مبدأ عمل سخان PTC للمركبات الكهربائية (سخان PTC للمركبات الكهربائية)

جوهرسخان PTC للمركبات الكهربائيةتعتمد هذه التقنية على خصائص مادة الثرمستور ذي معامل درجة الحرارة الموجب (PTC)، بالإضافة إلى نظام إمداد الطاقة عالي الجهد ودائرة إدارة الحرارة في المركبات الكهربائية لتحقيق التدفئة. ببساطة، تُحوّل الطاقة الكهربائية مباشرةً إلى طاقة حرارية، ثم تُنقل إلى مقصورة القيادة أو البطارية عبر وسيط التبريد (المبرد/الهواء). تتميز هذه التقنية بخاصيتي التحديد الذاتي والتنظيم الذاتي طوال العملية، دون الحاجة إلى أجهزة تحكم معقدة إضافية في درجة الحرارة، مما يجعلها حلاً فعالاً وآمناً للتدفئة في مركبات الطاقة الجديدة.
تنقسم العملية برمتها إلى مستويين: مبادئ المواد الأساسية وسير العمل الفعلي للاستخدام في السيارات. وقد يختلف الأخير قليلاً تبعًا لحالة التطبيق (تدفئة المقصورة/تدفئة البطارية). أما الاستخدام السائد في السيارات فهوسخانات PTC المبردة بالسوائل(تبادل حراري لسائل التبريد)، بينما تستخدم كمية صغيرة من تدفئة المقصورة سخانات PTC التي تعمل بالهواء (تبادل حراري مباشر للهواء). وفيما يلي شرح مفصل لكل منهما:
1- المبدأ الأساسي: التسخين ومبدأ تحديد درجة الحرارة الذاتي في الثرمستور PTC
عنصر التسخين الأساسي لـسخان PTCوهي عبارة عن صفيحة سيراميكية من نوع PTC (سيراميك شبه موصل قائم على تيتانات الباريوم مطعّم بعناصر أرضية نادرة ضئيلة)، وهي أصل جميع خصائصها:
التسخين: تشكل رقائق السيراميك PTC مسارات موصلة مع حبيبات موصلة داخلية عند الجهد المقنن (تيار مستمر عالي الجهد للاستخدام في السيارات، مثل 300 فولت + / 400 فولت +)، مما يولد حرارة جول عند مرور التيار، ويحقق تحويلًا مباشرًا للطاقة الكهربائية إلى طاقة حرارية بكفاءة تسخين عالية (قريبة من 100٪، بدون فقدان في تحويل الطاقة)؛
درجة الحرارة المحددة ذاتيًا (الخاصية الأساسية): عندما لا تصل درجة حرارة رقائق السيراميك PTC إلى درجة حرارة كوري (درجة الحرارة الحرجة للمواد، بشكل عام 120-180 درجة مئوية للاستخدام في السيارات)، تكون قيمة المقاومة صغيرة جدًا، ويحدث تسخين مستمر عالي التيار وعالي الطاقة، مما يتسبب في ارتفاع درجة الحرارة بسرعة؛
بمجرد أن تتجاوز درجة الحرارة درجة حرارة كوري، سينقطع المسار الموصل الداخلي بسرعة، وستزداد المقاومة بشكل كبير (حتى 10³ إلى 10⁶ ضعف المقاومة عند درجة حرارة الغرفة). وفقًا لقانون أوم (P=U²/R)، عند ثبات الجهد، ستنخفض قدرة التسخين بشكل حاد، وسيكون معدل التسخين أقل من معدل تبديد الحرارة. ستستقر درجة الحرارة بشكل طبيعي بالقرب من درجة حرارة كوري ولن تستمر في الارتفاع، مما يمنع الاحتراق الجاف وارتفاع درجة الحرارة من الأساس.
الاستعادة الذاتية: عندما تنخفض درجة الحرارة إلى ما دون درجة حرارة كوري بسبب تبديد الحرارة (مثل تدفق سائل التبريد / الهواء)، فإن المقاومة ستستعيد بسرعة حالة مقاومة منخفضة، وتستأنف التسخين عالي الطاقة، وتحقق التنظيم الذاتي الديناميكي لقوة درجة الحرارة.
2- الحل السائد للاستخدام في السيارات: آلية عمل سخان PTC المبرد بالسوائل (عالمي لتدفئة المقصورة/البطارية)
تستخدم أكثر من 90% من المركبات الكهربائية سخانات PTC عالية الضغط المبردة بالسوائل (ذات بنية مدمجة، وتبادل حراري منتظم، ومناسبة لدائرة تدفئة المقصورة ودائرة التحكم في درجة حرارة البطارية)، وهي مدمجة في دائرة تدوير سائل التبريد في مركبات الطاقة الجديدة. ولا يتم تسخين المقصورة والبطارية إلا عن طريق التبديل بين دوائر مختلفة ضمن نظام تسخين PTC نفسه. وتتشابه العملية الأساسية، وتنقسم إلى أربع خطوات:
بدء تشغيل مصدر الطاقة: ترسل وحدة التحكم في المركبة (VCU) إشارة بدء التشغيل إلى سخان PTC بناءً على أمر تكييف هواء المقصورة/إشارة مستشعر درجة حرارة البطارية (إذا كانت البطارية بحاجة إلى التسخين إلى أقل من 5 درجات مئوية)، وفي الوقت نفسه تقوم بتوصيل دائرة إمداد الطاقة لبطارية الجهد العالي للمركبة. يتم إدخال طاقة التيار المستمر عالية الجهد إلى عنصر التسخين PTC؛
تحويل الكهرباء إلى حرارة: تقوم الألواح الخزفية PTC بتوليد الحرارة بسرعة تحت تيار عالي الجهد، وتصل إلى درجة حرارة التشغيل في غضون ثوانٍ، ويتم نقل الحرارة إلى حجرة تبديد الحرارة / أنبوب التبادل الحراري لسخان PTC؛
تبادل حرارة سائل التبريد: تقوم مضخة المياه الإلكترونية لنظام إدارة الحرارة في السيارة بدفع سائل التبريد ليدور في أنابيب تبادل الحرارة الخاصة بسخان PTC. بعد امتصاص الحرارة من عنصر التسخين PTC، يصبح سائل التبريد سائل تبريد عالي الحرارة (عادةً 40-60 درجة مئوية، يتم تعديلها حسب الحاجة)؛
انتقال الحرارة
تدفئة المقصورة: يتدفق سائل التبريد ذو درجة الحرارة العالية إلى قلب الهواء الدافئ داخل السيارة، وتقوم مروحة مكيف الهواء بدفع الهواء البارد عبر قلب الهواء الدافئ. يمتص الهواء البارد حرارة سائل التبريد ويتحول إلى هواء ساخن، والذي يتم إرساله بعد ذلك إلى السيارة عبر مخرج الهواء لتحقيق تدفئة المقصورة؛
تسخين البطارية: يتدفق سائل التبريد ذو درجة الحرارة العالية مباشرة إلى لوحة التبريد المائي / دائرة التبادل الحراري لحزمة بطارية الطاقة، ويقوم بتسخين وحدة البطارية بشكل موحد من خلال التوصيل الحراري، مما يرفع درجة حرارة البطارية إلى نطاق مناسب للشحن والتفريغ (عادةً 10-35 درجة مئوية)، ويحل مشكلات تدهور التحمل في درجات الحرارة المنخفضة ومحدودية الشحن والتفريغ.
إضافة: بعد اكتمال عملية تبادل الحرارة في سائل التبريد، تنخفض درجة الحرارة ثم يعود السائل إلى سخان PTC عبر الأنابيب لامتصاص الحرارة مرة أخرى، مما يشكل دورة مغلقة وتسخينًا مستمرًا؛ عندما تصل المقصورة/البطارية إلى درجة الحرارة المستهدفة، يقوم VCU بفصل مصدر الطاقة عالي الجهد لسخان PTC ويتوقف عن التسخين.
3- حل صغير النطاق: آلية عمل سخان PTC الذي يتم تسخينه بواسطة الرياح (يستخدم فقط للتدفئة الجزئية للمقصورة)
ستستخدم أنظمة تدفئة مقصورة بعض المركبات الكهربائية الصغيرة والطرازات منخفضة التكلفة سخانات PTC المبردة بالهواء (بدون تبادل حراري لسائل التبريد، حيث يتم تسخين الهواء مباشرة)، ذات بنية أبسط وعملية أساسية تتمثل في:
يقوم عنصر التسخين الخزفي PTC ذو الجهد العالي بتوليد الطاقة الحرارية بشكل مباشر؛
تقوم مروحة مكيف الهواء بنفخ الهواء البارد فوق سطح عنصر التسخين PTC، ويتبادل الهواء البارد الحرارة مباشرة مع لوحة السيراميك PTC ذات درجة الحرارة العالية، ليصبح هواءً ساخناً؛
يتم إرسال الهواء الساخن مباشرة إلى المقصورة عبر مخرج الهواء لتحقيق التسخين السريع.
العيوب: نقل حرارة غير متساوٍ، عرضة لتراكم الهواء الساخن الموضعي، وعنصر التسخين PTC يلامس الهواء مباشرة، مما يتطلب مقاومة أعلى للغبار والماء. لذلك، يُستخدم فقط في طرازات السيارات الصغيرة منخفضة التكلفة، بينما يُستخدم التبريد السائل في سيارات الطاقة الجديدة متوسطة إلى عالية الأداء.