لرفع كفاءة السيارات الكهربائية.. هذه أحدث طرق التبريد

داليا الهمشري

2024-10-27

0 616

الخبير في شركة كرايسلر للسيارات والأستاذ في جامعة لورانس التكنولوجية بميشيغان الدكتور علاء الشرقاوي

مع تزايد الاعتماد على السيارات الكهربائية، ظهرت الحاجة إلى أنظمة تبريد متقدمة تساعد في الحفاظ على درجة حرارة البطاريات في إطار النطاقات المناسبة، لا سيما في ظل التحميل العالي والشحن السريع.

وتُعدّ إدارة الحرارة الصحيحة للبطاريات في المركبات الكهربائية والمركبات الهجينة القابلة للشحن أمرًا بالغ الأهمية لتحقيق الأداء الأمثل، حيث تؤثّر هذه الإدارة الحرارية مباشرةً في أداء البطارية، وعمرها الافتراضي، وسلامتها.

في هذا السياق، تأتي الأنابيب الحرارية بمثابة حل محوري، كونها تؤدي دورًا فعالًا في نقل الحرارة من المناطق الساخنة داخل البطارية إلى المناطق الباردة باستمرار، ودون الحاجة إلى طاقة ميكانيكية إضافية، مثل المراوح أو المضخات.

وفي هذا الإطار، أجرى الخبير في شركة كرايسلر للسيارات والأستاذ بجامعة لورانس التكنولوجية في ميشيغان بالولايات المتحدة الأميركية، الدكتور علاء الشرقاوي، دراسة تفصيلية -حصلت عليها منصة الطاقة المتخصصة (مقرّها واشنطن)- حول جدوى استعمال الأنابيب الحرارية في تحسين إدارة الحرارة لبطاريات الليثيوم-أيون.

توفير الطاقة

يقول الدكتور علاء الشرقاوي، إن هذه التقنية ليست فعّالة فقط في توفير الطاقة، بل تسهم -أيضًا- في تقليل تفاوت درجات الحرارة بين خلايا البطارية، مما يعزز من كفاءة تبريد البطارية ويطيل عمرها.

وأضاف في تصريحات خاصة إلى منصة الطاقة، أن الأنابيب الحرارية تُستعمَل في العديد من التطبيقات المختلفة، بما في ذلك تبريد الإلكترونيات وأنظمة الطيران، والآن أصبحت تؤدي دورًا مهمًا في مجال تبريد بطاريات السيارات الكهربائية.

وأوضح أن الأنابيب الحرارية تعمل على تحسين توزيع الحرارة داخل البطارية وزيادة كفاءة التبريد، ويجعل البطارية أكثر أمانًا واستدامة، مما يسهم في تحسين أداء المركبات الكهربائية، ويزيد من مدى القيادة لكل شحنة في البطارية.

واستطرد قائلًا: "إن أنابيب الحرارة توفر إدارة حرارية فعالة عن طريق توزيع الحرارة بالتساوي عبر خلايا البطارية، ومنع تكون النقاط الساخنة التي يمكن أن تؤدي إلى تدهور أداء البطارية وتقليل عمرها".

بطاريات السيارات الكهربائية

آلية عمل أنابيب الحرارة

يتكون أنبوب الحرارة من أنبوب مجوّف محكم الإغلاق مصنوع من مادة موصلة عالية الحرارة مثل النحاس أو الألومنيوم، ويُملأ الأنبوب بكمية صغيرة من سائل التبريد مثل الماء أو الأمونيا أو غيرها من السوائل المناسبة.

وتُبطَّن الجدران الداخلية للأنبوب بمادة مسامية (فتيلة) تساعد في توزيع السائل داخله.

وتعتمد آلية عمل الأنابيب الحرارية على تغيير حالة سائل التشغيل بين حالتَي التبخر والتكثيف، مع استعمال الخاصية الشعرية لإعادة تدوير السائل داخل الأنبوب.

وأشار الدكتور علاء الشرقاوي إلى أن آلية عمل الأنابيب الحرارية في السيارات الكهربائية تحدث من خلال مرحلتين:

قسم المبخر (المناطق الساخنة في البطارية): في البطاريات، يتولد الكثير من الحرارة خلال الشحن والتفريغ، خاصة الشحن السريع، أو تحت الأحمال العالية.

ويُوضع قسم المبخر لأنبوب الحرارة بالقرب من هذه المناطق الساخنة في الخلايا البطارية، وعندما تُولَّد الحرارة، تُمتَصّ بسرعة بوساطة أنبوب الحرارة، ويتحول السائل داخله إلى بخار.

قسم المكثف (منطقة التبريد): يُوضع قسم المكثف لأنبوب الحرارة بعيدًا عن الخلايا، عادةً بالقرب من لوحة تبريد، أو جزء من نظام التبريد في المركبة.

وينقل الأنبوب الحرارة بعيدًا عن خلايا البطارية، ويطلقها في قسم المكثف الذي يُبرَّد بطرق خارجية، مثل الهواء أو السائل أو المواد ذات التغير الطوري.

ويوضّح الإنفوغرافيك التالي -الذي أعدّته منصة الطاقة المتخصصة- مخطط مبادئ تشغيل أنبوب حراري:

مخطط لمبادئ تشغيل أنبوب حراري

مزايا استعمال أنابيب الحرارة

تتميز أنابيب الحرارة بكفاءتها العالية في استهلاك الطاقة، لأنها لا تتطلب أيّ طاقة إضافية لنقل الحرارة، بخلاف أنظمة التبريد النشطة التي تعتمد على مضخات أو مراوح، مما يجعلها حلًا فعالًا لتحسين كفاءة الطاقة في السيارات الكهربائية.

وتتّسم أنابيب الحرارة بقدرتها الفائقة على نقل كميات كبيرة من الحرارة، مقارنة بالمواد التقليدية، مثل النحاس أو الألومنيوم.

على سبيل المثال، أظهرت الدراسات أن أنابيب الحرارة يمكن أن تنقل حتى 72 واط لكل لوحة، مقارنة بـ6 واط فقط للمواد التقليدية، وتعمل هذه القدرة العالية في نقل الحرارة على تقليل الحاجة إلى مكونات التبريد النشطة مثل المراوح أو المضخات، مما يزيد من كفاءة النظام.

وسلّط الشرقاوي الضوء على أن إحدى أكبر التحديات في تبريد البطاريات تتمثل في التفاوت بدرجات الحرارة بين الخلايا الفردية، مما يؤثّر سلبًا بأدائها وعمرها الافتراضي.

وأوضح أن الأنابيب الحرارة توفر حلًا فعالًا لتوزيع الحرارة بالتساوي عبر خلايا البطارية، مما يقلل من الفروقات الحرارية.

وأظهرت الأبحاث أن أنابيب الحرارة يمكن أن تخفض الفروق الحرارية من 12°C إلى 2°C، مما يعزز من كفاءة النظام بالكامل.

ويوضّح الإنفوغرافيك التالي -الذي أعدّته منصة الطاقة المتخصصة- مخططًا يوضح تبريد دائرة بطارية السيارات الكهربائية:

مخطط يوضح نبريد دائرة بطارية السيارات الكهربائية

التبريد السريع

قال الخبير في شركة كرايسلر للسيارات -خلال تصريحاته إلى منصة الطاقة-، إن أنابيب الحرارة تتميز بقدرتها على تسريع عملية التبريد.

وأظهرت الدراسات أن خفض درجة حرارة البطارية من 45°C إلى 40°C باستعمال أنظمة التبريد التقليدية يستغرق نحو 58 دقيقة، بينما يمكن لأنابيب الحرارة بقوة 60 واط تحقيق ذلك في 13.5 دقيقة فقط.

وأضاف الشرقاوي أن هذا التبريد السريع يقلّل من الإجهاد الحراري على خلايا البطارية، مما يطيل عمرها.

وإلى جانب كفاءتها في استهلاك الطاقة ونقل الحرارة، تساعد أنابيب الحرارة في تعزيز سلامة البطارية، من خلال الحفاظ على درجات حرارة متساوية ومنع ارتفاع الحرارة.

وتابع أن هذه الخاصية تقلّل من خطر حدوث الهروب الحراري (حالة خطيرة قد تؤدي إلى اشتعال البطارية أو انفجارها).

ويوضّح الإنفوغرافيك التالي -الذي أعدّته منصة الطاقة المتخصصة- مخططًا لتبريد لوحة بطارية السيارات الكهربائية:

مخطط لتبريد لوحة بطارية السيارات الكهربائية

وأوضح الدكتور الشرقاوي أن الأنابيب الحرارية تُعدّ الاختيار الأمثل لبطاريات السيارات الكهربائية، لعدّة أسباب، أبرزها:

عدم الاعتماد على مكونات ميكانيكية: تستهلك طاقة كبيرة مثل المضخات أو المراوح، مما يقلل من الطاقة الإجمالية المطلوبة للتبريد.

كفاءة التبريد: بفضل التوصيل الحراري العالي لأنابيب الحرارة، تُنقَل الحرارة بسرعة أكبر، مما يقلل من عبء أنظمة التبريد الثانوية، ويخفض زمن تشغيل الأنظمة النشطة.

فوائد التشغيل: من خلال تقليل الزمن المطلوب لتبريد البطارية، تعمل أنابيب الحرارة على تحسين كفاءة التشغيل، وتقليل استهلاك الطاقة.

يمكن أن يقلل دمج أنابيب الحرارة من استهلاك الطاقة للتبريد بنسبة 30-50%، مما يسهم مباشرةً في تحسين كفاءة الطاقة، وزيادة مدى القيادة للمركبات الكهربائية.

ويوضّح الإنفوغرافيك التالي -الذي أعدّته منصة الطاقة المتخصصة- مخططًا يوضّح لوحة تبريد بطارية السيارات الكهربائية:

مخطط يوصح لوحة تبريد بطارية السيارات الكهربائية