب ذلك في تلف لا يُمكن إصلاحه لحزمة بطاريات الطاقة بسبب حجمها الزائد. باختصار، لكل من إدارة التوازن النشط وإدارة التوازن السلبي مزايا وعيوب. في التطبيقات العملية، يُمكن للباحثين الاختيار بناءً على سعة وعدد سلاسل حزم بطاريات الليثيوم. تُعد حزم بطاريات الليثيوم ذات السعة المنخفضة والعدد المنخفض مناسبة لإدارة المعادلة السلبية، بينما تُعد حزم بطاريات الليثيوم ذات السعة العالية والعدد العالي مناسبة لإدارة المعادلة النشطة.

3.3 التقنيات الرئيسية المستخدمة في نظام إدارة الحرارة للبطارية
(1) تحديد نطاق درجة حرارة التشغيل الأمثل للبطارية. يُستخدم نظام إدارة الحرارة بشكل أساسي لتنسيق درجة الحرارة المحيطة بالبطارية، ولضمان فعالية هذا النظام، تُستخدم التقنية الرئيسية التي طورها الباحثون لتحديد درجة حرارة تشغيل البطارية. طالما بقيت درجة حرارة البطارية ضمن نطاق مناسب، فإن بطارية الليثيوم ستعمل دائمًا بأفضل كفاءة، موفرةً طاقة كافية لتشغيل مركبات الطاقة الجديدة. وبهذه الطريقة، يمكن ضمان أداء بطارية الليثيوم في مركبات الطاقة الجديدة على أكمل وجه.

(2) حساب النطاق الحراري للبطارية والتنبؤ بدرجة حرارتها. تتضمن هذه التقنية عددًا كبيرًا من حسابات النماذج الرياضية. يستخدم العلماء طرق حسابية مناسبة للحصول على فرق درجة الحرارة داخل البطارية، ويستخدمون ذلك كأساس للتنبؤ بالسلوك الحراري المحتمل للبطارية.

(3) اختيار وسيط نقل الحرارة. يعتمد الأداء المتميز لنظام إدارة الحرارة على اختيار وسيط نقل الحرارة. تستخدم معظم مركبات الطاقة الجديدة الحالية الهواء/المبرد كوسيط تبريد. تتميز طريقة التبريد هذه بسهولة التشغيل، وانخفاض تكلفة التصنيع، وقدرتها على تحقيق الغرض من تبديد حرارة البطارية بشكل جيد.سخان هواء PTC/سخان سائل التبريد PTC)

(4) اعتماد تصميم هيكلي متوازي للتهوية وتبديد الحرارة. يعمل تصميم التهوية وتبديد الحرارة بين حزم بطاريات الليثيوم على توسيع تدفق الهواء بحيث يمكن توزيعه بالتساوي بين حزم البطاريات، مما يحل بشكل فعال مشكلة اختلاف درجة الحرارة بين وحدات البطارية.

(5) اختيار المروحة ونقطة قياس درجة الحرارة. في هذه الوحدة، أجرى الباحثون عددًا كبيرًا من التجارب لإجراء حسابات نظرية، ثم استخدموا أساليب ميكانيكا الموائع للحصول على قيم استهلاك الطاقة للمروحة. بعد ذلك، سيستخدم الباحثون طريقة العناصر المحدودة لإيجاد أنسب نقطة لقياس درجة الحرارة من أجل الحصول على بيانات دقيقة لدرجة حرارة البطارية.