سیستم خنک کننده باتری خودرو: در سال های اخیر یکی از مشکلات اصلی در تولید انبوه خودرو های الکتریکی وجود یک منبع انرژی قدرتمند و مقرون به صرفه بوده است. هرچند باتری های لیتیوم-یون، در بین گزینه های دیگر با توجه به قیمت تمام شده پایین تر، طول عمر بالاتر و چگالی انرژی بیشتر، مورد توجه و استفاده بیشتری قرار گرفتهاند.
اما مشکلات گرمایی مربوط به این باتریها استفاده از آنها را برای مصارف بالای انرژی با محدودیت روبرو کرده است. از آنجا که یک سلول از این باتریها به تنهایی انرژی زیادی فراهم نمی کند، برای مصارف بالای انرژی، مانند خودروهای الکتریکی، تعداد بسیار زیادی از این سلولها را باید به صورت سری و موازی در کنار هم قرار داد تا انرژی مورد نیاز برای حرکت خودرو را فراهم کنند.
افزایش دمای ناشی از واکنش های الکترو شیمیایی و عبور الکترون ها در این سلولها به هنگام تخلیه و قرار گرفتن تعداد زیادی از آنها در کنار هم در یک مجموعه، افزایش دمای شدید کل مجموعه باتری را در پی خواهد داشت. این افزایش دما اگر کنترل نشود کوتاه شدن طول عمر، کاهش ظرفیت و حتی در موارد شدیدتر، انفجار باتری را موجب خواهد شد.
هرچند در حال حاضر باتری های لیتیوم-یون به طور گسترده برای مصارف پایین انرژی مثل لپ تاپ و گوشیهای تلفن همراه مورد استفاده قرار میگیرند. اما برای استفادۀ تجاری از آن ها به منظور مصارف بالای انرژی باید مشکلات گرمایی مربوطه را برطرف نمود. چرا که افزایش دما در سلول ها، به شدت عملکرد مجموعه باتری را تحت تاثیر قرار میدهد.
با توجه به ساختار شیمیایی و مواد تشکیل دهنده باتریهای لیتیوم یون در یک بازه دمایی 20 تا 35 درجه بهترین کارایی را از خود نشان میدهند. افزایش دمای باتری بیشتر از این مقدار علاوه بر ملاحظات ایمنی،طول عمر باتری را کاهش داده. در نتیجه هزینه استفاده از آنها را به شدت بالا خواهد برد. مشکل دیگری که در این راستا به وجود می آید، آن است که برای تامین مصارف بالای انرژی تعداد زیادی از این سلولها باید به صورت سری یا موازی کنار هم و در یک مجموعه قرار بگیرند. توزیع دمای به وجود آمده در این مجموعه باعث میشود که سلولهای مختلف داخل مجموعه، دماهای متفاوتی را تجربه کنند. در نتیجه، ولتاژ خروجی از هر سلول متناسب با دمای آن؛ و متفاوت از سایر سلولها خواهد بود.
این امر باعث افت ولتاژ خروجی کل مجموعه و کاهش طول عمر سلول خواهد شد. با توجه به مشکلات ذکر شده، استفاده از یک سیستم مدیریت حرارتی برای کنترل دمای عملیاتی باتری الزامی خواهد بود. چنین سیستمی باید بتواند علاوه بر کاهش دمای کل مجموعه، توزیع دمای یکنواخت و یکسانی داخل سلولهای مختلف ایجاد کند. سیستم مدیریت حرارتی هوا خنک، آب خنک، لوله حرارتی، صفحه سرد، ترم الکتریک و مواد تغییر فاز دهنده از جمله استراتژیهای رایج در زمینه خنک کاری باتری است.
با فراگیر شدن صنعت تکنولوژی خودرو های هیبریدی همچنین با رشد استفاده از این نوع خودرو ها در دنیا، بسیاری از کارخانهها و شرکتها در رقابت بر سر پیشرفت و بالا بردن بهره وری از اجزای این خودروها هستند. یکی از مهم ترین اجزای این خودرو ها باتری و خنک کاری باتری خودروهای برقی و هیبریدی است که نقش اصلی را در خودروهای برقی و نقش مکمل را در خودروهای هیبرید ایفا میکند.
باتریهای لیتیوم یون، در بین گزینههای دیگر با توجه به قیمت تمام شده پایین تر، طول عمر بالاتر و چگالی انرژی زیاد، مورد توجه و استفادۀ بیشتری قرار گرفته اند. اما مشکلات گرمایی مربوط به این باتریها، استفاده از آنها را برای مصارف بالای انرژی با محدودیتهایی روبرو کرده است. از این رو، خنک کاری و مراقبت از این جز اصلی از اهمیت ویژهای برخوردار است.
انواع روش های سیستم خنک کننده باتری خودرو
سه روش معمول مدیریت دمای باتری برای خنک کاری باتری خودروهای برقی و هیبریدی که امروزه استفاده میشود از قرار زیر است:
- خنک کاری توسط سیستم هوا خنک به صورت اجباری یا آزاد
- خنک کاری به وسیله شناور سازی باتری در روغن دی الکتریک
- خنک کاری با کمک سیکل تبرید
سیستم هوا خنک در مواردی که بازده ای بالایی نیاز داریم مناسب نیست، زیرا مقدار زیادی توان نیاز دارد و کارایی آن به شدت از عامل های گوناگونی از جمله دمای هوای محیط تاثیر پذیر است. بنابراین سیستم خنک کاری هوا خنک به تنهایی کارایی ندارد و معمولا به صورت کوپل با سیستم خنک کاری دیگری مورد استفاده قرار میگیرد.
خنک کاری با استفاده از روغن دی الکتریک به نسبت کارایی مناسب تری دارد؛ اما به علت گران بودن بعضی از روغنهای دی الکتریک، هزینه اولیه این نوع سیستم خنک کننده باتری خودرو زیاد است.
خنک کاری با سیکل تبرید با استفاده از مبرد مجاز نیز کارایی بالایی دارد اما با توجه به داشتن تجهیزات بیشتری نظیر پمپ و کمپرسور، هزینه بالایی دارد و همچنان مشکل نامناسب بودن گرادیان دفع حرارت در این روش نیز وجود دارد.
برای جمع بندی داریم: سیستم مدیریت حرارتی بر پایه مواد تغییر فاز دهنده نسبت به سایر مواد از مزایای بیشتری برخوردار است. با توجه به راحت بودن استفاده از سیستم مدیریت حرارتی آب خنک در خودرو، استفاده جداگانه از این سیستم به صرفه نیست. سیستم هوا خنک راندمان کمی دارد و در سیستم سیکل تبریدی سیال خنک کن عمر کوتاهی دارد.
لذا استفاده همزمان از این سیستم ها با هم به صورت هیبرید منطقیتر است. برای مثال سیستم مدیریت حرارتی هوا خنک و مواد تغییر فاز دهنده یا سیستم سیال خنک با ترموالکتریک، از استراتژی های مرسوم در سیستم مدیریت حرارتی مجموعه باتری خودروی هیبریدی است. در ادامه نقاط قوت و ضعف هر یک از این روشهای خنک کاری باتری در قالب یک نمودار نشان داده است.
سیستم خنک کاری Tab & Surface
ارائه گرادیان مناسب دفع حرارت در یک سیستم خنک کننده باتری خودرو امری ضروریست و در عمر و کارایی باتری تاثیر زیادی دارد. در واقع حرارت بوجود آمده در باتری باید به صورت یکنواخت دفع شود و اختلاف دمای زیادی بین قسمت های مختلف باتری بوجود نیاید. زیرا باعث کاهش عمر و همچنین کارایی باتری میشود.
در سیستم های Surface معمولا از ورقهایی همراه با لوله هایی که مبرد در آنها جریان دارد و بین ماژولهای باتری قرار میگیرد، استفاده می شود. باعث میشود قسمتی از باتری همیشه گرم بماند و به مرور عمر باتری باتری کاهش یابد. اما در روش Tab گرما از ترمینالهای ماژول باتری دفع میشود و گرادیان دمایی بهتری در باتری بوجود میآورد.
اما استفاده از این روش هنوز گسترش نیافته است، برای مثال BMW i3 و Chevy Bolt از صفحه خنککن تحتانی استفاده میکنند. برای BMW از مبرد و برای Chevy از آب گلیکول استفاده میشود. در Tesla S نیز آب گلیکول در درون لولههایی با ضریب انتقال حرارت مناسب که بین ماژول های باتری پیچیده شده است جریان دارد و نقش مبرد را ایفا کرده و باتری را خنک میکند. اما باز هم یک طرف باتری که با لولههای حاوی مبرد فاصله دارد، گرم باقی میماند و باعث فوق گرم شدن باتری در رانندگیهای طولانی میشود.
بلوک دیاگرام های سیستم خنک کاری
BTMS به معنای سیستم مدیریت دمای باتری (Battery Thermal Management System) خود زیر مجموعه ای از BMS به معنای سیستم مدیریت باتری است. در اکثر خودروها BTMS به صورت مجزا وجود ندارد و سیستم خنک کننده باتری خودرو توسط BMS کنترل میشود. در شکل زیر نیز نشان داده شده است چگونه BMS سیگنالهای کنترلی را به پمپها و فنها و دیگر عملگرهای مربوط به سیستم مدیریت دمای باتری ارسال میکند.
در بلوک دیاگرام زیر دو بلوک کنترلی BTMS و A/C System داریم که هر کدام از آنها ورودیهای مختص خود را دریافت میکنند. این ورودیها برای BTMS دمای مورد نظر، دمای مبرد و دمای سلولهای باتری و برای A/C System دمای مبرد در ورودی پک باتری، دما و فشار کولر و دمای مورد نظر هوای خنک کن هستند. سپس با تحلیل این ورودیها و برای رسیدن به خروجی مطلوب، از مبدلهای حرارتی، پمپها، اواپراتور، شیر انبساط و کمپرسور استفاده میشود. سپس باتری را خنک کرده و دمای مطلوب کابین را نیز تامین میکند.
شکل زیر مربوط به مدل ساده شده سیستم خنک کننده باتری خودرو برقی است. در این سیستم یک شیر چهار راهه داریم که با دستور BTMS و با توجه به بار وارد به باتری و دمای لحظه ای آن یکی از سه حالت A,B,C را برای سیکل خنک کاری انتخاب میکند. در حالت A سیکل خنک کاری خاصی مورد استفاده قرار نمیگیرد. در زمانی که باتری خنک کاری لازم ندارد استفاده میشود. در حالت B از یک چیلر که خود از شیر انبساط مربوط به سیستم تهویه مطبوع اتاق کمک میگیرد استفاده میکند. در حالت C به صورت کوپل از سیکل تهویه کابین با استفاده از یک رادیاتور بهره گرفته میشود.
استاندارد های سیستم خنک کننده باتری خودرو های برقی و هیبریدی
با توجه به گسترش استفاده از خودروهای برقی و هیبریدی مجهز به باتری های لیتیوم یونی، ایمنی، هزینههای مربوطه و عمر و عملکرد این باتریها نیز بیشتر مورد توجه قرار گرفته است. همچنین استفاده از سیستم خنک کننده باتری خودرو مناسب و توزیع دمای یکنواخت در ماژول باتری نیز از اهمیت زیادی برخوردار شده است.
با توجه به اینکه باتری در شرایط مختلف از جمله شارژ و شارژ تحت بار حرارتی مختلفی قرار میگیرد. بعلاوه عمر، عملکرد و بازده باتری به شدت از دمای آن تاثیر میپذیرد. بنابراین سیستم مدیریت دمای باتری (BTMS) مناسبی لازم است تا باتری در شرایط عملکردی ایده آل خود باقی بماند. همچنین BTMS وظیفه کنترل عملکرد تمام سنسورها و پمپهای سیستم خنک کاری و همچنین کنترل وضعیت سلامتی شارژر و سیم کشیها را نیز به عهده دارد.
برای عملکرد و ایمنی بهتر و ارائه یک چارچوب مشترک مناسب و همچنین مقایسه و ارزیابی BTMS های مختلف، استانداردهایی ارایه شده است. برای مثال BTMS باید وزن کمی داشته باشد، به خوبی بسته بندی شده باشد، قابل اعتماد باشد، به آسانی مونتاژ شود و در جای مناسب قرار گرفته باشد.
برای اطمینان از اینکه کیفیت سیستم مدیریت حرارتی باتری در تمام طول عمر باتری حفظ میشود برخی از جنبههای کیفیت باید مورد نظارت و بررسی قرار گیرد. بنابراین برای به دست آوردن بهترین عملکرد؛ پیروی از یک استاندارد از آغاز زندگی باتری (Bol) تا پایان عمر باتری (Eol) امری ضروریست.
عوامل قابل توجه و مهم در ساخت یک باتری که سیستم خنک کننده باتری خودرو نیز دارد، از این قرار است: مقاومت الکترولیت، سطح الکترولیت، نشت، جلوگیری از خوردگی، قطعات و پوشش دهنده باتری. همچنین در هیچ شرایطی نباید اتصال کوتاهی در باتری وجود داشته باشد، باتری به هیچ وجه نباید در معرض آتش یا گرما قرار بگیرد. حتی پیشنهاد میشود در زیر نور مستقیم خورشید شارژ نشود.
عالی بود. ممنونم
محمد عزیز خوشحالیم که این مطلب برای شما مفید واقع شده است.