حساب کاربری

یا

حداقل 8 کاراکتر

انواع روش های سیستم خنک کننده باتری خودرو + استاندارد های آن

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.

باتری خودرو Audi

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:

  1. خنک کاری توسط سیستم هوا خنک به صورت اجباری یا آزاد
  2. خنک کاری به وسیله شناور سازی باتری در روغن دی الکتریک
  3. 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.

روش‌ های خنک کاری باتری

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.

انواع روش های خنک کاری

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.

گرادیان حرارتی tab & surface

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.

سیستم خنک کاری تسلا

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.

دیاگرام سیستم مدیریت انرژی باتری خودرو

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.

بلوک دیاگرام سیستم خنک کاری باتری

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.

سیستم خنک کاری یک خودرو برقی

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.

مفهوم کلی سیستم BTMS

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.

اشتراک گذاری :
دیدگاه کاربران
2 دیدگاه
  • محمد 3 اسفند 1401 / 5:16 ب.ظ

    عالی بود. ممنونم

    • اینرژی 6 اسفند 1401 / 9:48 ق.ظ

      محمد عزیز خوشحالیم که این مطلب برای شما مفید واقع شده است.

ارسال دیدگاه

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *


محصولات
مقالات