تصميم والتحقق من حل تبديد الحرارة باستخدام لوحة تبريد سائلة لوحدات بطاريات من سلسلة 340 أمبير/104
انطلاقًا من أهداف "خفض الانبعاثات الكربونية المزدوجة"، يشهد قطاع تخزين الطاقة عصرًا ذهبيًا من التطور واسع النطاق. وتُعد بطاريات الليثيوم أيون، باعتبارها المكونات الأساسية لأنظمة تخزين الطاقة، ذات قدرة عالية على إدارة الحرارة، مما يؤثر بشكل مباشر على سلامة النظام وعمره الافتراضي وكثافة طاقته. ومع اتجاه بطاريات تخزين الطاقة نحو سعات أعلى وتكامل أكبر، أصبحت وحدات البطاريات من فئة 340 أمبير/ساعة الخيار الأمثل للتطبيقات الشائعة. ورغم أن تصميم السلسلة 104 المتوازية-المتسلسلة يعزز سعة تخزين الطاقة بشكل ملحوظ، إلا أنه يطرح تحديات أكبر في تبديد الحرارة؛ فإذا لم يتم تبديد حرارة جول المتولدة أثناء شحن البطارية وتفريغها في الوقت المناسب، فسيؤدي ذلك إلى زيادة تدرج درجة الحرارة الداخلية للوحدة، مما يزيد من خطر الانهيار الحراري. في هذا السياق، تقترح هذه الورقة البحثية حلًا لتبديد الحرارة باستخدام لوحة تبريد سائلة مصنوعة من سبائك الألومنيوم 6063، والتي تحقق إدارة حرارية فعالة لوحدات بطاريات السلسلة 104/340 أمبير/ساعة من خلال تصميم دقيق لقنوات التدفق واختبار الأداء.
أولاً: معايير التصميم الأساسية واختيار المواد للوحة التبريد السائل
(1) الأساس المنطقي لاختيار المواد
تؤثر مادة لوحة التبريد السائل بشكل مباشر على كفاءة تبديد الحرارة والاستقرار الهيكلي. يعتمد هذا الحل على مقاطع من سبائك الألومنيوم 6063 كمادة أساسية للوحة التبريد السائل، والتي تتميز بثلاث مزايا رئيسية: أولاً، تتمتع بمعامل توصيل حراري ممتاز يصل إلى 201 واط/(م·ك)، مما يتيح نقلًا سريعًا للحرارة بين البطارية وسائل التبريد؛ ثانيًا، تتميز بقابلية تشكيل جيدة، مما يسمح بتصنيع قنوات تدفق داخلية معقدة عبر عمليات البثق لتلبية احتياجات تبديد الحرارة المخصصة؛ ثالثًا، تتمتع بمقاومة عالية للتآكل، وعند استخدامها مع سوائل تبريد متوافقة، يمكنها الحفاظ على السلامة الهيكلية أثناء التشغيل طويل الأمد لأنظمة تخزين الطاقة، مع تحقيق توازن بين التصميم خفيف الوزن والفعالية من حيث التكلفة، بما يتماشى مع توجه الصناعة نحو خفض التكاليف وتحسين كفاءة معدات تخزين الطاقة.
(2) المعايير الهيكلية ومعايير الأداء الرئيسية
تم تصميم لوحة التبريد السائل المصممة في هذا الحل خصيصًا لتناسب أبعاد ومتطلبات تبديد الحرارة لوحدات البطاريات من سلسلة 340Ah/104، وفيما يلي المعايير الأساسية لها:
1. الأبعاد الكلية: 2180 مم × 790 مم × 10 مم، والتي تتناسب تمامًا مع سطح التلامس لوحدة البطارية، مما يضمن التلامس الكامل بين لوحة التبريد السائل وخلايا البطارية لتقليل المقاومة الحرارية للتلامس؛
2. معدل تدفق سائل التبريد: تم ضبطه على 15 لتر/دقيقة، والذي تم التحقق منه من خلال المحاكاة والتجارب لضمان تبادل حراري كافٍ بين سائل التبريد والجدار الداخلي للوحة التبريد السائل، مع تجنب زيادة استهلاك طاقة المضخة وضوضاء قناة التدفق الناتجة عن معدلات التدفق العالية للغاية؛
3. تصميم المدخل والمخرج: يعتمد مواصفات واجهة بقطر خارجي يبلغ 18 مم، وهو متوافق مع خطوط تبريد أنظمة تخزين الطاقة، مما يسهل التركيب في الموقع وتوصيل خط الأنابيب، مع تلبية متطلبات توصيل سائل التبريد ذي التدفق الكبير؛
4. بنية قناة التدفق: تم اعتماد قنوات تدفق مصبوبة بالبثق بشكل متكامل، ويتبع تصميمها مبدأ "التوزيع المنتظم وتبديد الحرارة القريب". تم تحسين اتجاه قناة التدفق وأبعاد مقطعها العرضي من خلال المحاكاة، مما يضمن توزيعًا منتظمًا لدرجة الحرارة على سطح لوحة التبريد السائل مع التحكم في أقصى فرق في درجة الحرارة ضمن نطاق ±2 درجة مئوية.
ثانيًا: مبدأ تبديد الحرارة وتحليل قابلية التكيف للوحة التبريد السائل
أثناء عملية شحن وتفريغ وحدة البطارية من سلسلة 340Ah/104، تولد كل خلية من خلايا البطارية حرارة تنتقل إلى سطح لوحة التبريد السائل عبر غلاف البطارية. يتدفق سائل التبريد داخل لوحة التبريد السائل باستمرار بمعدل 15 لترًا/دقيقة مدفوعًا بالمضخة، ويخضع لتبادل حراري بالحمل القسري مع الجدار الداخلي للوحة التبريد السائل أثناء تدفقه عبر القنوات، حاملًا الحرارة وناقلًا إياها إلى وحدة التبريد في نظام تخزين الطاقة، مما يحقق تبديدًا دوريًا للحرارة.
من حيث المرونة، تتجلى مزايا هذا الحل في بُعدين: أولًا، المرونة الهيكلية، حيث يوازن سُمك لوحة التبريد السائل المصنوعة من سبائك الألومنيوم 6063 (10 مم) بين المتانة الهيكلية وكفاءة تبديد الحرارة، كما أن أبعادها (2180 مم × 790 مم) تُغطي مساحة تركيب وحدة البطارية من سلسلة 104 بالكامل، مما يضمن تبديدًا متجانسًا للحرارة لكل سلسلة من البطاريات. ثانيًا، المرونة في الأداء، حيث يتوافق تصميم معدل التدفق (15 لتر/دقيقة) بدقة مع قدرة توليد الحرارة لبطارية 340 أمبير/ساعة. تُظهر الحسابات أنه عند معدل التدفق هذا، تُلبي قدرة تبديد الحرارة للوحة التبريد السائل متطلبات تبديد الحرارة للوحدة عند معدلات شحن وتفريغ 1C، مما يُتيح التحكم الفعال في درجة حرارة تشغيل البطارية ضمن النطاق الأمثل (25-35 درجة مئوية).
ثالثًا: اختبار الموثوقية والتحقق من الأداء
لضمان استقرار لوحة التبريد السائل أثناء التشغيل طويل الأمد لأنظمة تخزين الطاقة، أجرى هذا الحل اختبارات موثوقية متعددة الأبعاد وتجارب للتحقق من الأداء.
(1) اختبار أداء تبديد الحرارة
في بيئة مختبرية ذات درجة حرارة ثابتة، تم تركيب لوحة التبريد السائل مع وحدة بطارية من سلسلة 104/340Ah لمحاكاة ظروف دورة الشحن والتفريغ بمعدل 1C. أظهرت نتائج الاختبار أنه خلال الشحن والتفريغ المستمر، بلغت درجة الحرارة القصوى لوحدة البطارية 34.87 درجة مئوية، بينما بلغت درجة الحرارة الدنيا 32.58 درجة مئوية، وكان أقصى فرق في درجة الحرارة 1.7 درجة مئوية فقط، وهو أقل بكثير من الحد القياسي الصناعي البالغ 5 درجات مئوية. في الوقت نفسه، تم الحفاظ على فرق درجة الحرارة بين مدخل ومخرج سائل التبريد عند درجتين مئويتين، مما يشير إلى أن كفاءة التبادل الحراري للوحة التبريد السائل كانت ضمن نطاق مستقر، وقادرة على تبديد الحرارة المتولدة من البطارية بفعالية.
(2) اختبار الموثوقية
1. اختبار مقاومة الضغط: تم إخضاع لوحة التبريد السائل لاختبار مقاومة الضغط عند 1.5 ضعف ضغط التشغيل لمدة 30 دقيقة متواصلة، دون ملاحظة أي تسرب أو تشوه، مما يؤكد أداء منع التسرب والقوة الهيكلية لهيكل قناة التدفق؛
2. اختبار الدورة الحرارية: محاكاة بيئة التشغيل الفعلية لنظام تخزين الطاقة، تم إجراء اختبارات الدورة الحرارية بين -40 درجة مئوية و85 درجة مئوية. بعد 1000 دورة تراكمية، لم تظهر الموصلية الحرارية للوحة التبريد السائل أي انخفاض ملحوظ، ولم يتم الكشف عن أي تشققات أو تآكل على سطح المقاطع؛
3. اختبار التشغيل طويل الأمد: تم تركيب لوحة التبريد السائل في نظام تخزين الطاقة لإجراء اختبار التشغيل المستمر. بعد أكثر من 5000 ساعة من التشغيل التراكمي، ظلت كفاءة تبديد الحرارة للوحة التبريد السائل مستقرة، دون أي أعطال مثل انسداد قناة التدفق أو تسرب الواجهة.
4- اختبار تحمل الأحمال
تُعرَّض وحدة محاكاة المنتج لحمل مقداره 350 كجم وتُترك ثابتة لمدة 3 أيام. بعد ذلك، تُجرى مقارنات لبيانات التسطيح ومعدل تسرب الهواء، ويُفحص السطح بحثًا عن الشقوق.
شروط اختبار التسريب:
الضغط 350 كيلو باسكال،
مدة النفخ 40 ثانية،
مدة تثبيت الضغط 120 ثانية،
زمن الكشف 60 ثانية،
معدل التسرب < 100 باسكال
رابعاً: قيمة التطبيقات الصناعية وآفاق التطوير
يُقدّم هذا الحل لتبديد الحرارة باستخدام لوحة تبريد سائلة مصنوعة من سبائك الألومنيوم 6063، بتصميم مُخصّص لوحدات بطاريات 340 أمبير/ساعة من سلسلة 104، حلاً شاملاً لتحديات تبديد الحرارة في بطاريات تخزين الطاقة عالية السعة ، ويتماشى مع توجهات الصناعة نحو "الأمان العالي، والتكامل العالي، والتكلفة المنخفضة" في قطاع تخزين الطاقة. وعلى مستوى التطبيق، تُتيح لوحة التبريد السائلة إمكانية تعديل تخطيط قنوات التدفق، والأبعاد الكلية، ومواصفات الواجهة بمرونة تامة، بما يتناسب مع أبعاد وحدة البطارية ومتطلبات تبديد الحرارة لدى مختلف العملاء، مما يُتيح تقديم خدمات مُخصصة حسب الطلب.
مع توسع تطبيقات صناعة تخزين الطاقة لتشمل نطاق الشبكات الكهربائية والنطاق الصناعي والتجاري، ستستمر سعة وحدات البطاريات ومستوى تكاملها في الازدياد، مما يُبرز أهمية أنظمة إدارة الحرارة. في المستقبل، سنواصل تحسين خوارزمية محاكاة قناة التدفق للوحة التبريد السائل، واستكشاف مخططات التوافق بين الطلاءات الموصلة للحرارة الجديدة والمبردات عالية الكفاءة، والعمل باستمرار على تحسين كفاءة تبديد الحرارة وموثوقيتها، وتوفير دعم تقني متين لإدارة الحرارة من أجل تطوير صناعة تخزين الطاقة بجودة عالية.
الطاقة الإنتاجية لمصنع كينفا لهذه الألواح الباردة:
ورشة عمل مساحتها 50,000 متر مربع بطاقة إنتاجية شهرية تبلغ 10,000 وحدة.
المعايير الفنية الأساسية
1. المادة: Al 6063-T6، قوة الخضوع ≥170 ميجا باسكال، قوة الشد ≥215 ميجا باسكال؛
2- متطلبات الطلاء بالرش:
بالنسبة للسطح العلوي للوحة التبريد (فوهات الماء ومناطق التثبيت الملولبة الظاهرة): رش راتنج إيبوكسي (بدون مواد سيليكونية مثل زيت السيليكون أو صبغة RAL9005)، بسماكة طلاء ≥ 250 ميكرومتر؛ جهد تحمل العزل: 2500 فولت تيار مستمر لمدة 60 ثانية، مقاومة العزل ≥ 500 ميجا أوم؛ 4380 فولت تيار مستمر لمدة 60 ثانية، تيار التسرب ≤ 1 مللي أمبير. بالنسبة للأسطح الأخرى: رش بلاستيكي كامل باللون الأسود RAL9005 (لمسة نهائية غير لامعة)، بسماكة طلاء 40-100 ميكرومتر. قوة الالتصاق: تم اختبارها وفقًا للمعيار GB/T9286، ووصلت إلى الدرجة 0-1.
3. التفاوتات البُعدية: اتبع الرسم ثلاثي الأبعاد؛ معدل التدفق 14 لتر/دقيقة،
انحراف تجانس التدفق لكل مجرى <15%.
4- متطلبات الأداء: فرق درجة الحرارة على السطح العلوي
درجة حرارة اللب ≤40 درجة مئوية (أقصى درجة حرارة <40 درجة مئوية)، انخفاض الضغط <2 كيلو باسكال.
5، التفاوت في الشكل والموضع: الامتثال للمعيار GB/T 1184-1996 (الدرجة K)؛
مرجع الملف الشخصي GB/T 25239-2010.
٦- الحماية من تسرب الهواء (الخزانة): بعد التجميع، يجب أن تستوفي الخزانة معيار الحماية IPX7. يتم نفخها إلى ١٠ كيلو باسكال، مع تثبيت الضغط لمدة ٦٠ ثانية، ثم اختبارها لمدة ٦٠ ثانية، ويجب ألا يتجاوز معدل التسرب ١٠٠ باسكال متر مكعب/دقيقة.
7- فحص إحكام قناة تدفق اللوحة الباردة بنسبة 100%
مطلوب لقناة تدفق الصفيحة الباردة. معايير فحص العينات:
الضغط 0.3 ميجا باسكال، استمر لمدة 60 ثانية، اختبر لمدة 60 ثانية، معدل التسرب <2×10⁻⁶ باسكال متر مكعب/ثانية؛
أو اختبار تسرب الضغط التفاضلي: ضغط الهواء 0.3 ميجا باسكال، استمر لمدة 60 ثانية، اختبر لمدة 60 ثانية، معدل التسرب ≤60 باسكال.
8- عزم دوران التثبيت: عزم دوران تدمير المثبتات الملولبة (M5، M6، M10)
≥9.7 نيوتن متر، 17 نيوتن متر، 66 نيوتن متر على التوالي.
9- مواصفات صامولة القفل
تم اعتماد صواميل قفل من نوع رأس المقبس السداسي، وهي مصنوعة من الفولاذ الكربوني.
طلاء من الزنك والنيكل، درجة قوة 8.8. يجب أن تجتاز الصواميل اختبار رذاذ الملح.
الاختبار: لم يظهر صدأ أبيض بعد 144 ساعة، ولم يظهر صدأ أحمر بعد 720 ساعة.
١٠- دقة اللحام وعمليته: لضمان دقة المكونات، تُستخدم قوالب اللحام عند الضرورة لضمان دقة التجميع. يُعتمد لحام الاحتكاك التحريكي لوصل اللوح السفلي ولحام الرأس الأمامي/الخلفي؛ ويجب أن يكون اللحام الكلي متينًا وخاليًا من العيوب، ويجب تسوية مناطق اللحام الجزئية بعد اللحام.
11، قوة اللحام. قوة لحام الاحتكاك ≥75% من قوة المعدن الأساسي (GB/T 34630.4)؛ قوة لحام القوس الكهربائي ≥65% من قوة المعدن الأساسي (GB/T 19869.2).
12- نظافة اللوحة الباردة الداخلية. إجمالي كتلة المواد الغريبة ≤30 ملغ؛ جزيئات صلبة (مثل الرمل) بقطر ≤1 مم، لا توجد جزيئات معدنية؛
جزيئات ناعمة بقطر ≤2×1 مم؛ تنظيف بالموجات فوق الصوتية لمدة ≥18 دقيقة (فلتر 200 شبكة)، شطف لمدة 3 دقائق.
13. متطلبات المظهر: يجب أن يكون السطح أملسًا بدون نتوءات أو زوائد أو تناثر لحام أو مسامية أو نقص في الانصهار أو خدوش واضحة، وما إلى ذلك، مع خشونة سطح Ra3.2؛ لا يُسمح بوجود أي بقايا ألومنيوم في الثقوب الملولبة؛ يجب إزالة المعدن المتناثر أو الملوثات الأخرى على اللحامات والأجزاء المجاورة بالطرق الميكانيكية ومسحها جيدًا بمذيب عضوي.
15- متطلبات التعبئة والتغليف. يجب تغليف المنتج بإحكام مع اتخاذ تدابير مقاومة للرطوبة والتآكل.
16. العمر الافتراضي. يجب أن يكون العمر الافتراضي للمنتج أكثر من 5-8 سنوات.
لأي استشارة فنية أو طلب تخصيص عينة، يُرجى مراسلتنا عبر البريد الإلكتروني. سنتعامل مع طلبك على الفور، وسنبذل قصارى جهدنا لمساعدتك حتى لو كنت تحتاج إلى عينة واحدة فقط.
بريدنا الإلكتروني: king@kenfatech.com
