توضیحات
پروژه شبیه سازی متلب مدیریت حرارتی و گرمایی باتری خودروی برقی(BEV)
باتری های لیتیوم یون، در بین گزینه های دیگر با توجه به قیمت تمام شده ی پایین تر، طول عمر بالاتر و چگالی انرژی زیاد مورد توجه و استفاده بیشتری قرار گرفته اند. اما مشکلات گرمایی مربوط به این باتری ها استفاده از آنها برای مصارف بالای انرژی را با محدودیت هایی روبرو کرده است. از این رو، خنک کاری و مراقبت از این جزء اصلی از اهمیت ویژه ای برخوردار است.
تاریخچه خودروهای برقی
اگرچه سال‌های زیادی از زمانی که توماس پارکر اولین خودروی الکتریکی را ساخت می‌گذرد، اما ایده اصلی ساخت خودروهای هیبریدی به طور جدی، از سال 1900 مطرح شد. در آن سا‌ل‌ها به دلایل متعددی خودروهای الکتریکی قابلیت تجاری‌شدن پیدا نکردند تا سرانجام حدود 7۰ سال بعد با تحولات صنعت خودروسازی، شرکت‌های خودروساز بسیاری به فکر طراحی و تولید خودروهای الکتریکی افتادند. در سال 1997 تویوتا نخستین خودروی هیبریدی خود را با نام پریوس روانه بازار خودرو کرد که با استقبال خوبی نیز مواجه شد. بعدها کمپانی‌هایی چون تسلا، نیسان، بی‌ام‌و، کیا موتورز، بنز و فورد نیز محصولات هیبرید و الکتریکی خود را روانه خیابان‌ها کردند و این‌گونه بود که عمر باتری ماشین الکتریکی و هیبریدی به بحث مهمی در بین تولیدکنندگان خودروهای برقی و هم‌چنین مالکین خودروهای الکتریکی بدل شد.
باتری خودرو برقی
باتری خودروهای برقی، با باتری‌های سربی-اسیدی که در خودروهای بنزینی استفاده می‌شوند بسیار متفاوت هستند و از لحاظ کارایی نیز، سطح انرژی بالا‌تری را تامین می‌کنند. بسته‌های باتری لیتیوم-یون به‌کار رفته در خودروهای برقی، مشابه آن چیزی است که سابق بر این در گوشی‌های موبایل و لپ‌تاپ‌ها مشاهده کرده‌ایم اما با ابعادی بزرگ‌تر! باتری خودروهای برقی از سری‌کردن سلولهای باتری جداگانه ساخته می‌شوند که براساس مدل، چند صد عدد از آنها به صورت سری با هم بسته می‌شوند و باتری خودرو ساخته میشود. نکته قابل توجه در مورد باتری خودروهای برقی این است که باتری خودرو برقی نسبت به سایر باتریها، در صورت عدم استفاده در زمانی مشخص، کمتر در معرض ازدست‌دادن شارژ قرار دارند؛ اما از طرف دیگر، برخلاف باتری موتورهای احتراق داخلی و خودروهای بنزینی، هنگام رانندگی با سرعت بالا یا مسیرمستقیم، زودتر تخلیه می‌شوند. هم‌چنین افزایش دما، بر طول عمر باتری خودروی برقی بسیار تاثیرگذار است.
طول عمر باتری خودروی برقی
طول عمر باتری ماشین الکتریکی، موضوع بسیار مهمی است که در حال حاضر به عنوان مزیت رقابتی محسوب میشود و به‌منظور جلب رضایت مشتریان توسط شرکت‌های خودروسازی مطرح شده است. به طور مثال در آمریکا، گارانتی خودروهای برقی به طور میانگین، حداقل 8 سال یا 160,000 کیلومتراست یا شرکت‌هایی مانند کیا، گارانتی 10ساله یا 160,000 کیلومتر را برای محصولات برقی و هیبرید خود در نظر گرفته‌اند. البته در میان این بازار، شرکت‌هایی مانند هیوندای هم هستند که با گارانتی مادام‌العمر خیال خریداران محصولات برقی خود را راحت کرده‌اند. بی ام و، نیسان، فولکس‌واگن، شورولت و تسلا نیز در صورت افت ظرفیت باتری بین 60 تا 70 درصد، تعویض آن را تضمین می‌کنند.
حرارت باتری خودروی برقی
یکی از مشکلات اساسی توسعه دهندگان خودروهای برقی مدیریت مؤثر حرارت تولید شده باتری ماشین در هنگام شارژ می باشد. بسته های باتری لیتیوم‌یون که تامین کننده برق خودروهای الکتریکی هستند، از سلول ها یا بلوک های کوچک به کار رفته در محصولات خانگی ساخته می شوند. سلول لیتیوم یون یک واحد ساده و کوچکی است که در حدود ۳/۶ ولت برق تولید کرده و ظرفیت الکتریکی اش در حدود ۳/۴ آمپرساعت می باشد. جهت افزایش ولتاژ کارکردی خودرو برقی به ۴۰۰ یا ۸۰۰ ولت، صدها سلول به صورت گروهی به یکدیگر متصل میگردند که این اتصال سبب چندبرابر شدن هم ولتاژ و هم ظرفیت میشود. نرخ C یا C-rate باتری است که برای راننده های خودروی برقی اهمیت زیادی دارد چرا که میزان شارژ و تخلیه آن را با توجه به ظرفیت مشخص میکند. هرچه نرخ C باتری در هنگام شارژ بیشتر باشد، زمان شارژ کوتاه تر می شود، اما محدودیت عمده گرمای ایجاد شده در اثر مقاومت داخلی زمان شارژ می باشد. اگر باتری تلفن یا برخی ابزارهای برقی را هنگام شارژ شدن لمس نمایید، داغ بودن آن را حس میکنید. باتری اتومبیل برقی از چند هصد تا چندین هزار سلول جداگانه در چند ماژول مختلف تشکیل شده، در نتیجه گرمای زیادی موقع شارژ تولید میگردد که رهایی از آن کار سختی است. برای رفع این مشکل، بسته های باتری لیتیوم یون خودرو برقی با آب یا آب و گلیکول خنک میشود. سپس مایع خنک کننده را مبدل حرارتی یا یخچال خنک می سازد اما انرژی گرمایی را برای کارهای دیگری همچون گرم کردن فضای داخل کابین خودرو می توان استفاده کرد. به طور مثال می توان به باتری خودرو آئودی E-tron اشاره کرد که در آن مایع خنک کننده ای از طریق کانال ها به داخل صفحات سرد آلومینیومی برجسته پمپ میگردد. سلولهای جداگانه ای بر روی ژلی نصب می گردند که گرما از از طریق آنها به درون صفحاتی سرد و سپس به مایع خنک کننده منتقل می گردد.
این طور میتوان گفت که به صورت کلی سلول ها در هنگام شارژ در حدود ۳ برابر بیشتر از زمان رانندگی حرارت تولید خواهند کرد و هرچه سرعت شارژ سریعتر رخ دهد، میزان گرمای تولید شده نیز بیشتر می گردد. خنک کاری به صورت غیرمستقیم محدودیت هایی دارد چرا که گرمای تولید شده تنها در نقاطی که با صفحات یا لولههای سیستم خنک کننده تماس دارد، از سلول خارج میگردد. اما بازهم جای امید است که پروژه مشترک M&I Materials و WMG و ریکاردو پیشرفت خوبی در این زمینه داشته باشد. در تاریخ ژوئیه ۲۰۱۹ ، دولت انگلیس این پروژه را با نام I-CoBat تحت عنوان چالش باتری فارادی ، آغاز نمود و قصد دارد تا نوامبر ۲۰۲۰ این پروژه را به پایان برساند.
در سال های اخیر یکی از مشکلات اصلی در تولید انبوه خودروهای برقی 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 شدۀ 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 برقی، 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 واکنش‌های الکترو شیمیایی و عبور الکترون‌ها 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 است. 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 حرارتیِ هوا خنک، آب خنک، لوله حرارتی، صفحه سرد، ترموالکتریک و مواد تغییر فاز دهنده از جمله استراتژی‌های رایج در زمینه خنک کاری باتری است.
انواع روش های خنک کاری
سه روش معمول مدیریت دمای باتری برای خنک کاری باتری خودروهای برقی 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 کاری 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.
مدیریت حرارتی پک باتری:
مدلسازی پک باتری خودرو برای مدیریت حرارتی. پک باتری شامل چند ماژول باتری است که ترکیبی از سلولها در حالت سری و موازی است.
مدلسازی کامل سیستم مدیریت حرارتی برای خودروی برقی
این سیستم شامل دو حلقه خنک کننده، حلقه تبرید، و حلقه HVAC است. بار حرارتی شامل باتری ها، سیستم انتقال قدرت و کابین خودرو است.
