טכנולוגיית ניהול תרמי של סוללת ליתיום-יון

טכנולוגיית ניהול תרמי של סוללת ליתיום-יון

סוללות ליתיום-יון תופסות עמדה חשובה בשוק הסוללות והחשמל העולמי, כך שטכנולוגיית הניהול התרמי שלהן תמיד זכתה לתשומת לב רבה בתעשייה. טכנולוגיות אלו מתפתחות מקירור פשוט ללא אוויר לקירור מורכב, ולכל טכנולוגיה יש מאפיינים ואתגרים משלה. טכנולוגיות הקירור השונות מוצגות להלן בפירוט.

קירור אוויר.

ניתן לחלק את קירור האוויר לקירור טבעי פסיבי וקירור מאולץ אקטיבי. שתי השיטות משתמשות בזרימת אוויר כדי להסיר את החום שנוצר מהסוללה כדי להשיג קירור. יתרונותיו כוללים מבנה פשוט, עלות נמוכה, הגנה על הסביבה וללא זיהום.

קירור טבעי: זוהי טכנולוגיית קירור פסיבית שדורשת תכנון של תעלות אוויר לקירור בלבד. לדוגמה, המכונית החשמלית המוקדמת של ניסאן ליף השתמשה בשיטת קירור זו. עם זאת, שיטה זו מתקשה לענות על צורכי הקירור היעילים של סוללות כוח ועשויה להשפיע על חיי הסוללה.

קירור אוויר מאולץ: בהשוואה לקירור טבעי, טכנולוגיה זו מגבירה את זרימת האוויר ומשפרת את אפקט הקירור על ידי הוספת מאווררים וציוד אחר. אבל זה גם אומר רעש וצריכת אנרגיה מוגברת. בנוסף, על ידי התאמת צורת תעלת זרימת האוויר, ניתן לשפר עוד יותר את אפקט הקירור.

טכנולוגיית קירור נוזלי

קירור נוזלי משתמש בנוזל קירור לחילופי חום של הסוללה, לפיזור חום ביעילות ובמהירות. טכנולוגיה זו מחולקת לקירור נוזל ישיר וקירור נוזלי עקיף. בקירור נוזלי ישיר, נוזל הקירור נמצא במגע ישיר עם הסוללה, כגון קירור נוזל טבילה. קירור נוזלי עקיף משיג את אפקט הקירור באמצעות רכיבים ספציפיים, כגון לוחות קירור.

קירור נוזלי צלחת קירור

בהשוואה לקירור אוויר, טכנולוגיית קירור נוזלי לוחות קירור יעילה יותר, וצלחות קירור עשויות לרוב מאלומיניום או מסגסוגת אלומיניום, והעלות נמוכה יחסית. כיוון המחקר העיקרי הוא לייעל את מאפייני המבנה וזרימת הנוזלים של לוח הקירור כדי לפשט את תהליך הייצור ולשפר את יעילותו.

מחקרים אחרונים התמקדו בתכנון של תעלות נוזל קירור ובכיוון זרימת נוזל הקירור. לדוגמה, כמה מומחים תכננו סוג חדש של לוח קירור נוזלי המבוסס על ערוץ זרימת הסרפנטין. עיצוב חדש זה יכול לשפר מאוד את יעילות הקירור בתנאים מסוימים. כמה מומחים תכננו גם פלטת קירור של מבנה חלת דבש המבוססת על סוללות מרובעות. עיצוב זה משפר את אפקט פיזור החום על ידי הוספת ערוצי קירור. מחקרים אלה הצביעו כולם על כך שתכנון תעלות נוזל קירור סביר וכיוון הזרימה הם קריטיים לאחידות הטמפרטורה. בסך הכל, טכנולוגיית קירור נוזלי לוחות קירור היא די בוגרת ונמצאת בשימוש נרחב במגוון ציוד חשמלי.

בסך הכל, טכנולוגיית קירור נוזלי פלטה קרה יעילה מאוד עבור רוב תרחישי היישום. החומרים העיקריים שלו כגון נחושת ואלומיניום הם בעלי תכונות מוליכות תרמית טובות וחסכוניים במידה, מה שהופך אותם לאידיאליים לשימוש בכלי רכב חשמליים או ציוד אחר עם דרישות קירור גבוהות. ביישומים מעשיים, כדי להבטיח השפעות קירור איכותיות, יש צורך לתכנן תעלות קירור מתאימות ולבחור חומרים מתאימים בהתאם לסוג ומבנה הסוללה.

קירור נוזל טבילה

טכנולוגיית קירור נוזל טבילה מטבילה לחלוטין את הסוללה ושאר מרכיבי החום בנוזל הקירור. בהשוואה לקירור אוויר מסורתי, טכנולוגיה זו מפחיתה רעש וצריכת אנרגיה, וגם שולטת טוב יותר בטמפרטורה של הסוללה. למרות התוצאות המצוינות של טכנולוגיה זו, החיסרון העיקרי שלה הוא המשקל והנפח הגדולים יחסית של המערכת, המגבילים את היישום שלה בכלי רכב חשמליים. אבל עבור תחנות כוח קבועות לאחסון אנרגיה, הטכנולוגיה הזו היא אידיאלית.

קירור נוזלי טבילה משתמש בעיקר בשמן מבודד ובנוזל פלואור כנוזל קירור, אם כי העלות גבוהה יותר. עם זאת, מחקר הוכיח שטכנולוגיית קירור זו יכולה להבטיח שעליית הטמפרטורה הממוצעת של הסוללה לא תעלה על 5 מעלות, והפרש הטמפרטורה בין התאים הוא רק 2 מעלות. זה עוזר לשפר את חיי השירות והבטיחות של תחנות כוח לאגירת אנרגיה.

טכנולוגיית קירור חומרים לשינוי שלב

טכנולוגיית ניהול תרמי סוללה המבוססת על חומרי שינוי פאזה (PCM) היא שיטה חדשנית השומרת על הסוללה בטמפרטורה אופטימלית על ידי ניצול מאפייני אגירת החום ושחרור ה-PCM. היתרונות של גישה זו הם כמה: היא אינה דורשת אנרגיה נוספת, אין לה חלקים נעים, תחזוקה נמוכה, והיא עושה עבודה טובה בהבטחת טמפרטורת סוללה אחידה.

כיום, חומרי ה-PCM הנפוצים בניהול תרמי הם: חומרים אורגניים כגון פרפינים, אלקנים וחומצות אורגניות.

חומרים אנאורגניים כגון תמיסות מימיות, הידרטות מלח ומלחים מותכים.

חומרים אוקטיים

עם זאת, המוליכות התרמית של PCM עצמה אינה גבוהה, ולכן בדרך כלל מוסיפים חומרים אחרים כמו קצף נחושת, גרפיט מורחב וננו-חלקיקים כדי לשפר את המוליכות התרמית שלו. זה יכול גם לפתור כמה בעיות פיזיות של PCM, כגון בעיות נזילות לאחר שינוי שלב.

כדי להבין זאת בצורה אינטואיטיבית יותר, אנו יכולים להתייחס לכמה מחקרים עדכניים. לדוגמה, כמה מומחים יצרו חומר מרוכב לשינוי פאזה המורכב מחומצה לאורית ושעוות פרפין בשילוב עם גרפיט מורחב. חומר זה הפחית בהצלחה את הטמפרטורה המקסימלית של סוללה מסוימת ל-42.39 מעלות. מחקרים אחרים הראו גם שניתן לשפר עוד יותר את השפעת הקירור של PCM בשילוב עם שיטות קירור אחרות, כגון קירור אוויר.

טכנולוגיית קירור טרמו-אלקטרי

קירור טרמו-אלקטרי הוא טכנולוגיית קירור אקטיבית מתקדמת המבוססת על אפקט פלטייר. במילים פשוטות, כאשר זרם חשמלי עובר דרך חומר מסוים, הוא סופג חום מצד אחד ומשחרר אותו בצד השני, ויוצר אפקט קירור. היתרונות העיקריים של טכנולוגיה זו כוללים: ללא חומרי קירור, צריכת אנרגיה נמוכה, התנעה מהירה, יציבות טובה, רעש נמוך וללא חלקים נעים. אבל גם אתגרים ניכרים, כמו יעילות קירור נמוכה וקשיים בייצור מכשירים גדולים.

חוקרים ערכו מספר רב של ניסויים על מנת לייעל את היישום של טכנולוגיה זו במערכות ניהול תרמיות של סוללות. לדוגמה, כמה מומחים תכננו מערכת המשלבת לוחות קירור סיליקה כפולים עם רשת נחושת וקירור אוויר. הם גילו שעובי לוחית הקירור של סיליקה קשור לביצועי הטמפרטורה של הסוללה, ו-1.5 מ"מ נקבע כעובי האופטימלי. מחקר אחר שילב קירור תרמו-אלקטרי עם קירור נוזלי, וניסויים הראו ששילוב זה יכול לשפר ביעילות את אפקט הקירור.