مراجعة تقنية تبريد بطارية السيارة التي تعمل بالطاقة الجديدة

ومن أجل مواصلة حل أزمة الطاقة، تدعو الصين بقوة إلى تطوير الطاقة الجديدة، ومن بينها مركبات الطاقة الجديدة التي تعمل بالكهرباء، وهي المجالات الرئيسية للصين لدخول تطبيقات الطاقة الجديدة على نطاق واسع.تشير مركبات الطاقة الجديدة إلى استخدام الطاقة غير الأحفورية (مثل الكهرباء والطاقة الشمسية وغيرها) كمصدر للطاقة للمركبات، والتي تتمتع بمزايا حماية البيئة منخفضة الكربون والكفاءة العالية وتوفير الطاقة، وأصبحت اتجاه تطوير مهم لصناعة السيارات في المستقبل.باعتبارها أحد المكونات الأساسية لمركبات الطاقة الجديدة، يؤثر أداء بطارية الطاقة بشكل مباشر على أداء السيارة وسلامتها.ومع ذلك، نظرًا لأن بطارية الطاقة ستنتج الكثير من الحرارة أثناء العمل، فقد كانت مشكلة تبديد الحرارة أحد العوامل المهمة التي تحد من تطورها.في هذه الورقة، تتم مراجعة تقنيات تبديد الحرارة الخمس السائدة الحالية - تبديد الحرارة بالحمل الحراري، وتبريد الهواء، والتبريد السائل، وتبريد الأنابيب الحرارية وتبديد حرارة المواد المتغيرة الطور، ويتم تحليل ومقارنة مبادئها ومزاياها وعيوبها وتطبيقاتها، مما يوفر بعض المعلومات القيمة المرجعية لتطوير تكنولوجيا تبديد الحرارة لبطارية طاقة السيارة الجديدة.

كجهاز لتخزين الطاقة، تتكون بطارية الليثيوم أيون من قطب موجب، وقطب سالب، وإلكتروليت، وحجاب حاجز، وغطاء.تشتمل آلية إنتاج الحرارة لبطارية الطاقة بشكل أساسي على حرارة التفاعل الكيميائي وحرارة الجول وحرارة الاستقطاب وحرارة التفاعل الجانبي وما إلى ذلك.حرارة التفاعل الكيميائي هي أن التفاعل الكيميائي داخل البطارية سينتج كمية معينة من الحرارة، وهو المصدر الرئيسي لحرارة طاقة البطارية.عندما يتم شحن البطارية، فإن التفاعل الكيميائي بين الأقطاب الكهربائية الإيجابية والسلبية سوف ينتج الكثير من حرارة التفاعل الكيميائي؛حرارة الجول هي الحرارة الناتجة عن مرور التيار عبر البطارية أثناء عمل البطارية.يرتبط توليد هذه الحرارة بحالة عمل البطارية، على سبيل المثال، عندما يكون حمل البطارية كبيرًا، يمر التيار عبر البطارية لفترة أطول، وتكون حرارة الجول المتولدة أكثر؛حرارة الاستقطاب هي استقطاب المواد الكيميائية داخل البطارية تحت تأثير مجال كهربائي.ويرتبط حجم هذه الحرارة بجهد التشغيل وتيار البطارية ودرجة حرارة بيئة العمل.بالإضافة إلى الطرق الثلاث المذكورة أعلاه لإنتاج الحرارة، قد تحدث بعض التفاعلات الجانبية أيضًا أثناء استخدام البطارية، وستؤدي هذه التفاعلات الجانبية أيضًا إلى إطلاق الحرارة.بشكل عام، تعد آلية إنتاج الحرارة لبطاريات الطاقة معقدة، وتحتاج إلى دراسة شاملة وفقًا لبيئة وظروف الاستخدام المحددة.

1.1 تكنولوجيا تبديد الحرارة بالحمل الحراري

بطارية الطاقة تكنولوجيا تبديد الحرارة بالحمل الحراري هي تقنية تستخدم الحمل الحراري الطبيعي للهواء لتبديد الحرارة المتولدة داخل البطارية من خلال المبرد.يتم تبديد حرارة الحمل الحراري عن طريق نقل الحرارة بين حزمة البطارية والمادة الحرارية السفلية، بينما يتم تبديد جانب حزمة البطارية عن طريق الهواء.تتميز هذه التقنية بمزايا كفاءة نقل الحرارة العالية والثبات الجيد، والتي يمكن أن تقلل بشكل فعال درجة حرارة تشغيل البطارية وتحسن عمر الخدمة وسلامة البطارية.بالإضافة إلى ذلك، فإن تقنية تبديد الحرارة بالحمل الحراري لها أيضًا تأثير العزل وامتصاص الصدمات، مما يمكن أن يتجنب حدوث مشاكل مثل قصر الدائرة الكهربائية والتآكل بين البطاريات.

عندما تعمل البطارية، سيتم توليد الكثير من الحرارة، وإذا لم يتم تبديد هذه الحرارة في الوقت المناسب، فسوف تؤثر سلبًا على أداء وعمر البطارية.ولذلك، يجب تبديد هذه الحرارة من خلال المبرد.مبدأ تقنية تبديد الحرارة بالحمل الحراري هو زيادة كفاءة نقل الحرارة بين حزمة البطارية والجزء السفلي من البطارية.وفي الوقت نفسه، جانب حزمة البطارية من خلال تدفق الهواء لتحقيق تأثير تبديد الحرارة.يعد اختيار صفائح السيليكون الموصلة للحرارة أمرًا مهمًا أيضًا لتأثير تبديد الحرارة بالحمل الحراري.في الوقت الحاضر، مواد صفائح السيليكون الموصلة للحرارة شائعة الاستخدام هي مطاط السيليكون، إلاستومر البولي يوريثين وما إلى ذلك.تتمتع المواد الموصلة للحرارة بموصلية حرارية جيدة ومقاومة لدرجات الحرارة العالية.بالإضافة إلى ذلك، يجب أيضًا تعديل شكل وحجم صفيحة السيليكون الموصلة للحرارة وتحسينها وفقًا للوضع الفعلي.

مزايا تكنولوجيا تبديد الحرارة بالحمل الحراري هي كفاءة نقل الحرارة العالية والاستقرار الجيد.وفي الوقت نفسه، تتمتع أيضًا بميزة العزل وامتصاص الصدمات.ومع ذلك، فإن عيب هذه التكنولوجيا هو أنها تحتاج إلى زيادة بعض مرافق الأجهزة لتحقيق وظيفة تبديد الحرارة بالحمل الحراري.من أجل تحقيق تأثير تبريد أفضل في الاستخدام الفعلي، غالبًا ما يكون من الضروري زيادة الأجزاء الخاصة مثل الزعانف لتوسيع مساحة اتصال تبديد الحرارة [3].وفي الوقت نفسه، من الضروري أيضًا تحسين التصميم وضبط الخطة للنماذج المختلفة واحتياجات بيئة الاستخدام.تُستخدم تقنية تبديد الحرارة بالحمل الحراري لبطارية الطاقة بشكل أساسي في بعض السيارات الكهربائية المنخفضة الجودة، ولكن مع تطور التكنولوجيا، بدأ أيضًا تطبيق تقنية تبديد الحرارة بالحمل الحراري في بعض السيارات الكهربائية المتوسطة.

1.2 تقنية تبديد حرارة تبريد الهواء

تبديد الحرارة عن طريق تبريد الهواء هي طريقة لتعزيز تدفق الهواء داخل البطارية تحت تأثير المروحة والتخلص من الحرارة التي تبددها البطارية.تتميز هذه التقنية بمزايا البنية البسيطة والتكلفة المنخفضة، وهي مناسبة لبعض مجموعات البطاريات الصغيرة أو مجموعات البطاريات المحمولة.ومع ذلك، فإن كفاءة نقل الحرارة لتكنولوجيا تبديد الحرارة المبردة بالهواء منخفضة، وتتأثر بسهولة بالبيئة الخارجية، مثل درجة الحرارة والرطوبة وعوامل أخرى ستؤثر على تأثير تبديد الحرارة.

المبرد المبرد بالهواء هو المكون الأساسي لتقنية تبديد الحرارة المبردة بالهواء لبطارية الطاقة، والتي تتكون بشكل أساسي من المروحة والمشتت الحراري والدرع الحراري وما إلى ذلك.دور المروحة هو نفخ الهواء نحو الرادياتير، مما يؤدي إلى تدفق الهواء الذي يزيل الحرارة.يعد المشتت الحراري وسيلة مهمة لنقل الحرارة إلى الهواء، وسيؤثر شكله وحجمه ومادته على تأثير تبديد الحرارة.يتم استخدام المشتت الحراري لحماية البطارية والرادياتير من البيئة الخارجية، مثل الغبار والمطر وما إلى ذلك.مبدأ تكنولوجيا تبديد الحرارة عن طريق تبريد الهواء هو زيادة تدفق الهواء، وبالتالي التخلص من حرارة بطارية الطاقة.يعد اختيار المروحة أيضًا مهمًا جدًا لتأثير تبديد حرارة تبريد الهواء.في الوقت الحاضر، هناك نوعان من المراوح شائعة الاستخدام: المراوح المحورية ومراوح الطرد المركزي.مراوح التدفق المحوري مناسبة للتشغيل منخفض السرعة.مراوح الطرد المركزي مناسبة لسيناريوهات التشغيل عالية السرعة.بالإضافة إلى ذلك، يجب أيضًا أن يأخذ تصميم فتحة التهوية في الاعتبار التخطيط المكاني والخصائص الهيكلية لحزمة البطارية.

تتمثل ميزة تقنية تبديد الحرارة المبردة بالهواء في أنها تتمتع بمزايا الهيكل البسيط والتكلفة المنخفضة، وهي مناسبة لمتطلبات تبديد الحرارة لبعض حزم البطاريات الصغيرة أو حزم البطاريات المتنقلة.ومع ذلك، فإن كفاءة نقل الحرارة لتكنولوجيا تبديد الحرارة المبردة بالهواء منخفضة، وتتأثر بسهولة بالبيئة الخارجية، مثل درجة الحرارة والرطوبة وعوامل أخرى ستؤثر على تأثير تبديد الحرارة.بالإضافة إلى ذلك، نظرًا للمساحة المحدودة داخل حزمة البطارية، يجب أيضًا تعديل عدد وحجم فتحات التهوية وتحسينها وفقًا للوضع الفعلي.كما أن تقنية تبديد الحرارة المبردة بالهواء بها بعض العيوب مثل الضوضاء العالية.بسبب وجود المراوح، سوف يصدر المبرد الذي يتم تبريده بالهواء بعض الضوضاء أثناء التشغيل.تُستخدم تقنية تبريد الهواء ببطارية الطاقة بشكل أساسي في بعض السيارات الكهربائية المنخفضة وأنظمة تخزين الطاقة الصغيرة.في هذه الأنظمة، بسبب قيود التكلفة والمساحة، لا يمكن استخدام طرق أخرى لتبديد الحرارة، لذلك يمكن استخدام تقنية تبديد الحرارة المبردة بالهواء فقط.ومع ذلك، مع تطور التكنولوجيا، بدأ أيضًا تطبيق تكنولوجيا تبديد الحرارة المبردة بالهواء في بعض السيارات الكهربائية المتطورة.

1.3 تقنية التبريد بالتبريد السائل

تبديد حرارة التبريد السائل هو نوع جديد من تبديد الحرارة، مبدأ عمله هو تحت تأثير الوسط السائل من خلال نقل الحرارة بالحمل الحراري لتحرير حرارة البطارية، وتقليل درجة حرارة البطارية.تتميز هذه التقنية بمزايا كفاءة نقل الحرارة العالية وتأثير تبديد الحرارة الجيد، مما يمكن أن يقلل بشكل فعال من درجة حرارة عمل البطارية ويحسن عمر الخدمة وسلامة البطارية.بالإضافة إلى ذلك، تتمتع تقنية التبريد السائل أيضًا بمزايا الموثوقية العالية وتكاليف الصيانة المنخفضة، لذلك تم استخدامها على نطاق واسع في مجال مركبات الطاقة الجديدة.

مبدأ تكنولوجيا التبريد السائل هو حقن المبرد في حزمة البطارية، ثم تبديد الحرارة من خلال أنبوب الألومنيوم التبريد.يعد اختيار سائل التبريد مهمًا جدًا لتأثير التبريد السائل.في الوقت الحاضر، المبردات شائعة الاستخدام هي الزيوت المعدنية والزيوت الاصطناعية والمبردات المائية.من بينها، يتميز الزيت المعدني بخصائص التوصيل الحراري الجيد ومقاومة درجات الحرارة العالية، ولكنه يحتوي على تلوث معين للبيئة؛يتمتع الزيت الاصطناعي بأداء أفضل لحماية البيئة واستقرار درجات الحرارة العالية؛يتميز المبرد المائي بمزايا الحماية البيئية الجيدة وغير السامة وغير الضارة وما إلى ذلك.عند اختيار سائل التبريد، ينبغي إجراء دراسة شاملة وفقًا لسيناريو التطبيق المحدد.في الوقت الحاضر، تركز أبحاث تكنولوجيا التبريد السائل بشكل أساسي على تصميم هيكل لوحة التبريد، ويركز تصميم لوحة التبريد على تصميم قناة التدفق، غالبًا عن طريق تغيير شكل قناة التدفق، عدد قنوات التدفق لتحقيق التأثير على تبديد حرارة بطارية الطاقة.كلما كان تصميم قناة التدفق أكثر تعقيدًا، كان تأثير تبديد الحرارة العام أفضل، ولكن المعالجة غالبًا ما تكون معقدة للغاية، والتكلفة أعلى، وحتى بعض قنوات التدفق لا يمكن إكمالها في المعالجة والتصنيع الفعليين، وبالتالي فإن التدفق تم تصميم القناة للنظر بشكل كامل في صعوبة التصنيع، ومن ثم تأثير تبديد الحرارة الشامل لتطوير البرنامج.

مزايا تكنولوجيا التبريد السائل واضحة.أولا وقبل كل شيء، يمكن أن يقلل بشكل فعال من درجة حرارة تشغيل البطارية، وبالتالي تحسين عمر الخدمة وسلامة البطارية.ثانياً، جهاز التبريد السائل لديه هيكل بسيط وسهل الصيانة والاستبدال.بالإضافة إلى ذلك، تتمتع تقنية التبريد السائل أيضًا بموثوقية واستقرار عاليين، ويمكن أن تعمل بشكل طبيعي في البيئات القاسية.ومع ذلك، فإن تكنولوجيا التبريد السائل لها أيضًا بعض العيوب.على سبيل المثال، تكلفتها مرتفعة، ويجب استثمار المزيد من الأموال في تجديد المعدات وصيانتها؛وفي الوقت نفسه، تحتاج مشاكل مثل تسرب السوائل أيضًا إلى الاهتمام.

1.4 تقنية تبريد الأنابيب الحرارية

تبريد الأنابيب الحرارية هي طريقة جديدة لتبديد حرارة بطارية الطاقة، والتي تتمتع بموصلية حرارية قوية وإمكانية تطبيق جيدة.تقنية تبريد الأنابيب الحرارية هي تقنية تستخدم مبدأ الأنابيب الحرارية لتبديد الحرارة، وتستخدم بشكل أساسي لتبريد أنظمة البطاريات.الأنبوب الحراري هو عنصر فعال في نقل الحرارة ويتكون من أنبوب رفيع وزعنفتين معدنيتين متصلتين عند الأطراف.عندما يتم توصيل الحرارة داخل البطارية إلى أنبوب الحرارة، فإن السائل الموجود داخل أنبوب الحرارة سوف يمتص الحرارة ويتبخر، مما ينتج كمية كبيرة من البخار، الذي سوف يتدفق على طول الأنبوب ويزيل الحرارة داخل البطارية.في نهاية المطاف، يبرد البخار إلى سائل في المبرد، ويطلق الحرارة الكامنة وبالتالي يبدد الحرارة.يعد مشعاع الأنابيب الحرارية أحد المكونات الأساسية لتقنية تبريد الأنابيب الحرارية لبطارية الطاقة، والتي تتكون بشكل أساسي من أنابيب الحرارة والزعانف والمروحة وما إلى ذلك.يتمثل دور أنبوب الحرارة في نقل الحرارة داخل البطارية إلى المبرد، وتعد الزعنفة مكونًا مهمًا يستخدم لزيادة مساحة تبديد الحرارة وتحسين كفاءة تبديد الحرارة.يتم استخدام المروحة لتسريع تدفق الهواء، وبالتالي تحسين تأثير تبديد الحرارة للمبرد.في بعض أنظمة البطاريات المتطورة، تم استخدام تقنية تبريد الأنابيب الحرارية على نطاق واسع، مثل مركبات الطاقة الجديدة والطائرات بدون طيار وغيرها من الصناعات.مع التطور المستمر للتكنولوجيا وخفض التكلفة، يُعتقد أنه سيتم تطبيق تكنولوجيا تبريد الأنابيب الحرارية في المزيد من المجالات.

تتميز تقنية تبريد الأنابيب الحرارية بمزايا الكفاءة العالية وتوفير الطاقة والموثوقية العالية ونطاق التطبيقات الواسع وتكلفة الصيانة المنخفضة.كفاءة عالية وتوفير الطاقة: يمكن لتكنولوجيا تبريد الأنابيب الحرارية نقل الحرارة الناتجة عن البطارية بسرعة، وتجنب إهدار الطاقة وتحسين كفاءة استخدام الطاقة؛موثوقية عالية: تستخدم تقنية تبريد الأنابيب الحرارية هيكل أنبوب مغلق، ولن يتأثر بالبيئة الخارجية، مع ثبات وموثوقية عالية؛نطاق واسع من التطبيقات: تقنية تبريد الأنابيب الحرارية مناسبة لأنواع مختلفة من أنظمة البطاريات، بما في ذلك بطاريات الليثيوم أيون وبطاريات الرصاص الحمضية، وما إلى ذلك. تكلفة صيانة منخفضة: تتميز تقنية تبريد الأنابيب الحرارية بهيكل بسيط وتكلفة صيانة منخفضة وطويلة الأمد. عملية مستقرة.

كما أن أوجه القصور في تكنولوجيا تبريد الأنابيب الحرارية واضحة جدًا أيضًا، خاصة مع الحجم الكبير والتكلفة العالية والمقاومة الكبيرة للسوائل والعوامل غير المواتية الأخرى.حجم كبير: نظرًا لأن أنبوب الحرارة يحتاج إلى شغل مساحة معينة، مقارنة بطريقة تبريد الهواء التقليدية، فإن تقنية تبريد أنبوب الحرارة تحتاج إلى مساحة تركيب أكبر؛التكلفة العالية: تكلفة تصنيع تكنولوجيا تبريد الأنابيب الحرارية مرتفعة نسبيًا، ويتطلب الأمر مواد وعمليات عالية الجودة لضمان أدائها وعمرها الافتراضي.مقاومة كبيرة للسوائل: تدفق السائل داخل أنبوب الحرارة سوف ينتج مقاومة معينة، مما سيؤثر على كفاءة نقل الحرارة لأنبوب الحرارة؛تكنولوجيا تبريد الأنابيب الحرارية لديها أيضًا مشكلة ضوضاء كبيرة، بسبب وجود المراوح، سوف ينتج مشعاع الأنابيب الحرارية ضوضاء معينة أثناء التشغيل؛يعد التحكم في درجة الحرارة بتقنية تبريد الأنابيب الحرارية أمرًا صعبًا، ويتأثر تأثير تبديد الحرارة بشكل كبير بالعوامل البيئية، وبالتالي فإن التحكم في درجة الحرارة صعب نسبيًا.

1.5 تكنولوجيا تبريد المواد المتغيرة الطور

تقنية تبريد المواد المتغيرة الطور لبطارية الطاقة هي تقنية تستخدم مواد متغيرة الطور لتبديد الحرارة، والتي تستخدم بشكل أساسي في أنظمة بطاريات التبريد.المبدأ الأساسي لتقنية تبديد حرارة المواد المتغيرة الطور لبطارية الطاقة هو استخدام مواد تغيير الطور لتبديد الحرارة.المواد المتغيرة الطور هي نوع من المواد التي يمكنها امتصاص أو إطلاق الكثير من الحرارة ضمن نطاق درجة حرارة معين.عندما يتم توصيل الحرارة داخل البطارية إلى مادة تغيير الطور، فإن الجزء السائل من مادة تغيير الطور سوف يمتص الحرارة ويتمدد، ويصبح غازًا.من ناحية أخرى، يصدر الجزء الصلب حرارة وينكمش.وبهذه الطريقة، يمكن للمادة المتغيرة الطور نقل الحرارة داخل البطارية بسرعة إلى المبرد، وبالتالي تحقيق تبريد البطارية.يعد المشتت الحراري للمواد المتغيرة الطور أحد المكونات الأساسية لتقنية تبديد حرارة المواد المتغيرة الطور لبطارية الطاقة، والتي تتكون بشكل أساسي من مواد تغيير الطور والزعانف والمروحة وما إلى ذلك.

تتميز تقنية تبريد المواد الفوتوغرافية بمزايا الكفاءة العالية وتوفير الطاقة والموثوقية العالية ونطاق التطبيقات الواسع وتكلفة الصيانة المنخفضة.كفاءة عالية وتوفير الطاقة: يمكن لتكنولوجيا تبريد المواد المتغيرة الطور نقل الحرارة الناتجة عن البطارية بسرعة، وتجنب إهدار الطاقة وتحسين كفاءة استخدام الطاقة؛الموثوقية العالية: تستخدم تقنية تبريد المواد المتغيرة الطور مواد متغيرة الطور بشكل مستقر، وتتميز باستقرار وموثوقية عالية، ويمكن أن تعمل بثبات لفترة طويلة؛مجموعة واسعة من التطبيقات: تكنولوجيا تبريد المواد المتغيرة الطور مناسبة لأنواع مختلفة من أنظمة البطاريات، بما في ذلك بطاريات الليثيوم أيون، وبطاريات الرصاص الحمضية، وما إلى ذلك. تكلفة صيانة منخفضة: تتميز تقنية تبريد المواد المتغيرة الطور بهيكل بسيط، وتكلفة صيانة منخفضة، و عملية مستقرة على المدى الطويل.

تتمثل عيوب تقنية تبريد المواد الضوئية في الحجم الكبير والتكلفة العالية ونطاق درجة الحرارة المحدود.حجم كبير: نظرًا لأن مادة تغيير الطور تحتاج إلى شغل مساحة معينة، لذلك بالمقارنة مع طريقة تبريد الهواء التقليدية، فإن تكنولوجيا تبريد مواد تغيير الطور تحتاج إلى مساحة تركيب أكبر؛التكلفة العالية: تكلفة تصنيع تكنولوجيا تبريد المواد المتغيرة الطور مرتفعة نسبيًا، ويتطلب الأمر مواد وعمليات عالية الجودة لضمان أدائها وعمرها الافتراضي.نطاق درجة الحرارة المحدود: نطاق درجة حرارة المواد المتغيرة الطور ضيق، ولا يمكن تبديده إلا ضمن نطاق معين، ولا يمكنه التكيف مع احتياجات جميع ظروف العمل.

باختصار، تكنولوجيا تبديد الحرارة بالحمل الحراري، تكنولوجيا تبديد حرارة تبريد الهواء، تكنولوجيا تبديد حرارة التبريد السائل، تكنولوجيا تبديد حرارة تبريد الأنابيب الحرارية وتكنولوجيا تبديد حرارة تبريد المواد المتغيرة الطور هي تكنولوجيا تبديد الحرارة لبطارية طاقة السيارة الجديدة الخمسة السائدة.تتميز تقنية التبريد السائل بمزايا كفاءة نقل الحرارة العالية وتأثير تبديد الحرارة الجيد.تتميز تقنية التبريد بتبريد الهواء بمزايا الهيكل البسيط والتكلفة المنخفضة.تتميز تقنية تبديد الحرارة بالحمل الحراري بمزايا كفاءة نقل الحرارة العالية والاستقرار الجيد.تتميز تقنية تبريد الأنابيب الحرارية بمزايا الكفاءة العالية وتوفير الطاقة والموثوقية العالية ونطاق التطبيقات الواسع وتكلفة الصيانة المنخفضة.وفي التطوير المستقبلي، تكنولوجيا تبديد الحرارة المناسبة يجب اختيار المخطط وفقًا لاحتياجات النماذج المختلفة واستخدام البيئة، ويجب تحسين تكنولوجيا تبديد الحرارة الحالية وتحسينها باستمرار لتحسين أداء وموثوقية بطارية طاقة مركبة الطاقة الجديدة.