نظام تبريد بطارية ليثيوم أيون: تبريد الهواء مقابل. التبريد السائل
مع التطور السريع لصناعة الطاقة الجديدة, يتم استخدام بطاريات الليثيوم أيون على نطاق واسع في السيارات الكهربائية وأنظمة تخزين الطاقة. لكن, تولد بطاريات الليثيوم أيون الكثير من الحرارة أثناء عملية الاستخدام. إذا لم تنبعث هذه الحرارة في الوقت المناسب, لن يؤثر ذلك على أداء البطارية فقط, ولكنها قد تؤدي أيضًا إلى مخاطر خطيرة على السلامة.
وفقا لبيانات البحث, يتراوح نطاق درجة حرارة التشغيل الأمثل لبطاريات الليثيوم أيون بين 25-40 درجة مئوية, ويجب التحكم في فرق درجة الحرارة داخل حزمة البطارية في حدود 5 درجات مئوية. عندما تتجاوز درجة الحرارة 50 درجة مئوية, سرعة الشحن, سيتم تقليل كفاءة وعمر البطارية بشكل كبير. في بعض الحالات القصوى, قد تؤدي درجة الحرارة المرتفعة إلى الهروب الحراري, مما يؤدي إلى حوادث السلامة!
حالياً, تشمل حلول تبريد البطارية المتوفرة في السوق تبريد الهواء, التبريد السائل, تبريد المواد المتغيرة الطور والتبريد الهجين, من بينها تبريد الهواء والتبريد السائل هما الحلان الأكثر شيوعًا. سوف تستكشف هذه المقالة خصائص وتطبيقات تقنيتي التبريد هاتين بعمق.
جدول المحتويات
تبريد الهواء
مبدأ العمل وتكوين النظام
تعد تقنية تبريد الهواء واحدة من أقدم الحلول المستخدمة في تبديد حرارة بطارية الليثيوم أيون. يستخدم الهواء كوسيلة لتبديد الحرارة ويبدد الحرارة من خلال ثلاث طرق: التوصيل الحراري, الحمل الحراري, والإشعاع الحراري. من إدراك الطريق, يمكن تقسيم نظام تبريد الهواء إلى نوعين: التبريد بالحمل الحراري الطبيعي والتبريد بالحمل القسري.
التبريد بالحمل الحراري الطبيعي هي طريقة سلبية لتبديد الحرارة تعتمد على التدفق الطبيعي للهواء المحيط لحمل الحرارة بعيدًا. هذه الطريقة لديها أبسط هيكل, ولكن تأثير تبديد الحرارة محدود, وعادة ما تكون مناسبة فقط للتطبيقات ذات توليد الحرارة المنخفضة.
التبريد بالحمل القسري يستخدم المشجعين, المنافيخ أو وحدات تكييف الهواء لتوليد تدفق هواء قسري أو تدفق هواء منخفض الحرارة لتشكيل بيئة تبادل حراري فعالة. في التطبيقات الفعلية, مكيفات الهواء المعلقة المبردة بالهواء هي الأكثر استخدامًا, في حين أن المراوح والمنافيخ أقل استخدامًا. يشتمل نظام تبريد الهواء القسري النموذجي على المكونات الأساسية التالية:
- مروحة تبريد, منفاخ أو مكيف هواء معلق مبرد بالهواء.
- نظام قنوات مدخل ومخرج الهواء.
- لوحة التوجيه ودرع الرياح.
- شبكة استشعار درجة الحرارة.
- نظام التحكم الذكي.
مزايا وعيوب تبريد الهواء
المزايا
1. هيكل النظام بسيط وبديهي, سهلة التركيب والصيانة.
2. انخفاض تكلفة الاستثمار الأولي, اقتصاد جيد.
3. لا يوجد خطر تسرب السائل, سلامة النظام العالية.
4. نظام خفيف الوزن, تأثير منخفض على الجودة الشاملة.
5. تكلفة صيانة منخفضة, عملية بسيطة.
العيوب
1. كفاءة تبديد الحرارة منخفضة نسبيا (السعة الحرارية النوعية للهواء هي فقط 1/4 من ذلك الماء).
2. دقة التحكم في درجة الحرارة محدودة, من الصعب تحقيق التحكم الدقيق في درجة الحرارة.
3. تتأثر بسهولة بدرجة الحرارة المحيطة, التأثير ليس جيدًا في بيئة درجة الحرارة المرتفعة.
4. سوف تولد المروحة ضوضاء عند التشغيل.
5. قد يحدث تبديد حرارة غير كافٍ في التطبيقات عالية الطاقة.
تحسين تكنولوجيا تبريد الهواء
في السنوات الأخيرة, لقد تم تحسين تكنولوجيا تبريد الهواء بشكل مستمر, وتشمل اتجاهات التحسين الرئيسية ثلاثة جوانب:
1. تحسين تصميم مجاري الهواء
تعتبر قناة الهواء عاملاً رئيسياً يؤثر على تأثير تبديد الحرارة. من خلال ديناميات الموائع الحسابية (العقود مقابل الفروقات) تحليل, قام المهندسون بتطوير مجموعة متنوعة من حلول تصميم مجاري الهواء المبتكرة. يمكن لمجرى الهواء الأمثل أن يحسن بشكل كبير من انتظام تدفق الهواء, تقليل الزوايا الميتة, وتحسين كفاءة تبديد الحرارة بشكل عام.
2. تحسين هيكل تبديد الحرارة
إضافة المشتتات الحرارية, يمكن للزعانف والهياكل الأخرى الموجودة على سطح وحدة البطارية أن تزيد بشكل كبير من مساحة تبديد الحرارة. في نفس الوقت, من خلال تحسين شكل وتخطيط هذه الهياكل, يمكن توليد المزيد من الاضطراب لتحسين كفاءة التبادل الحراري.
3. استراتيجية التحكم الذكي
تستخدم أنظمة تبريد الهواء الحديثة بشكل عام إستراتيجيات تحكم ذكية لضبط سرعة المروحة ديناميكيًا وفقًا لدرجة حرارة البطارية, درجة الحرارة المحيطة, ظروف التحميل, إلخ. وهذا يضمن تبديد الحرارة ويقلل من استهلاك الطاقة.
التبريد السائل
مبدأ العمل وتكوين النظام
تستخدم تقنية التبريد السائل السائل كوسيلة تبريد لإزالة الحرارة من خلال تدفق السائل. اعتمادًا على كيفية اتصال المبرد بالبطارية, يمكن تقسيم أنظمة التبريد السائلة إلى نوعين: التبريد السائل غير المباشر والتبريد السائل الغمر.
التبريد السائل غير المباشر
التبريد السائل غير المباشر هو طريقة التبريد السائل الأكثر استخدامًا. يقوم بعزل سائل التبريد عن البطارية من خلال لوحة أو أنبوب تبريد خاص. يدور المبرد في الأنبوب ويحمل الحرارة الناتجة عن البطارية من خلال التوصيل الحراري.
يتكون نظام التبريد السائل غير المباشر النموذجي من المكونات الرئيسية التالية:
- نظام تداول سائل التبريد.
- لوحة باردة أو شبكة الأنابيب.
- مبادل حراري.
- مضخة الدورة الدموية.
- جهاز استشعار درجة الحرارة ونظام التحكم.
التبريد السائل بالغمر
التبريد السائل بالغمر هو حل أكثر جذرية لتبديد الحرارة. فهو يغمر البطارية مباشرة في مبرد عازل لتحقيق تبديد الحرارة بالتلامس المباشر. هذه الطريقة لها تأثير جيد في تبديد الحرارة, ولكن لديها متطلبات عالية للغاية بالنسبة للمبرد, والتي تحتاج إلى عزل ممتاز, الاستقرار الكيميائي والتوصيل الحراري. الصيانة اللاحقة صعبة, واستبدال البطارية أمر مزعج. حالياً, هناك عدد قليل من التطبيقات العملية.
مزايا وعيوب التبريد السائل
المزايا
1. كفاءة عالية في تبديد الحرارة, تأثير تبريد كبير.
2. التحكم الدقيق في درجة الحرارة نسبيا.
3. توزيع متساوي لدرجة الحرارة, مفيد لعمر البطارية.
4. انخفاض مستوى الضجيج في النظام, تجربة مستخدم جيدة.
5. يحافظ على الأداء الجيد حتى في بيئة درجة الحرارة المرتفعة.
العيوب
1. هيكل النظام المعقد.
2. ارتفاع تكلفة الاستثمار الأولي.
3. خطر تسرب سائل التبريد.
4. متطلبات صيانة عالية, تتطلب فريقا محترفا.
5. وزن النظام أعلى.
تحسين تكنولوجيا التبريد السائل
في السنوات الأخيرة, حققت تكنولوجيا التبريد السائل تقدما كبيرا في العديد من الجوانب:
1. تصميم لوحة التبريد
هناك العديد من تصميمات ألواح التبريد المبتكرة في السوق, مشتمل:
- لوحة تبريد ذات قناة صغيرة متوازية.
- لوحة التبريد هيكل قناة اعوج.
- لوحة تبريد قناة مبسطة.
- لوحة تبريد ذات قناة عكسية مزدوجة الطبقة.
- لوحة تبريد الأوردة الجناحية الإلكترونية.
هذه التصاميم المختلفة لها خصائصها الخاصة ويمكن أن تلبي احتياجات التطبيقات المختلفة.
2. تحسين المبرد
ويتقدم أيضًا تطوير مبردات جديدة. يجب أن يكون المبرد المثالي:
- الموصلية الحرارية العالية.
- الموصلية الكهربائية المنخفضة.
- الاستقرار الكيميائي الجيد.
- اللزوجة المناسبة.
- تأثير بيئي منخفض.
3. نظام ذكي للتحكم في درجة الحرارة
يستخدم نظام التبريد السائل المتقدم خوارزميات التحكم الذكية:
- مراقبة درجة الحرارة في الوقت الحقيقي في كل نقطة.
- ضبط التدفق ديناميكيًا.
- تحسين استهلاك الطاقة.
- التنبؤ بالتشوهات المحتملة.
تبريد الهواء مقابل. التبريد السائل
أداء
فيما يلي جدول مقارنة أداء نظام التبريد السائل ونظام تبريد الهواء:
مؤشر الأداء | نظام التبريد السائل | نظام تبريد الهواء |
الحد الأقصى لنطاق التحكم في درجة الحرارة | 30-40درجه مئوية | 37-45درجه مئوية |
القدرة على التحكم في فرق درجة الحرارة | ≥3 درجة مئوية | ≥5 درجة مئوية |
كفاءة تبديد الحرارة | عالي | واسطة |
استهلاك الطاقة (القيمة النسبية) | 1 | 2-3 مرات |
تعقيد النظام | عالي | قليل |
صعوبة الصيانة | عالي | قليل |
التطبيقات
تطبيق تبريد الهواء
تبريد الهواء مناسب بشكل أساسي لـ:
1. نظام تخزين الطاقة الصغيرة.
2. حزمة بطارية منخفضة الكثافة للطاقة.
3. التطبيقات ذات معدل الشحن والتفريغ المنخفض.
4. المشاريع الحساسة من حيث التكلفة.
5. المواقع ذات شروط الصيانة المحدودة.
تطبيق التبريد السائل
نظام التبريد السائل أكثر ملاءمة ل:
1. مرافق تخزين الطاقة الكبيرة.
2. حزم البطاريات ذات كثافة الطاقة العالية.
3. تطبيقات الشحن والتفريغ السريع.
4. يستخدم في البيئات ذات درجات الحرارة العالية.
5. التطبيقات مع متطلبات دقة التحكم في درجة الحرارة العالية.
تقنيات التبريد الأخرى
بالإضافة إلى التبريد بالهواء والسوائل, تستكشف الصناعة بنشاط حلول تبريد أخرى:
مواد تغيير المرحلة (بي سي إم) تبريد
يستخدم تبريد المواد المتغيرة الطور عملية تغيير الطور للمادة لامتصاص الحرارة, ولها خصائص تبديد الحرارة السلبي واستقرار درجة الحرارة. وهو حاليا في المرحلة المختبرية بشكل رئيسي ولم يتم تسويقه بعد على نطاق واسع.
التبريد الهجين
يجمع التبريد الهجين بين مزايا طرق التبريد المتعددة, مثل تبريد الهواء + بي سي إم, التبريد السائل + بي سي إم, إلخ. هذه التقنيات قيد التطوير ومن المتوقع أن توفر حلولاً أفضل لتبديد الحرارة في المستقبل.
خاتمة
مع تطور صناعة بطاريات الليثيوم أيون, كما أن تقنية تبريد البطارية تتحسن باستمرار. تبريد الهواء والتبريد السائل لكل منهما مزاياه الخاصة, ويجب اختيار الحل المناسب وفقًا للتطبيق المحدد.
على المدى القصير, سيظل تبريد الهواء مهيمنًا في التطبيقات الصغيرة والمتوسطة الحجم نظرًا لميزة التكلفة. لكن, مع تقدم التكنولوجيا وانخفاض التكاليف, سيتم استخدام التبريد السائل على نطاق واسع في تخزين الطاقة على نطاق واسع.
في المستقبل, مع تطوير مواد جديدة, عمليات جديدة, والتقدم في تكنولوجيا التحكم الذكي, ستستمر تقنية تبريد البطارية في التطور وستوفر دعمًا أفضل لتطوير الصناعة.
