إدارة حرارة بطارية المركبات الكهربائية: الحلول والمواد الرئيسية

باختصار

تُعد حلول إدارة الحرارة الفعالة لأغلفة بطاريات المركبات الكهربائية ضرورية لضمان السلامة التشغيلية، وتحسين الأداء، وتمديد عمر البطارية. تشمل الاستراتيجيات الرئيسية الأنظمة النشطة مثل التبريد بالهواء والسائل، والأنظمة السلبية التي تستخدم مواد تغيير الطور (PCMs). وتدعم هذه الأنظمة منظومة متطورة من المكونات، بما في ذلك مواد الواجهة الحرارية (TIMs)، والمواد المغلِّفة، والطلاءات العازلة، والتي تعمل جميعها معًا على تبديد الحرارة ومنع حدوث أحداث تشنج حراري كارثية.

الدور الحاسم لإدارة الحرارة في بطاريات المركبات الكهربائية

يأتي الضرورة الملحة لإدارة حرارية متقدمة في بطاريات المركبات الكهربائية مباشرة من الطبيعة الكهروكيميائية لخلايا الليثيوم-أيون (Li-ion) المستخدمة بشكل شائع. توفر هذه البطاريات مزيجًا ناجحًا من كثافة طاقة عالية ودورة حياة طويلة، لكن كيمياءها الداخلية تشكل تحديات حرارية كبيرة. إذ يتكوّن محلول الإلكتروليت الذي يسهّل تدفق الشحنة الكهربائية عادةً من مركبات عضوية قابلة للاشتعال بدرجة عالية، ما يخلق خطر حريق جوهري إذا لم يتم التحكم فيه بشكل صحيح. وبالتالي، فإن الحفاظ على حزمة البطارية ضمن نطاق درجة حرارة مثالي ضيق ليس فقط مسألة أداء، بل مسألة سلامة أساسية.

أعلى خطر هو ظاهرة تُعرف بالانطلاق الحراري. وهي حدث متسلسل يمكن أن يبدأ عندما تسخن خلية واحدة بشكل مفرط بسبب قصر داخلي، أو شحن زائد، أو تلف فيزيائي. يمكن لهذا التسخين الأولي أن يُحدث تسلسلاً من التفاعلات يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة الخلايا المجاورة واشتعالها، ما يسبب حريقًا ينتشر عبر الوحدة بأكملها أو الحزمة. وتُعرف هذه الحرائق بصعوبة إخمادها بشكل كبير، وتشكل مصدر قلق رئيسي للسلامة. وتمثل أنظمة الإدارة الحرارية الفعالة الخط الدفاعي الأساسي ضد مثل هذه الحوادث، حيث تم تصميمها لتبدد الحرارة أثناء التشغيل العادي وعزل الخلايا المعطلة لمنع الانتشار.

إلى جانب منع الفشل الكارثي، فإن درجة الحرارة تؤثر تأثيرًا كبيرًا على أداء البطارية اليومي وطول عمرها. فدرجات الحرارة العالية، حتى تلك التي تكون أقل بكثير من نقطة الانطلاق الحراري، تُسرّع التدهور الكيميائي لمكونات البطارية، مما يقلل السعة الكهربائية ويُقصر العمر الافتراضي الفعلي لها. على النقيض، يمكن أن تؤدي درجات الحرارة المنخفضة جدًا إلى فقدان الطاقة والقدرة، وفي البرد الشديد، قد تؤدي إلى تلف دائم أو فشل تام. ويضمن نظام إدارة الحرارة المصمم جيدًا أن تعمل البطارية ضمن النطاق الحراري المثالي، مما يُحسّن الكفاءة، وسرعة الشحن، والطول الكلي للعمر الافتراضي.

استراتيجيات إدارة الحرارة الأساسية: تحليل مقارن

تُصنف حلول إدارة الحرارة لبطاريات المركبات الكهربائية بشكل عام إلى أنظمة نشطة وسلبية. تستهلك الأنظمة النشطة الطاقة للعمل ولكنها تقدم أداءً أعلى، في حين تعتمد الأنظمة السلبية على مبادئ الديناميكا الحرارية ولا تحتاج إلى طاقة خارجية. ويُعتمد على اختيار الاستراتيجية وفقًا لمتطلبات أداء المركبة، والأهداف المتعلقة بالتكلفة، وكثافة القدرة لحزمة البطارية.

أنظمة التبريد النشطة

تستخدم الأنظمة النشطة مكونات ميكانيكية لتحريك وسط تبريد ونقل الحرارة بعيدًا عن حزمة البطارية. الطريقتان الرئيسيتان هما:

• التبريد الهوائي: هذه هي أبسط صورة للإدارة النشطة، وتستخدم مراوح لتوزيع الهواء حول وحدات البطارية ومن خلال قنوات التبريد. وتعتبر هذه الطريقة رخيصة نسبيًا وخفيفة الوزن. ومع ذلك، فإن فعاليتها محدودة بسبب السعة الحرارية المنخفضة للهواء، مما يجعلها أقل ملاءمة للمركبات الكهربائية عالية الأداء أو المركبات التي تعمل في مناخات حارة حيث تكون درجة حرارة الهواء المحيط مرتفعة.
• التبريد السائل: هذه هي الطريقة الأكثر شيوعًا وفعالية للمركبات الكهربائية الحديثة. يتم تدوير مبرد سائل، عادةً خليط من الماء والجليكول، عبر شبكة من الأنابيب أو ألواح التبريد التي تتلامس مع وحدات البطارية. يمتص السائل الحرارة من الخلايا وينقلها إلى مشعاع، حيث تُبدَّد في البيئة المحيطة. توفر هذه الطريقة تبريدًا متفوقًا وأكثر انتظامًا، لكنها تضيف تعقيدًا ووزنًا وتكلفة إلى النظام.

أنظمة التبريد السلبية

تُدير الأنظمة السلبية الحرارة دون استخدام مكونات كهربائية، مما يجعلها أبسط وأكثر موثوقية، على الرغم من أنها غالبًا ما تكون أقل قوة من الأنظمة النشطة.

• مواد التغير الطوري (PCMs): تمتص هذه المواد كميات كبيرة من الحرارة الكامنة عندما تتغير حالتها، عادةً من الحالة الصلبة إلى السائلة. وتُدمج مواد تغيير الطور (PCM) داخل حزمة البطارية وتمتص الحرارة الناتجة عن الخلايا، حيث تنصهر في هذه العملية، مما يحافظ على استقرار درجة حرارة الخلايا. وعندما تبرد البطارية، تتصلب مادة تغيير الطور مرة أخرى، مشعةً بذلك الحرارة المخزنة. وعلى الرغم من أنها شديدة الموثوقية، إلا أن سعتها محدودة، وتناسب بشكل أفضل إدارة الأحمال الحرارية المتقطعة بدلاً من التشغيل المستمر بقدرة عالية.

مقارنة الاستراتيجيات

المواد والمكونات الأساسية في الأنظمة الحرارية

يعتمد فعالية أي استراتيجية لإدارة الحرارة على نظام بيئي من المواد المتخصصة المصممة لنقل أو عزل أو إدارة الحرارة والكهرباء داخل غلاف البطارية. تمثل هذه المواد الأبطال غير المعروفين الذين يمكنون أنظمة التبريد من العمل بكفاءة وأمان.

مواد واجهة التوصيل الحراري (TIMs): حتى الأسطح التي تبدو ناعمة تحتوي على عيوب مجهرية تُنشئ فراغات هوائية. وبما أن الهواء موصل ضعيف للحرارة، فإن هذه الفراغات تعيق انتقال الحرارة. وتُستخدم مواد واجهة التوصيل الحراري لملء هذه الفراغات بين مصدر حراري (مثل خلية بطارية) ومكون تبريد (مثل لوحة تبريد)، مما يضمن تدفقًا حراريًا فعالًا. ويمكن أن تأتي هذه المواد على هيئة لاصقات موصلة حراريًا، أو مواد حشو قابلة للحقن، أو شحوم، أو وسادات. كما يمكن أن يساعد استخدام مواد الحشو القابلة للحقن بدلاً من الوسادات الصلبة في تقليل وزن المركبة، وهو أمر بالغ الأهمية لتعظيم المدى.

المحفّزات: هذه المواد، التي غالبًا ما تكون رغوات البولي يوريثان، تؤدي غرضين. أولاً، توفر دعماً هيكلياً، حيث توحد تجميع البطارية وتحمي الخلايا من الصدمات والاهتزازات. وثانياً، والأهم من ذلك، تعمل كحاجز ضد الحريق. في حال دخلت خلية واحدة في حالة التسرّب الحراري، يمكن لمادة عازلة مقاومة للحريق أن تعزل الحدث، مما يمنع انتشار اللهب والحرارة الشديدة إلى الخلايا المجاورة. إن هذا الاحتواء أمر بالغ الأهمية لمنح ركاب المركبة الوقت الكافي للإخلاء بأمان.

الطلاءات العازلة: في بيئة ذات جهد عالٍ مثل حزمة البطارية، فإن منع القوس الكهربائي أمر في غاية الأهمية. تُطبَّق الطلاءات العازلة على مكونات مثل قضبان التوصيل (الموصلات)، ولوحات التبريد، وأغلفة الخلايا لتوفير عزل كهربائي. كما تم تصميم طلاءات متقدمة لتكون موصلة حرارياً، مما يسمح لها بالمساهمة في تبديد الحرارة مع منع الدوائر القصيرة. هذه الوظيفة المزدوجة ضرورية لإنشاء تصاميم بطاريات مدمجة وكثيفة الطاقة.

المواد العازلة: بينما تم تصميم بعض المواد لنقل الحرارة بعيدًا، تم تصميم مواد أخرى لحجبها. تُوضع مواد العزل ذات التوصيلية المنخفضة، مثل الميكا أو الأوراق الخزفية أو الأيروجيل، بشكل استراتيجي لحماية الخلايا السليمة من حرارة خلية معطلة مجاورة. هذه إحدى الاستراتيجيات الرئيسية لمنع انتقال التلف الحراري من خلية إلى أخرى، وتشكّل جزءًا حيويًا من نظام السلامة الطبقي للبطارية.

التكامل على مستوى النظام: تصميم بيئة غلاف البطارية

إدارة الحرارة الفعّالة لا تعتمد على مكوّن واحد فقط، بل على نظام متكامل حيث تعمل المواد والاستراتيجيات بتناغم داخل غلاف البطارية. هذا النهج المتكامل، الذي يُعرف غالبًا ببيئة إدارة الحرارة، يوازن بين الحاجة إلى التوصيلية الحرارية لتبريد الخلايا أثناء التشغيل الطبيعي، والحاجة إلى العزل الحراري لحماية الخلايا أثناء حدوث حالة غير طبيعية مثل التلف الحراري. فكل عنصر، بدءًا من كيمياء الخلية وانتهاءً بالغلاف الخارجي، يؤدي دورًا معينًا.

يجب أن يأخذ التصميم في الاعتبار مسار انتقال الحرارة بالكامل. يجب أن تنتقل الحرارة بكفاءة من مركز خلية البطارية، عبر وسيلة انتقال الحرارة (TIM)، إلى لوحة تبريد، ثم أخيرًا إلى المبرد. وفي الوقت نفسه، يجب أن يمنع النظام انتقال هذه الحرارة أفقيًا من خلية إلى أخرى في حالة حدوث عطل. ويستلزم ذلك اختيار المواد ووضعها بعناية، لإنشاء هيكل حراري متطور يكون موصلًا للحرارة معينًا وعازلًا في الأماكن المطلوبة.

يُعد التصميم الإنشائي للغلاف نفسه أساسيًا، حيث يوفر الهيكل الأساسي لجميع المكونات الحرارية ويعمل كحاجز نهائي ضد المخاطر البيئية الخارجية مثل الرطوبة وملح الطرق. بالنسبة للمشاريع الخاصة بالسيارات التي تتطلب مكونات دقيقة بهذا الشكل، فكر في استخدام قوالب الألومنيوم المخصصة من شريك موثوق. تقدم شركة Shaoyi Metal Technology خدمة شاملة من طراز واحد ، بدءًا من النمذجة السريعة التي تُسرّع عملية التحقق الخاصة بك وصولاً إلى الإنتاج الكامل، وكلها تُدار ضمن نظام جودة معتمد وفقًا للمواصفة IATF 16949 الصارمة.

أخيرًا، يتضمن التصميم الشامل على مستوى النظام أيضًا استراتيجيات التهوية. إذا فشل خلية ما ودخلت في حالة تسرّب حراري، فإنها تطلق كمية كبيرة من الغاز الساخن. يتم تصميم صمامات التحكم بحيث تسمح لهذه الغازات بالخروج من الحزمة بطريقة مُدارة، مما يمنع تراكم ضغط خطير مع حماية الخلايا المجاورة من القذف الساخن. ويُعرف هذا الدمج بين التبريد والعزل والمتانة الهيكلية والتهوية بكونه عبوة بطارية كهربائية متينة وآمنة حقًا.