الملخص : تتميز تقنية التبريد المباشر (لوحة التبريد للبطارية) لحزم بطاريات الطاقة بمزايا عديدة، منها كفاءة التبريد العالية، والتصميم المدمج للنظام، وانعدام مخاطر حدوث دوائر قصر خفية، ولذا فهي تحظى باهتمام متزايد. مع ذلك، فإن تعقيد هذه التقنية يفرض تحديات جديدة على المحاكاة، بما في ذلك عمليات تغير الطور المكثفة داخل حزمة البطارية، وفروق درجات الحرارة الكبيرة بين خلايا البطارية، والتكامل العالي مع استراتيجيات التحكم في أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء. ستقدم هذه المقالة طريقة محاكاة باستخدام برنامج GT-SUITE في التبريد المباشر لحزم البطاريات. تُوازن هذه الطريقة بين دقة المحاكاة وسرعة الحساب، وهي مناسبة لمحاكاة الحالات العابرة طويلة الأمد.
يتراوح النطاق الأمثل لدرجة الحرارة لبطاريات الليثيوم المستخدمة في المركبات الكهربائية بين 20 و30 درجة مئوية. تُسرّع درجات الحرارة المرتفعة (فوق 45 درجة مئوية) من شيخوخة البطارية وتزيد من خطر حدوث مشاكل في السلامة الحرارية. من ناحية أخرى، تُحدّ درجات الحرارة المنخفضة (أقل من 0 درجة مئوية) من أداء شحن وتفريغ حزمة البطارية، وتزيد من خطر طلاء الليثيوم. لذلك، تُعد الإدارة الحرارية لحزمة البطارية أمرًا بالغ الأهمية.
يُعدّ الجمع بين نظام تكييف الهواء بمضخة حرارية ونظام تبريد سائل لحزمة البطارية الحل الأمثل لإدارة الحرارة في المركبات الكهربائية. توفر تقنية التبريد السائل ميزة التبريد السريع، إلا أن إعادة تدوير سائل التبريد في النظام تؤدي إلى زيادة عدد المكونات وارتفاع التكاليف، فضلاً عن خطر التسرب. لهذا السبب، تكتسب تقنية التبريد المباشر اهتماماً متزايداً. إذ تُغني هذه التقنية عن الحاجة إلى إعادة تدوير سائل التبريد، وذلك باستخدام انتقال الحرارة بالغليان بدلاً من التبادل الحراري أحادي الطور مع سائل التبريد. وتتميز بكفاءة تبريد عالية، وتتطلب عدداً أقل من المكونات، مما يُقلل بشكل فعال من الوزن الإجمالي للمركبة، ويُحسّن من كفاءة استهلاك الطاقة والتكلفة. مع ذلك، تتطلب تقنية التبريد المباشر نظام تحكم أكثر تعقيداً.
فيما يتعلق بالمحاكاة، تُطرح تقنية التبريد المباشر تحديات جديدة. تتمحور هذه التحديات بشكل رئيسي حول ثلاثة جوانب: عمليات تغيير الطور المكثفة داخل حزمة البطارية، والاختلافات الكبيرة في درجات الحرارة داخل خلايا البطارية (التي تتطلب نماذج عالية الدقة)، والحاجة إلى تكامل عالي مع استراتيجيات التحكم في أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء. تُقدم هذه المقالة طريقة محاكاة GT-SUITE في التبريد المباشر لحزم البطاريات. تُوازن هذه الطريقة بين دقة البطارية وسرعتها الحسابية، مما يجعلها مناسبة لعمليات المحاكاة العابرة طويلة المدى.
هناك ثلاث طرق رئيسية لمحاكاة مجموعات البطاريات المبردة مباشرة.
طريقة ديناميكا الموائع الحسابية ثلاثية الأبعاد
توفر نماذج محاكاة ديناميكا الموائع الحسابية دقة عالية، ويمكنها محاكاة توزيع المعاملات داخل حزمة البطارية بفعالية. ومع ذلك، نظرًا لعمليات تغير الطور المكثفة التي تحدث داخل حزمة البطارية، يُصبح التقارب صعبًا. إضافةً إلى ذلك، غالبًا ما تؤدي التكلفة الحسابية العالية لمحاكاة ديناميكا الموائع الحسابية إلى نهج مبسط، حيث لا تُنمذجة دائرة التبريد بشكل صريح، وتُحدد حدود حزمة البطارية فقط. للأسف، في كثير من الحالات، يصعب الحصول على شروط حدودية دقيقة لحزمة البطارية. علاوةً على ذلك، تتكامل تقنية التبريد المباشر بشكل وثيق مع نظام التدفئة والتهوية وتكييف الهواء واستراتيجيات التحكم (مثل الضواغط وصمامات التمدد الإلكترونية)، والتي لا يمكن لمحاكاة ديناميكا الموائع الحسابية التقاطها بدقة. على الرغم من أن مناهج الاقتران أحادية أو ثلاثية الأبعاد يمكنها معالجة مشكلات التقارب في محاكاة ديناميكا الموائع الحسابية المستقلة، إلا أنها مكلفة حسابيًا وغير عملية في معظم التطبيقات.
طريقة محاكاة النظام - يتم تقسيم الخلية إلى عدة عقد ساخنة
استجابةً للصعوبات التي تواجهها عمليات محاكاة ديناميكا الموائع الحسابية (CFD) في محاكاة تقنية التبريد المباشر، وخاصةً التحديات المتعلقة بالتكامل العالي مع استراتيجيات التحكم في أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء، تبنى العديد من الباحثين والمهندسين محاكاة النظام. ونظرًا للاختلافات الكبيرة في درجات الحرارة داخل خلايا البطاريات في التبريد المباشر، فإن التعامل مع كل خلية على أنها عقدة حرارية واحدة غير كافٍ. لذلك، غالبًا ما تُقسّم خلايا البطاريات في عمليات محاكاة النظام إلى عقد حرارية متعددة لمراعاة الاختلافات التقريبية في درجات الحرارة الداخلية. يوفر هذا النهج سرعة في الحساب، ويُمكّن من التكامل مع استراتيجيات التحكم في أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء، ولكنه يُحافظ على دقة نموذج منخفضة نسبيًا.
طريقة محاكاة النظام - يتم تقسيم الخلية إلى عناصر محدودة
لتحسين دقة النموذج أثناء دمج استراتيجيات التحكم وتكييف الهواء، يمكن لبرنامج GT-SUITE تقسيم الخلية إلى عناصر محدودة، كما هو موضح أدناه، مع تقسيم كل خلية إلى 960 شبكة (يرتبط عدد الشبكات بحجم الشبكة).
درجة حرارة الخلية عند نسب شحن مختلفة
استُخدم نموذج حزمة بطارية بحدود مُحددة (غير مُدمج مع نظام التدفئة والتهوية وتكييف الهواء). كانت درجة الحرارة المحيطة 43 درجة مئوية، ومعدل تدفق المُبرِّد 0.05 كجم/ثانية، وجفاف المدخل 0.3، وضغط المخرج 3 بار. شُحنت البطارية عند درجة حرارة 1/2/3 مئوية، وتراوحت نافذة شحن SOC بين 0.3 و0.8. توضح الأشكال التالية أنماط درجة حرارة المونومر الموجود في منتصف الوحدة عند نسب شحن مختلفة، على التوالي.
نموذج حزمة البطارية مُدمج مع نظام التدفئة والتهوية وتكييف الهواء. تم ضبط فتحة صمام التمدد الإلكتروني في مقدمة حزمة البطارية بواسطة PI، ودُرِسَ تأثير اختلاف درجات الحرارة المُستهدفة (1/2/3 درجة مئوية) عند مخرج حزمة البطارية على النتائج.
درجة الحرارة المحيطة هي 43 درجة مئوية، وسرعة الرياح الداخلة للمكثف هي 5 متر/ثانية ودرجة حرارة الهواء الداخل هي 43 درجة مئوية، ويتم تفريغ البطارية عند 1 درجة مئوية. استراتيجية التحكم في هذا المثال بسيطة للغاية (على سبيل المثال فقط)، أي أن الضاغط يتحكم في درجة حرارة الهواء المستهدفة للمبخر بواسطة PI إلى 3 درجات مئوية، عندما يكون ضغط الضغط العالي أكبر من 25 بار، قلل سرعة الضاغط إلى 1000 دورة في الدقيقة، ثم أخرج قيمة خرج وحدة التحكم PI بعد 30 ثانية. يوضح الشكل التالي سرعة الضاغط عند ارتفاع درجة حرارة مستهدفة مختلفة عند مخرج حزمة البطارية. يمكن ملاحظة من الشكل أن الضاغط يتحول بشكل متكرر. كلما زادت درجة الحرارة المستهدفة، قل التدفق عبر حزمة البطارية، مما يؤدي إلى ارتفاع الضغط في نظام تكييف الهواء، والذي بدوره يؤدي إلى تشغيل مفتاح الضغط باستمرار.
باختصار، يتطلب تبديد حرارة حزمة البطاريات عادةً إجراء تحليل محاكاة لمعرفة توزيع درجة الحرارة داخلها، وذلك لتحسين التصميم. بالطبع، لا يُعد أي تحليل كافيًا، بل هو مجرد دليل إرشادي للتصميم. لأي استفسارات تتعلق بإدارة الحرارة، يُرجى التواصل معنا. شركة كينفا تك متخصصة في تصميم وإنتاج مشتتات الحرارة وألواح التبريد السائل.
