الإدارة الحرارية للبطارية
لماذا تعد الألواح الباردة السائلة ضرورية لتبريد بطارية السيارة الكهربائية
لقد غيرت بطاريات الليثيوم-أيون الطريقة التي نخزن بها الطاقة ونستخدمها. بدءًا من السيارات الكهربائية وأنظمة تخزين الطاقة وحتى المعدات الصناعية -وتطبيقات الشحن السريع، من المتوقع الآن أن توفر البطاريات طاقة أعلى ووقت تشغيل أطول وسرعات شحن أسرع.
ومع ذلك، فإن كثافة الطاقة الأعلى تجلب تحديًا هندسيًا كبيرًا: الحرارة.
تولد كل حزمة بطارية حرارة أثناء التشغيل. الشحن يولد الحرارة. التفريغ يولد الحرارة. يمكن لتطبيقات الطاقة- العالية، خاصة الشحن السريع وتفريغ التيار العالي، أن تزيد من توليد الحرارة بشكل أكبر.
لا يتمثل التحدي في مجرد إزالة الحرارة من حزمة البطارية. التحدي الحقيقي هو الحفاظ على كل خلية بطارية ضمن نطاق درجة حرارة ثابت مع تقليل الاختلافات في درجات الحرارة بين الخلايا.
هذا هو المكانالإدارة الحرارية للبطاريةيصبح ضروريا.
يساعد نظام الإدارة الحرارية الفعال على تحسين أداء البطارية وإطالة عمر الخدمة والحفاظ على كفاءة الشحن وتقليل مخاطر السلامة. للحديثبطاريات المركبات الكهربائيةوأنظمة تخزين الطاقة،تبريد سائل بألواح تبريد سائلة من الألومنيومأصبح أحد الحلول الأكثر موثوقية.
لماذا تعتبر الإدارة الحرارية للبطارية مهمة؟
تعتبر بطاريات الليثيوم-أيون حساسة للغاية لدرجة الحرارة.
تعمل معظم خلايا أيونات الليثيوم- بكفاءة أكبر ضمن نطاق درجة حرارة ضيق نسبيًا، عادةً ما يتراوح بين 15 درجة إلى 35 درجة . عندما تتحرك درجة حرارة البطارية خارج هذا النطاق، يبدأ الأداء الكهروكيميائي في الانخفاض.
تم تصميم نظام الإدارة الحرارية للبطارية (BTMS) للتحكم في توليد الحرارة وإزالة الحرارة وتوزيع درجة الحرارة في جميع أنحاء حزمة البطارية.
يحتاج نظام الإدارة الحرارية -المصمم جيدًا إلى تحقيق ثلاثة أهداف رئيسية:
***الحفاظ على الخلايا ضمن نطاق درجة حرارة التشغيل الأمثل
***تقليل الاختلافات في درجات الحرارة بين الخلايا الفردية
***منع ارتفاع درجة الحرارة أثناء التشغيل-بطاقة عالية
وهذا مهم بشكل خاص عندما تصبح أنظمة البطاريات أكثر قوة.
على سبيل المثال، قد تحتوي مجموعة بطارية السيارة الكهربائية على مئات أو حتى آلاف الخلايا الفردية. إذا كانت بعض الخلايا تعمل بشكل أكثر سخونة من غيرها، فقد تعاني مجموعة البطارية بأكملها من تقادم غير متساوٍ.
عادةً ما تحدد الخلايا الأكثر سخونة الحد الإجمالي للحزمة.
وبعبارة أخرى، تكون قوة حزمة البطارية تعادل قوة أضعف نقطة حرارية فيها.
ماذا يحدث عندما تصبح البطاريات ساخنة جدًا؟
تعد الحرارة أحد أكبر العوامل التي تؤثر على أداء بطارية أيون الليثيوم-وعمرها.
عندما ترتفع درجة حرارة البطارية بشكل مفرط، يمكن أن تحدث العديد من المشاكل.
1. تدهور أسرع للبطارية
تعمل درجات الحرارة المرتفعة على تسريع التفاعلات الكيميائية غير المرغوب فيها داخل خلايا أيونات الليثيوم-.
مع مرور الوقت، يمكن أن يؤدي ذلك إلى:
>>>انخفاض سعة البطارية
>>>زيادة المقاومة الداخلية
>>>دورة حياة أقصر
>>>انخفاض كفاءة الشحن
قد تفقد البطارية التي تعمل بشكل مستمر في درجات حرارة مرتفعة أداءها بشكل أسرع بكثير مقارنة بالبطارية التي يتم صيانتها في ظل ظروف حرارية يمكن التحكم فيها.
2. زيادة مخاطر السلامة
يمكن أن يؤدي ارتفاع درجة الحرارة الشديد إلى خلق ظروف خطيرة داخل خلايا أيون الليثيوم-.
عندما ترتفع درجات الحرارة الداخلية إلى ما هو أبعد من الحدود الآمنة، قد تصبح مواد البطارية غير مستقرة. في المواقف الشديدة، يمكن أن يؤدي ذلك إلى الهروب الحراري، حيث يصبح توليد الحرارة -مستدامًا ذاتيًا وينتشر من خلية إلى أخرى.
ولهذا السبب يعد منع تراكم الحرارة المفرط مطلبًا أساسيًا في تصميم السيارات الكهربائية وبطاريات تخزين الطاقة.
3. انخفاض أداء الشحن
الشحن السريع يضع ضغطًا حراريًا كبيرًا على البطاريات.
أثناء الشحن بتيار عالٍ-، تتحرك أيونات الليثيوم بسرعة بين الأقطاب الكهربائية. إذا لم تتمكن من إزالة الحرارة بشكل فعال، فقد يلزم تقليل سرعة الشحن لحماية صحة البطارية.
وهذا يخلق صراعًا مباشرًا:
يريد العملاء شحنًا أسرع.
يحتاج مهندسو البطاريات إلى تحكم أفضل في الحرارة.
تساعد الإدارة الحرارية الفعالة على حل هذا التحدي عن طريق إزالة الحرارة بسرعة مع الحفاظ على درجات حرارة مستقرة للخلايا.
لماذا يعد توحيد درجة الحرارة بنفس القدر من الأهمية
يعتقد الكثير من الناس أن تبريد البطارية يتعلق فقط بخفض درجة الحرارة.
ومع ذلك، فإن توحيد درجة الحرارة لا يقل أهمية.
قد تحتوي حزمة البطارية على مئات الخلايا المتصلة ببعضها البعض. إذا كانت إحدى مناطق العبوة تعمل بشكل أكثر سخونة من منطقة أخرى، فإن تلك الخلايا سوف تتقدم في العمر بشكل مختلف.
على سبيل المثال:
الخلايا الأكثر سخونة تتحلل بشكل أسرع
تحافظ الخلايا المبردة على أداء أفضل
يجب أن يحد نظام إدارة البطارية الشامل من التشغيل بناءً على أضعف الخلايا
ولذلك، فإن الهدف من الإدارة الحرارية للبطارية ليس ببساطة:
"اجعل البطارية أكثر برودة."
الهدف الحقيقي هو :
"حافظ على عمل كل خلية في درجة حرارة مماثلة ومثالية."
وهذا هو أحد الأسبابأنظمة التبريد السائلةأصبحت شائعة بشكل متزايد في حزم البطاريات الحديثة.
تبريد الهواء مقابل التبريد السائل لحزم البطاريات
غالبًا ما كانت السيارات الكهربائية المبكرة وأنظمة البطاريات منخفضة الطاقة- تستخدم تبريد الهواء لأنه كان بسيطًا وخفيف الوزن وغير مكلف.
ومع ذلك، مع زيادة كثافة طاقة البطارية وسرعة الشحن، بدأ تبريد الهواء التقليدي يظهر قيودًا.
حدود تبريد الهواء
يتمتع الهواء بموصلية حرارية منخفضة نسبيًا مقارنة بالمبرد السائل.
حتى مع وجود المراوح وقنوات تدفق الهواء، يصبح من الصعب إزالة كميات كبيرة من الحرارة من وحدات البطارية المكتظة بكثافة.
تشمل التحديات الشائعة ما يلي:
التبريد غير المتكافئ بين الخلايا
قدرة تبريد محدودة
متطلبات مساحة أكبر
ارتفاع الضوضاء من المشجعين
صعوبة دعم الشحن السريع
بالنسبة لتطبيقات الطاقة- المنخفضة، قد يظل تبريد الهواء مناسبًا.
ولكن لبطاريات سيارات كهربائية-عالية الأداءوأنظمة تخزين الطاقة، مطلوب قدرة تبريد أقوى.
لماذا أصبح التبريد السائل هو الحل المفضل؟
التبريد السائليستخدم سائل تبريد، عادةً ما يكون خليطًا من الماء-جليكول، لنقل الحرارة بعيدًا عن خلايا البطارية.
بالمقارنة مع الهواء، يحتوي سائل التبريد على:
***سعة حرارية أعلى
*** التوصيل الحراري أفضل
***قدرة نقل الحرارة أكثر كفاءة
A لوحة التبريد السائلة لحزم البطارياتيوفر التثبيت المثبت أسفل وحدات البطارية أو بجانبها مسارًا مباشرًا لنقل الحرارة.
خلية البطارية
↓
مادة الواجهة الحرارية (TIM)
↓
↓
قناة المبرد
↓
نظام التبريد الخارجي
يسمح هذا التصميم بإزالة الحرارة بشكل أكثر كفاءة مع الحفاظ على تجانس أفضل لدرجة الحرارة عبر حزمة البطارية.
بالنسبة إلى بطاريات السيارات الكهربائية الحديثة وأنظمة تخزين الطاقة وتطبيقات الطاقة العالية-التبريد السائلأصبح نهج الإدارة الحرارية المفضل.
