حلول إدارة الحرارة لأنظمة البطاريات

لا شك أن عامل درجة الحرارة يؤثر بشكل حاسم على أداء بطاريات الطاقة وعمرها وسلامتها. عمومًا، نتوقع أن يعمل نظام البطارية في نطاق 15 إلى 35 درجة مئوية، وذلك لتحقيق أفضل إنتاجية للطاقة، وأقصى طاقة متاحة، وأطول عمر تشغيلي (مع أن التخزين في درجات حرارة منخفضة قد يطيل عمر البطارية، إلا أنه لا يُعدّ مجديًا عمليًا في التطبيقات، والبطاريات تُشبه البشر في هذا الجانب).

يمكن حاليًا تقسيم إدارة الحرارة في أنظمة بطاريات الطاقة إلى أربع فئات رئيسية: التبريد الطبيعي، والتبريد الهوائي، والتبريد السائل، والتبريد المباشر. يُعد التبريد الطبيعي طريقة سلبية لإدارة الحرارة، بينما يُعد التبريد الهوائي والتبريد السائل والتيار المباشر طرقًا فعالة. ويكمن الاختلاف الرئيسي بين هذه الطرق الثلاث في اختلاف وسيط التبادل الحراري.

التبريد الطبيعي
لا يتطلب التبريد الطبيعي أي أجهزة إضافية لتبادل الحرارة. فعلى سبيل المثال، اعتمدت شركة BYD التبريد الطبيعي في طرازات Qin وTang وSong وE6 وTengshi وغيرها من الطرازات التي تستخدم خلايا LFP. ومن المتوقع أن تتحول BYD في طرازاتها اللاحقة التي تستخدم بطاريات ثلاثية إلى التبريد السائل.

· التبريد الهوائي (سخان هواء PTC)
يستخدم التبريد الهوائي الهواء كوسيط لنقل الحرارة. وهناك نوعان شائعان: الأول هو التبريد الهوائي السلبي، الذي يستخدم الهواء الخارجي مباشرةً لتبادل الحرارة. أما النوع الثاني فهو التبريد الهوائي النشط، الذي يقوم بتسخين أو تبريد الهواء الخارجي قبل دخوله إلى نظام البطارية. في بداياتها، اعتمدت العديد من الطرازات الكهربائية اليابانية والكورية على حلول التبريد الهوائي.

التبريد السائل
يستخدم التبريد السائل مانع التجمد (مثل الإيثيلين جليكول) كوسيط لنقل الحرارة. وعادةً ما يحتوي هذا النظام على عدة دوائر مختلفة لتبادل الحرارة. على سبيل المثال، يحتوي نظام VOLT على دائرة تبريد، ودائرة تكييف هواء (تكييف الهواء من شركة PTCودائرة PTC (سخان سائل التبريد PTCيستجيب نظام إدارة البطارية ويضبط نفسه ويغير إعداداته وفقًا لاستراتيجية إدارة الحرارة. تحتوي سيارة تسلا موديل إس على دائرة تبريد متصلة على التوالي مع دائرة تبريد المحرك. عندما تحتاج البطارية إلى التسخين عند درجة حرارة منخفضة، تتصل دائرة تبريد المحرك على التوالي مع دائرة تبريد البطارية، فيقوم المحرك بتسخين البطارية. أما عندما تكون درجة حرارة البطارية مرتفعة، فيتم ضبط دائرة تبريد المحرك ودائرة تبريد البطارية على التوازي، ويقوم نظاما التبريد بتبديد الحرارة بشكل مستقل.

1. مكثف الغاز

2. المكثف الثانوي

3. مروحة المكثف الثانوي

4. مروحة مكثف الغاز

5. مستشعر ضغط مكيف الهواء (جانب الضغط العالي)

6. مستشعر درجة حرارة مكيف الهواء (جانب الضغط العالي)

7. ضاغط مكيف الهواء الإلكتروني

8. مستشعر ضغط مكيف الهواء (جانب الضغط المنخفض)

9. مستشعر درجة حرارة مكيف الهواء (جانب الضغط المنخفض)

10. صمام التمدد (المبرد)

11. صمام التمدد (المبخر)

التبريد المباشر
يستخدم نظام التبريد المباشر مادة التبريد (مادة متغيرة الطور) كوسيط لتبادل الحرارة. تستطيع مادة التبريد امتصاص كمية كبيرة من الحرارة أثناء عملية التحول من الحالة الغازية إلى السائلة. بالمقارنة مع مادة التبريد التقليدية، يمكن زيادة كفاءة نقل الحرارة بأكثر من ثلاثة أضعاف، كما يمكن استبدال البطارية بسرعة أكبر. يتم التخلص من الحرارة داخل النظام. وقد تم استخدام نظام التبريد المباشر في سيارة BMW i3.

 

بالإضافة إلى كفاءة التبريد، يجب أن يراعي نظام إدارة الحرارة في البطارية تجانس درجة حرارة جميع البطاريات. تحتوي حزمة البطاريات (PACK) على مئات الخلايا، ولا يمكن لمستشعر الحرارة رصد كل خلية على حدة. على سبيل المثال، تحتوي وحدة بطارية في سيارة تسلا موديل إس على 444 بطارية، ولكن لا يوجد سوى نقطتي قياس حرارة. لذلك، من الضروري تحقيق تجانس درجة حرارة البطارية قدر الإمكان من خلال تصميم نظام إدارة الحرارة. ويُعدّ تجانس درجة الحرارة شرطًا أساسيًا لضمان ثبات معايير الأداء، مثل طاقة البطارية وعمرها وحالة شحنها.