مراجعة للأبحاث المتعلقة بالإدارة الحرارية لمركبات الطاقة الجديدة

ويستخدم تشغيل المركبات الكهربائية النقية الكهرباء كطاقة، ويتم قيادة السيارة بنظام الدفع الكهربائي. يختلف نظام الإدارة الحرارية لمركبات الطاقة الجديدة كثيرًا عن نظام مركبات الوقود التقليدية. في مركبات الطاقة الجديدة، تولد البطاريات والمحركات الحرارة أثناء العمل، بينما في مركبات الوقود التقليدية، يولد المحرك الحرارة. يتطلب نظام الإدارة الحرارية لمركبات الطاقة الجديدة تحكمًا دقيقًا في درجة الحرارة، وبشكل أساسي درجة حرارة المقصورة ودرجة حرارة البطارية ودرجة حرارة مجموعة نقل الحركة. ولذلك، فإن نظام الإدارة الحرارية لمركبات الطاقة الجديدة سيكون أكثر تعقيدا. بالنسبة لمركبات الطاقة الجديدة، يعد حل التناقض بين نطاق الإبحار وراحة الركوب لمركبات الطاقة الجديدة مشكلة ملحة تحتاج مركبات الطاقة الجديدة إلى حلها.

1. نظرة عامة على الإدارة الحرارية للمقصورة (تكييف هواء السيارات)

نظام تكييف الهواء هو مفتاح الإدارة الحرارية للسيارة. يرغب كل من السائق والركاب في متابعة راحة السيارة. تتمثل الوظيفة المهمة لمكيف هواء السيارة في جعل مقصورة الركاب تحقق بيئة مريحة للقيادة والركوب من خلال ضبط درجة الحرارة والرطوبة وسرعة الرياح في مقصورة الركاب في السيارة. يتمثل مبدأ مكيف هواء السيارة السائد في تبريد أو تسخين درجة الحرارة داخل السيارة من خلال المبدأ الفيزيائي الحراري المتمثل في امتصاص الحرارة التبخرية وإطلاق حرارة التكثيف. عندما تكون درجة الحرارة الخارجية منخفضة، يمكن توصيل الهواء الساخن إلى المقصورة حتى لا يشعر السائق والركاب بالبرد. القدرة على توصيل هواء منخفض الحرارة إلى المقصورة عندما تكون درجة الحرارة الخارجية مرتفعة، مما يجعل السائق والركاب يشعرون بالبرودة. ولذلك فإن مكيف السيارة يلعب دوراً هاماً جداً في تكييف الهواء في السيارة وراحة الركاب.

مكيفات الهواء التقليدية لمركبات الوقود تتكون بشكل رئيسي من أربعة مكونات: المبخر، المكثف، الضاغط، وصمام التمدد.

الضاغط هو جهاز طاقة يمكنه ضغط مادة التبريد الغازية ذات درجة الحرارة المنخفضة والضغط المنخفض إلى مادة تبريد غازية ذات درجة حرارة عالية وضغط مرتفع. يتم تركيب الضواغط بشكل عام على المحرك في مركبات الوقود، ويتم تشغيل الضاغط بواسطة المحرك ليعمل.

المبخر عبارة عن جهاز تبادل حراري مثبت في قمرة القيادة. مبدأ عمل المبخر هو استخدام التبخر لامتصاص الحرارة للتبريد. عندما يمر سائل التبريد ذو درجة الحرارة المنخفضة والضغط المنخفض عبر المبخر، يتبخر سائل التبريد ويمتص الحرارة الموجودة في الحجرة، وبالتالي يبرد الحجرة بسرعة.

المكثف هو أيضًا جهاز للتبادل الحراري ويتم تركيبه خارج الحجرة. مبدأ عمل المكثف هو التسخين عن طريق التكثيف وامتصاص الحرارة. عندما يمر المبرد الغازي ذو درجة الحرارة العالية والضغط العالي عبر المكثف، يتم إطلاق الحرارة إلى الهواء الخارجي من خلال التبريد القسري بواسطة المروحة، بحيث يتحول المبرد الغازي ذو درجة الحرارة العالية والضغط العالي إلى مبرد سائل ذو درجة حرارة متوسطة وعالية الضغط.

صمام التمدد هو جهاز يقوم بتوسيع سائل درجة الحرارة المتوسطة والضغط العالي إلى سائل ذو درجة حرارة منخفضة وضغط منخفض. يتم تثبيت صمام التمدد بشكل عام عند مدخل المبخر، ويقوم بتوسيع سائل التبريد ذو درجة الحرارة المتوسطة والضغط العالي إلى سائل تبريد منخفض الحرارة والضغط المنخفض، بحيث يدخل المبرد إلى المبخر لامتصاص الحرارة في حجرة السيارة.

يتكون تكييف هواء السيارات من نظام التبريد ونظام التدفئة ونظام التهوية. تشكل هذه الأنظمة الثلاثة تجميع مكيف هواء السيارة. مبدأ التبريد التقليدي لمركبات الوقود هو الخطوات الأربع للضغط، التكثيف، التمدد، والتبخر، كما هو موضح في الشكل 1. من خلال تكرار هذه الخطوات الأربع، يمكن ضمان تشغيل نظام التبريد. ثم يستمر المبخر في تبريد المقصورة.

مبدأ تسخين المركبات بالوقود التقليدي هو استخدام الحرارة المهدرة لمحرك السيارة لتدفئة مقصورة السيارة. أولاً، يدخل ماء التبريد ذو درجة الحرارة المرتفعة الخارج من غلاف ماء تبريد المحرك إلى قلب الهواء الدافئ. يتم نفخ الهواء البارد عبر قلب المدفأة بواسطة مروحة. يمكن بعد ذلك نفخ الهواء الساخن إلى داخل المقصورة لتدفئة المقصورة أو إزالة الجليد من النوافذ. يعود ماء التبريد إلى المحرك بعد خروجه من المدفأة، مكملاً الدورة.

تختلف أجهزة القيادة لمركبات الطاقة الجديدة ومركبات الوقود التقليدية. يتم تشغيل ضاغط تكييف الهواء في مركبة الوقود بواسطة المحرك، في حين يتم تشغيل ضاغط تكييف الهواء في مركبة الطاقة الجديدة بواسطة محرك. ولذلك، لا يمكن تشغيل ضاغط تكييف الهواء الموجود في مركبة الطاقة الجديدة بواسطة المحرك، ولكن يتم استخدام ضاغط كهربائي لضغط مادة التبريد. المبدأ الأساسي لمركبات الطاقة الجديدة هو نفس مبدأ مركبات الوقود التقليدية، حيث يستخدم التكثيف لإطلاق الحرارة والتبخر لامتصاص الحرارة لتبريد مقصورة الركاب. إنه مجرد تغيير الضاغط إلى ضاغط كهربائي. في الوقت الحاضر، يتم استخدام الضاغط اللولبي بشكل أساسي لضغط مادة التبريد.

يختلف وضع التدفئة في مركبات الطاقة الجديدة تمامًا عن أسلوب تسخين مركبات الوقود التقليدية. وضع التسخين لمركبات الوقود التقليدية هو نقل الحرارة المهدرة للمحرك إلى الحجرة من خلال المبرد لتسخين الحجرة. لا تحتوي مركبات الطاقة الجديدة على محرك، لذلك لا توجد عملية يقوم بها المحرك بتسخين المقصورة. ويستخدم أوضاع التدفئة الأخرى لتدفئة المقصورة. فيما يلي العديد من طرق تسخين تكييف هواء مركبات الطاقة الجديدة.

1) نظام تسخين أشباه الموصلات

يتكون سخان أشباه الموصلات من عناصر وأطراف شبه موصلة لأداء وظائف التبريد والتدفئة. المزدوجة الحرارية في هذا النظام هي المكون الأساسي للتبريد والتدفئة، وهيكلها موضح في الشكل 2. قم بتوصيل جهازين من أشباه الموصلات لتكوين مزدوجة حرارية. بعد توصيل التيار المباشر، سيتم توليد فرق الحرارة ودرجة الحرارة في الواجهة لتدفئة الجزء الداخلي من الكابينة. الميزة الرئيسية لتسخين أشباه الموصلات هي أنه يمكنه تسخين المقصورة بسرعة. عيبه الرئيسي هو أن تسخين أشباه الموصلات يستهلك الكثير من الكهرباء. بالنسبة لمركبات الطاقة الجديدة التي تحتاج إلى قطع مسافة طويلة، فإن عيوبها قاتلة. ولذلك، فإنها لا تستطيع تلبية متطلبات مركبات الطاقة الجديدة لتوفير الطاقة لمكيفات الهواء. ومن الضروري أيضًا أن يقوم الناس بإجراء أبحاث حول طرق تسخين أشباه الموصلات وتصميم طريقة تسخين أشباه الموصلات تتسم بالكفاءة والموفرة للطاقة.

2) تسخين الهواء بمعامل درجة الحرارة الإيجابي (PTC).

المكون الرئيسي لـ PTC هو الثرمستور. التسخين بواسطة سلك التسخين الكهربائي هو جهاز يحول الطاقة الكهربائية مباشرة إلى طاقة حرارية. نظام تسخين الهواء PTC هو تحويل قلب الهواء الدافئ لمركبة الوقود التقليدية إلى سخان هواء PTC. يتم استخدام المروحة لدفع الهواء الخارجي عبر سخان PTC للتدفئة. يتم إرسال الهواء الساخن إلى داخل المقصورة لتدفئة المقصورة. نظرًا لاستهلاكها المباشر للطاقة، فإن استهلاك الطاقة لمركبات الطاقة الجديدة يكون أيضًا كبيرًا نسبيًا عند تشغيل المدفأة.

3) تسخين السباكة PTC

تعمل سباكة PTC، مثل تسخين الهواء بمعامل PTC، على توليد الحرارة باستخدام استهلاك الكهرباء. لكن نظام السباكة يعمل عن طريق تسخين سائل التبريد أولاً باستخدام PTC. بعد تسخين سائل التبريد إلى درجة حرارة معينة، يتم ضخ سائل التبريد إلى قلب المدفأة لتبادل الحرارة مع الهواء المحيط. تقوم المروحة بإرسال الهواء الساخن إلى المقصورة لتدفئة المقصورة. ثم يتم تسخين مياه التبريد بواسطة PTC ويتم تبادلها. يعتبر نظام التسخين هذا أكثر موثوقية وأمانًا من نظام تبريد الهواء PTC.

4) نظام تكييف الهواء بمضخة الحرارة

مبدأ نظام تكييف الهواء بالمضخة الحرارية هو نفس مبدأ نظام تكييف الهواء التقليدي للسيارات. يمكن لمكيف الهواء بمضخة الحرارة تحقيق تحويل تسخين وتبريد المقصورة، ومبدأه موضح في الشكل 3 والشكل 4. يتم استخدام صمام عكسي رباعي الاتجاهات لتغيير اتجاه تدفق مادة التبريد في النظام، وذلك لتحقيق عملية التبريد والتبادل الحراري. نظرًا لأن مكيف الهواء بمضخة الحرارة لا يستهلك الطاقة الكهربائية مباشرة لتوليد الحرارة، فإن درجة توفير الطاقة لمكيف الهواء بمضخة الحرارة أعلى من درجة سخان PTC. في الوقت الحاضر، تم إنتاج مكيفات الهواء ذات المضخات الحرارية بكميات كبيرة في بعض المركبات.

2. نظرة عامة على الإدارة الحرارية لمجموعة نقل الحركة

تنقسم الإدارة الحرارية لنظام طاقة السيارات إلى الإدارة الحرارية لنظام طاقة مركبات الوقود التقليدي والإدارة الحرارية لنظام طاقة مركبات الطاقة الجديدة. الآن أصبحت الإدارة الحرارية لنظام الطاقة لمركبات الوقود التقليدية ناضجة للغاية. يتم تشغيل مركبات الوقود التقليدية بواسطة المحركات، لذا فإن الإدارة الحرارية للمحرك هي محور الإدارة الحرارية للمركبات التقليدية. تتضمن الإدارة الحرارية للمحرك بشكل أساسي نظام تبريد المحرك. يجب أن يتم تبديد أكثر من 30% من الحرارة في نظام السيارة بواسطة دائرة تبريد المحرك لمنع ارتفاع درجة حرارة المحرك تحت الأحمال العالية. يتم استخدام سائل تبريد المحرك لتدفئة المقصورة.

تتكون محطة توليد الطاقة لمركبة الوقود التقليدي من المحرك وناقل الحركة الخاص بمركبة الوقود التقليدي، بينما تتكون مركبة الطاقة الجديدة من بطارية ومحرك وتحكم إلكتروني. لقد تغيرت طرق الإدارة الحرارية للاثنين كثيرًا. نطاق درجة حرارة التشغيل العادي لبطارية الطاقة لمركبات الطاقة الجديدة هو 25-40 درجة مئوية. ولذلك، فإن الإدارة الحرارية للبطارية تتطلب إبقائها دافئة وتبديدها. وفي الوقت نفسه، لا ينبغي أن تكون درجة حرارة المحرك مرتفعة للغاية. إذا كانت درجة حرارة المحرك مرتفعة جدًا، فسيؤثر ذلك على عمر خدمة المحرك. لذلك، يحتاج المحرك أيضًا إلى تنفيذ إجراءات تبديد الحرارة اللازمة أثناء الاستخدام. فيما يلي مقدمة لنظام الإدارة الحرارية للبطارية ونظام الإدارة الحرارية للتحكم الإلكتروني في المحرك والمكونات الأخرى.

ينقسم نظام الإدارة الحرارية لبطارية الطاقة بشكل أساسي إلى تبريد الهواء، والتبريد السائل ، وتبريد المواد المتغيرة الطور، وتبريد الأنابيب الحرارية بناءً على وسائط التبريد المختلفة. تختلف المبادئ وهياكل النظام لطرق التبريد المختلفة تمامًا.

1) تبريد الهواء بالبطارية

من خلال تدفق الهواء، تقوم حزمة البطارية بإجراء تبادل حراري بالحمل الحراري مع الهواء الخارجي. ينقسم تبريد الهواء عمومًا إلى تبريد طبيعي وتبريد قسري. التبريد الطبيعي هو عندما يقوم الهواء الخارجي بتبريد مجموعة البطارية أثناء تشغيل السيارة. تبريد الهواء القسري هو تركيب مروحة للتبريد القسري على حزمة البطارية. مزايا تبريد الهواء هي التكلفة المنخفضة والتطبيق التجاري السهل. تتمثل العيوب في انخفاض كفاءة تبديد الحرارة، ونسبة احتلال مساحة كبيرة، ومشاكل خطيرة في الضوضاء.

2) تبريد سائل بطارية الطاقة

تتم إزالة الحرارة من حزمة البطارية عن طريق تدفق السائل. نظرًا لأن السعة الحرارية المحددة للسائل أكبر من قدرة الهواء، فإن تأثير التبريد للتبريد السائل أفضل من تبريد الهواء، كما أن سرعة التبريد أسرع أيضًا من تبريد الهواء. كما أن توزيع درجة الحرارة بعد تبريد مجموعة البطارية يكون موحدًا نسبيًا أيضًا. ولذلك، يتم استخدام التبريد السائل أيضًا على نطاق واسع تجاريًا. لكن التبريد السائل له أيضًا عيوب. العيب هو أن هناك خطر التسرب، والتعقيد كبير نسبيا، وتكلفة الصيانة مرتفعة.

3) تغيير سرعة تبريد المواد

تشتمل المواد المتغيرة الطور (PCM) على البارافين والأملاح المائية والأحماض الدهنية وما إلى ذلك. عندما يحدث تغيير الطور، يمكنها امتصاص أو إطلاق كمية كبيرة من الحرارة الكامنة بينما تظل درجة حرارتها دون تغيير. يتمتع PCM بقدرة كبيرة على تخزين الطاقة الحرارية دون استهلاك إضافي للطاقة، ويستخدم على نطاق واسع في تبريد بطاريات المنتجات الإلكترونية مثل الهواتف المحمولة. ومع ذلك، فإن تطبيق بطاريات الطاقة للسيارات لا يزال في مرحلة البحث. تعاني المواد متغيرة الطور من انخفاض التوصيل الحراري، مما يتسبب في ذوبان PCM على الجانب الذي يتصل بالبطارية. ومع ذلك، لا يتم ذوبان الأجزاء الأخرى، مما يقلل من أداء نقل الحرارة للنظام وغير مناسب لبطاريات الطاقة كبيرة الحجم. إذا أمكن حل هذه المشكلات، فسيصبح تبريد PCM هو الحل التطويري الأكثر احتمالاً للإدارة الحرارية لمركبات الطاقة الجديدة.

4) ح أكل أنابيب التبريد

أنبوب الحرارة هو جهاز يعتمد على نقل الحرارة بتغير الطور. أنبوب الحرارة عبارة عن حاوية محكمة الغلق أو أنبوب مغلق مملوء بوسط/سائل عمل (ماء، جلايكول الإيثيلين أو الأسيتون، إلخ) في حالة مشبعة. أحد أقسام أنبوب الحرارة هو طرف التبخر، والطرف الآخر هو طرف التكثيف. لا يمكنها امتصاص حرارة حزمة البطارية فحسب، بل يمكنها أيضًا تسخين حزمة البطارية. إنه حاليًا نظام الإدارة الحرارية لبطارية الطاقة الأكثر مثالية.

5) التبريد المباشر لغاز التبريد

التبريد المباشر هو وسيلة لتثبيت مبخر نظام تكييف الهواء في صندوق البطارية لتبريد صندوق البطارية بسرعة باستخدام مبدأ التبخر وامتصاص الحرارة لوسائل التبريد مثل المبرد R134a. يتمتع نظام التبريد المباشر بكفاءة تبريد عالية وقدرة تبريد كبيرة.

ما ورد أعلاه هو طرق الإدارة الحرارية السائدة لبطاريات الطاقة الخمس، ويوضح الجدول 1 مزاياها وعيوبها.