كيف تعمل أنظمة تبريد بطاريات السيارات الكهربائية؟
تعتمد السيارات الكهربائية الحديثة على تقنيات متطورة لإدارة حرارة البطاريات أثناء القيادة والشحن السريع، مما يضمن كفاءة التشغيل ويطيل العمر الافتراضي.
رضوان عبدالهاديمحرر وكاتب تقني
أهمية أنظمة الإدارة الحرارية في السيارات الكهربائية
تتطلب السيارات الكهربائية بطاريات ضخمة قادرة على توفير مسافات قيادة طويلة والشحن السريع، ولكن بشرط الحفاظ على درجات حرارة منخفضة نسبياً أثناء الأحمال العالية. عندما يتوجه السائق إلى محطة شحن سريع في صباح بارد دون إخطار سيارته المسبق، قد يلاحظ أن عملية الشحن تتم ببطء شديد. لتجنب ذلك، تعتمد العديد من السيارات الكهربائية على نظام الملاحة لتجهيز البطارية مسبقاً خلال الرحلة.
تشير الإرشادات الفنية في سيارات مثل تسلا إلى ضرورة ضبط وجهة الشحن قبل الوصول بمدة تتراوح بين 30 إلى 45 دقيقة، بينما تحذر بورش من انخفاض قدرة الشحن إذا تم تخطي هذه الخطوة. تأتي هذه الإجراءات كجزء أساسي من نظام الإدارة الحرارية للبطارية في السيارات الحديثة، والذي يتضمن دورة تبريد تضخ سائل التبريد عبر أنابيب أو صفائح معدنية لتجميع الحرارة ونقلها إلى المبرد أو نظام تكييف الهواء.
تأثير درجات الحرارة والشحن السريع على صحة البطاريات
أجرت شركة إدارة الأساطيل Geotab دراسة شملت tracked more than 22,700 EVs، وتبين من خلالها أن البطاريات تفقد في المتوسط نحو 2.3 بالمئة من كفاءتها سنوياً. وتفقد السيارات في المناخات الحارة نسبة أعلى بنحو 0.4 نقطة مئوية مقارنة بنظيراتها في المناخات المعتدلة، في حين سجلت السيارات التي تعتمد بانتظام على الشحن السريع بقدرة تزيد عن 100 كيلوواط معدل فقدان سنوي بلغ 3 بالمئة مقابل 1.5 بالمئة للسيارات التي نادراً ما تستخدمه.
بهذا المعدل المتوسط، تظل البطارية محتفظة بنحو 77 بالمئة من قدرتها بعد مرور عقد كامل، وهو ما يتوافق مع الأبحاث الحديثة التي تشير إلى أن EV batteries can last much longer than experts first predicted. وعند تطبيق الشحن السريع الذي يضخ تيارات تصل إلى 300 أمبير أو أكثر، تتولد كميات هائلة من الحرارة المهدرة التي يجب تبديدها بكفاءة عالية.
أوضحت مراجعة نشرت في مجلة Energies أن وجود اختلاف في درجات الحرارة يزيد عن 5 درجات مئوية عبر الخلية الواحدة يمكن أن يسرع من شيخوختها بنسبة 25 بالمئة. لذلك، فإن وجود نظام تبريد ممتاز يعد أمراً بالغ الأهمية للحفاظ على توازن وتنظيم حزمة البطارية بأكملها.
تحديات الشحن في الأجواء الباردة وظاهرة الطلاء بالليثيوم
ترتفع المقاومة الداخلية للبطارية عندما تنخفض درجات حرارتها، وقد يؤدي شحنها سريعاً في هذه الظروف إلى حدوث ما يُعرف بظاهرة الطلاء بالليثيوم، وهي تراكم لمعدن الليثيوم على أقطاب الخلايا والذي يزداد سوءاً مع انخفاض الحرارة. وقد أظهرت دراسة أجرتها منصة Recurrent وشملت أكثر من 30 ألف سيارة كهربائية في الولايات المتحدة، أن البطاريات تحتفظ في المتوسط بنحو 78 بالمئة من مداها المثالي في درجات التجمد، وينخفض هذا الرقم إلى نحو 70 بالمئة عند درجة حرارة -7 مئوية.
تعتبر تدفئة مقصورة القيادة مسؤولة عن استهلاك نحو ثلثي الطاقة الإضافية التي تستهلكها السيارة الكهربائية في الأجواء الباردة. ولطالما شكلت درجات الحرارة تحدياً تاريخياً، حيث اعتمد الجيل الأول من سيارة نيسان ليف المصنعة عام 2010 على التبريد الهوائي السلبي לחزمة بطارياتها ذات السعة 24 كيلوواط ساعي، بينما استخدمت شركات مثل تسلا وجنرال موتورز وفورد أنظمة سائلية متقدمة.
تطور تقنيات التبريد من الهواء إلى السوائل والغمر بالزيت
أجرى مالكو سيارات نيسان ليف من طدادي 2011 و2012 اختبارات في مدينة فينيكس أظهرت خسائر في مدى القيادة، وهي مشكلة قالت نيسان إنها أثرت على أقل من 0.3 بالمئة من الطرازات الأمريكية، وفقاً لما ورد في تقرير صادر عن MIT Technology Review في عام 2012. وفي النهاية، تحولت نيسان مع إطلاق الجيل الثالث من سيارة third-generation Leaf Nissan unveiled إلى استخدام بطارية بسعة 75 كيلوواط ساعي مبردة بالسوائل.
تتمثل الميزة الرئيسية للتبريد السائلي في أنه يتطلب طاقة أقل بنحو مرتين إلى ثلاث مرات مقارنة بالهواء للحفاظ على استقرار درجة حرارة الحزمة، ولهذا السبب تعتمد معظم السيارات الكهربائية الحديثة عليه. في المقابل، قرر مهندسو بي إم دبليو في طراز i3 تخطي دورة سائل التبريد تماماً والاعتماد على توجيه غاز التبريد من مكيف الهواء مباشرة إلى البطارية.
ذهبت شركة ماكلارين البريطانية أبعد من ذلك في سيارتها Speedtail عبر غمر جميع خلايا البطارية في زيت معزول كهربائياً، وهي خطوة وصفتها الشركة بأنها الأولى من نوعها لسيارة إنتاج موجهة للطرق العامة. وأشارت المحاكاة الواردة في مراجعة مجلة Energies إلى أن التبريد بالغمر يمكنه نقل الحرارة بكفاءة تفوق صفائح التبريد بثلاثة أضعاف.
ابتكارات الشركات في صمامات تدفق الحرارة ومضخات الحرارة
ترتبط دورة سائل التبريد في البطارية عادة بمبرد مخصص للأحمال الخفيفة، وعبر مبادل حراري بنظام تكييف الهواء للتعامل مع الأحمال الثقيلة مثل الشحن السريع. على سبيل المثال، يتبادل نظام الإدارة الحرارية لدى نيسان بين هذين النمطين ويوجه الحرارة الناتجة من الشاحن إلى البطارية أثناء الشحن المنزلي، وهي ميزة يستخدمها الطراز الأحدث لتدفئة البطارية.
وفي سيارة تسلا موديل واي، يتم استخدام صمام يحمل لقب Octovalve لتحريك سائل التبريد بين المحركات والبطارية والمكونات الإلكترونية، كما تبين من خلال تفكيك هندسي وثقه Jalopnik. كما تستكشف تسلا براءة اختراع لتشغيل محرك الدفع بكفاءة أقل عمداً، بحيث يُستفاد من حرارته المهدرة لتدفئة البطارية.
من جانبها، توضح شركة جنرال موتورز أن مضخة الحرارة Ultium الخاصة بها تجمع الحرارة المهدرة من البطارية والإلكترونيات وحتى أجسام الركاب لتدفئة المقصورة، مما يضيف نحو 10 بالمئة إضافية إلى مدى القيادة. ومع فرض تشريعات جديدة في الصين تلزم السيارات الكهربائية بعدم الاشتعال أو الانفجار عند دخول خلية في حالة الهروب الحراري، تصبح كفاءة العزل والتبريد عنصراً حاسماً لمنع انتشار الحرارة بين الخلايا.
المصادر
- EngadgetWhat kind of cooling system do EV batteries use and how does it work?
تابع التسلسل الزمني
أخبار مرتبطة
إلى أي مدى تقترب تسلا وسباقيسكس من الاندماج المرتقب؟
كشفت شركتا تسلا وسباقيسكس عن تشكيل لجان خاصة لبحث اندماج محتمل بين الكيانين العملاقين، وسط تأكيدات من إيلون ماسك أن الاتفاق ليس مضموناً.
ترامب يعلن روبوتات المصانع المستوردة تهديداً للأمن القومي
أصدر الرئيس الأمريكي دونالد ترامب إعلاناً رئاسياً يعتبر واردات الروبوتات الصناعية الأجنبية تهديداً للأمن القومي، مع التلويح بفرض رسوم جمركية جديدة.
أوبن إيه آي تبني روبوتاً بشرياً: التحدي الحقيقي هو الدماغ
تؤكد أوبن إيه آي أنها ستطوّر روبوتاً بشرياً، لكن سام ألتمان يرى أن بناء 'الدماغ' الاصطناعي هو التحدي الأبرز مقارنة بتصميم الهيكل الميكانيكي.
مقارنة eSIM بالبطاقة التقليدية: المزايا والقيود
توضح Engadget الفروقات الجوهرية بين eSIM والبطاقة التقليدية، من سهولة التنقل والسفر إلى تحديات التوافق وتغيير الشبكة، لتساعدك على اختيار الخيار الأنسب لجهازك.
