يؤدي الارتفاع السريع في السيارات الكهربائية (EVs) وأنظمة تخزين الطاقة (ESS) إلى إعادة تشكيل طريقة تفكير الصناعات في الإدارة الحرارية. فمع استمرار ارتفاع كثافة طاقة البطارية، أصبحت القدرة على التحكم في درجة الحرارة بدقة عاملاً محددًا لموثوقية البطارية وعمرها الافتراضي.
من بين طرق التبريد المختلفة، برزت ألواح تبريد البطاريات المصنوعة من الصفائح المعدنية كحل رائد للحزم عالية الأداء. فهي تجمع بين التوصيل الحراري الممتاز والهيكل خفيف الوزن وقابلية التوسع الفعالة من حيث التكلفة.
تستكشف هذه المقالة كيف يتم تصميم ألواح تبريد البطاريات المصنوعة من الصفائح المعدنية وتصنيعها ودمجها - ولماذا تعتبر مهمة للغاية للجيل القادم من ابتكارات البطاريات.
ما هي لوحات تبريد البطارية؟
صفيحة تبريد البطارية عبارة عن مكون معدني مصمم بدقة لسحب الحرارة بعيداً عن خلايا البطارية ونقلها إلى سائل تبريد متدفق، وعادةً ما يكون خليط ماء-جلايكول. وهي تعمل كجسر حراري ودعامة ميكانيكية داخل حزمة البطارية.
تتكون معظم التصميمات من لوحين رقيقين من الألومنيوم أو النحاس، بسماكة 1-3 مم عادة، ملحومين أو ملحومين بالنحاس لإنشاء قنوات تدفق مغلقة. يدور سائل التبريد من خلال هذه القنوات، ويمتص الحرارة بالتساوي من خلايا البطارية ويحافظ على الحزمة بأكملها ضمن نافذة درجة الحرارة المثلى - عادةً ما بين 20 درجة مئوية و40 درجة مئوية.
تلعب ألواح التبريد أربعة أدوار حاسمة:
- الحفاظ على درجة حرارة موحدة عبر جميع الخلايا لمنع اختلال التوازن.
- إطالة عمر الدورة عن طريق تجنب الإجهاد الحراري والنقاط الساخنة.
- زيادة إنتاج الطاقة أثناء الشحن السريع أو ظروف الحمل الثقيل.
- تعزيز السلامةمما يقلل من خطر الهروب الحراري.
لتصور تأثيرها: صفيحة ألومنيوم 1 مم تنقل الحرارة أسرع 20 مرة من الهواء، مما يوفر تبريدًا فوريًا ومستقرًا حتى أثناء الشحن السريع.
دور ألواح التبريد في الإدارة الحرارية للبطارية
يبدأ التصميم الفعال باختيار المواد المناسبة والهيكل الداخلي المناسب. ويحدد الجمع بين نوع المعدن والمعالجة السطحية وهندسة قناة التدفق كلاً من الأداء والمتانة للوح التبريد.
كيف يتم توليد حرارة البطارية？
أثناء التشغيل، تقوم خلايا الليثيوم أيون بتحويل الطاقة الكهربائية إلى حرارة من خلال المقاومة الأومية والتفاعلات الكهروكيميائية. يمكن أن تولد حزمة السيارات الكهربائية النموذجية بقدرة 50 كيلوواط ساعة التي تعمل بمعدل تفريغ 2C حرارة تتراوح بين 1.5 و2 كيلوواط من الحرارة بشكل مستمر. إذا لم يتم تبديد هذه الحرارة، يمكن أن تتجاوز درجات الحرارة المحلية 60 درجة مئوية، مما يتسبب في تدهور الإلكتروليت، وطلاء الليثيوم، وفقدان القدرة بشكل لا رجعة فيه.
تم تصميم ألواح التبريد بالصفائح المعدنية للحفاظ على ارتفاع درجة الحرارة أقل من 5 درجات مئوية، حتى في ظل الحمل المستمر. من خلال الحفاظ على هذه النافذة الحرارية الضيقة، يمكن للمهندسين إطالة عمر العبوة بما يصل إلى 30 %، وتقليل معدلات الفشل، وضمان إنتاج طاقة ثابت على مدى آلاف الدورات.
لماذا يعتبر التوحيد الحراري مهمًا？
لا يكمن التحدي الحقيقي في إزالة الحرارة فحسب، بل في إزالتها بالتساوي. فدرجات الحرارة غير المتساوية عبر الخلايا تؤدي إلى انحراف الأداء وتسريع الشيخوخة. تشير الدراسات إلى أنه عندما ينخفض التباين في درجة الحرارة في الوحدة من ± 5 درجات مئوية إلى ± 2 درجة مئوية، يمكن أن يزيد العمر الافتراضي القابل للاستخدام في العبوة بحوالي 25-30 %.
كما تعمل إزالة الحرارة المنتظمة أيضًا على تحسين استقرار الشحن ودقة حالة الشحن (SOC)، حيث يعتمد نظام إدارة المحرك على بيانات حرارية متسقة لموازنة الخلايا بشكل صحيح. وبالتالي، فإن ألواح التبريد ليست مجرد مكونات، بل هي أدوات دقيقة لموازنة الطاقة.
التبريد بالهواء مقابل التبريد بالسائل: فجوة الكفاءة
تبريد الهواء بسيط ولكنه محدود. تقيد الموصلية الحرارية المنخفضة للهواء (≈0.026 واط/م-ك) نقل الحرارة، مما يجعله غير مناسب للحزم الكثيفة أو عالية الطاقة. في المقابل، يوفر التبريد السائل بمخاليط الماء والجليكول (≈0.6 واط/كلفن) كفاءة أكبر بأكثر من 20 ضعفًا، مما يوفر تحكمًا ثابتًا في درجة الحرارة في ظل ظروف الشحن السريع والحمل العالي المستمر.
| طريقة التبريد | الموصلية الحرارية (وات/م كلفن) | التدرج الحراري النموذجي (درجة مئوية) | التطبيق المثالي |
|---|---|---|---|
| تبريد الهواء | 0.026 | 10-20 | الأنظمة منخفضة الطاقة أو الهجينة |
| التبريد بالسوائل | 0.6 | 2-5 | السيارات الكهربائية، نظم دعم الطاقة الكهربائية، وحدات عالية الكثافة |
في معظم المركبات الكهربائية الحديثة، تُعد الصفائح المعدنية السائلة المبردة بالسوائل هي المعيار في معظم المركبات الكهربائية الحديثة لأنها توفر تجانسًا عاليًا ومتانة وقابلية للتطوير المعياري بتكلفة معقولة.
الميزة الهندسية لألواح التبريد بالصفائح المعدنية
توفر الصفائح المعدنية العديد من المزايا الهيكلية والتصنيعية:
- هيكل خفيف الوزن يقلل وزن السيارة مع الحفاظ على صلابتها.
- ارتفاع نسبة مساحة السطح إلى الحجم يحسّن انتقال الحرارة.
- خيارات تصميم مرنة تمكين تخطيطات القنوات السربنتية أو المتوازية أو ذات الزعنفة الدبوسية.
- إنتاج قابل للتطوير يناسب احتياجات النموذج الأولي والتصنيع على نطاق واسع على حد سواء.
المواد والتصميم الهيكلي لألواح التبريد بالصفائح المعدنية
يبدأ التصميم الفعال باختيار المواد المناسبة والهيكل الداخلي المناسب. ويحدد الجمع بين نوع المعدن والمعالجة السطحية وهندسة قناة التدفق كلاً من الأداء والمتانة للوح التبريد.
المعادن الشائعة الاستخدام
ويحدد اختيار المعدن بشكل مباشر مدى كفاءة صفيحة التبريد في نقل الحرارة وتحمل الضغط على المدى الطويل. ويظل الألومنيوم والنحاس المادتين السائدتين، حيث يقدم كل منهما مفاضلة فريدة بين التوصيل والوزن والتكلفة.
| المواد | الموصلية الحرارية (وات/م كلفن) | الكثافة (جم/سم مكعب) | مؤشر التكلفة (≈) | المقاومة للتآكل | التطبيق النموذجي |
|---|---|---|---|---|---|
| ألومنيوم (3003، 6061) | 180-210 | 2.7 | ★★☆ | عالي | ألواح بطاريات السيارات الكهربائية وأنظمة تخزين الطاقة |
| نحاس | 385-400 | 8.9 | ★★★ | متوسط | الوحدات عالية الأداء أو المدمجة |
| فولاذ مقاوم للصدأ (304) | 15-25 | 7.9 | ★☆☆ | ممتاز | البيئات البحرية أو البيئات المسببة للتآكل |
يهيمن الألومنيوم على أنظمة تبريد المركبات الكهربائية لأنه يوفر وزنًا خفيفًا ومقاومة ممتازة للتآكل وقابلية تشكيل فعالة من حيث التكلفة. بينما يوفر النحاس ضعف الموصلية الحرارية تقريبًا، إلا أنه أثقل وزنًا وأكثر تكلفة، ويستخدم بشكل أساسي في الحالات التي تتطلب التدفق الحراري العالي أو ضيق المساحة أداءً فائقًا.
المعالجات السطحية والحماية من التآكل
تلامس ألواح التبريد باستمرار المبردات القائمة على الجليكول، لذا فإن الحماية من التآكل أمر بالغ الأهمية لمنع التسرب الداخلي وتلوث الجسيمات. تجمع المعالجات السطحية الأكثر فعالية بين الثبات الكيميائي وتوافق الترابط لمواد الواجهة الحرارية (TIMs).
تشمل العلاجات الشائعة ما يلي:
- أنودة: تشكل طبقة أكسيد صلبة على الألومنيوم تقاوم التآكل وتعزز انتشار الحرارة.
- طلاء النيكل أو الكرومات: تضيف طبقة عازلة تحمي من التآكل الجلفاني عند اقترانها مع معادن غير متشابهة.
- طلاءات الإيبوكسي أو التخميل: تُستخدم في التطبيقات ذات الرطوبة العالية أو البحرية لتوفير حماية إضافية.
تُظهر الاختبارات أن ألواح الألومنيوم المؤكسد تحتفظ بأكثر من 95% من توصيلها الحراري بعد 1000 ساعة من التعرض لرذاذ الملح - متفوقةً بذلك على الألواح غير المعالجة. لا تعمل الطلاءات جيدة التطبيق على إطالة عمر الخدمة فحسب، بل تعمل أيضًا على تحسين نقاء سائل التبريد، وبالتالي تقليل تكاليف الصيانة على المدى الطويل.
تصميم قناة التدفق وهيكل اللوحة
تحدد هندسة القناة الداخلية مدى فعالية سائل التبريد في امتصاص الحرارة وتوزيعها عبر اللوحة. يستخدم المصممون عمليات محاكاة ديناميكيات السوائل الحسابية (CFD) لتحسين هذا التوازن بين انتظام درجة الحرارة وانخفاض الضغط وسرعة سائل التبريد.
قنوات التدفق السربنتية
- مسار واحد مستمر يضمن تغطية كاملة للسطح.
- يوفر انتظامًا حراريًا ممتازًا ولكن فقدانًا أعلى للضغط.
- مثالية لوحدات السيارات الكهربائية المدمجة وحزم البطاريات في دورات الشحن السريع.
قنوات التدفق المتوازية
- تسمح مسارات التدفق المتعددة بانخفاض ضغط أقل وتدفق أسرع.
- سهولة التصنيع وقابلية التوسع.
- يتطلب موازنة دقيقة لمنع التوزيع غير المتساوي للتدفق.
الهياكل ذات الزعنفة الدبوسية أو الغمازة
- تعمل النتوءات الصغيرة ثلاثية الأبعاد داخل القنوات على زيادة الاضطرابات، مما يزيد من انتقال الحرارة عن طريق 10-15%.
- يتم تشكيلها عادةً عن طريق التشكيل المائي أو النقش باستخدام الحاسب الآلي.
- الأفضل للتطبيقات ذات الكثافة العالية للطاقة حيث تكون مساحة السطح ضرورية.
في تطبيقات المركبات الكهربائية، تتراوح معدلات التدفق المستهدفة عادةً من 2-4 لتر/الدقيقة لكل وحدة، مع ارتفاع في درجة الحرارة أقل من 3 درجات مئوية بين المدخل والمخرج. ويضمن تحليل CFD أيضًا بقاء انخفاض الضغط أقل من 20 كيلو باسكال، مما يقلل من استهلاك طاقة المضخة مع تحقيق تبريد منتظم.
معلمات التصميم وتحسين السماكة
تصنع ألواح التبريد بشكل عام من لوحين بسماكة 1.0-3.0 مم. توفر الألواح الرقيقة نقلًا أفضل للحرارة ولكنها تخاطر بالتشوه تحت الضغط، بينما تزيد الألواح السميكة من الصلابة ولكنها تزيد من الوزن.
ويستخدم المهندسون تحليل العناصر المحدودة (FEA) لمحاكاة أحمال الضغط الداخلي - غالبًا ما تصل إلى 0.3 ميجا باسكال - وتحديد المناطق التي تتطلب أضلاع تقوية أو تعديلات على مسافات اللحام.
تحقق اللوحة المحسّنة جيداً ما يلي:
- تحمل التسطيح: في حدود ± 0.05 مم
- ضغط الانفجار: أكثر من 1 ميجا باسكال
- مقاومة حرارية: أقل من 0.20 درجة مئوية/ثانية
تضمن هذه الدقة بقاء اللوحة مسطحة وخالية من التسرب حتى بعد أكثر من 10,000 دورة ضغط، وهو أمر بالغ الأهمية لوحدات البطاريات عالية الجهد حيث سلامة الختم غير قابلة للتفاوض.
تفاوتات التصنيع وتسطيح السطح
يعتمد نقل الحرارة الفعال على التحكم المحكم في تسطيح السطح وهندسة القناة. حتى المخالفات الصغيرة يمكن أن تزيد من المقاومة الحرارية وتقلل من الكفاءة.
تتضمن أفضل الممارسات ما يلي:
- التحكّم في التسطيح في حدود ± 0.05 مم باستخدام التثبيت الدقيق أثناء اللحام.
- تقليل تشوه حبة اللحام من خلال التحكم في معدلات إدخال الحرارة والتبريد.
- استخدام مواد الواجهة الحرارية (TIMs) مثل حشوات أو وسادات لسد الفجوات الهوائية المجهرية.
يمكن أن يؤدي تحسين تسطيح السطح من 0.10 مم إلى 0.05 مم إلى تقليل مقاومة السطح البيني بحوالي 25%، مما يعزز التوحيد الكلي لدرجة الحرارة.
عمليات تصنيع ألواح التبريد بالصفائح المعدنية
يتطلب تحويل التصميم الرقمي إلى صفيحة تبريد متينة ومانعة للتسرب وذات كفاءة حرارية الدقة في كل مرحلة. بدءًا من تشكيل الصفائح وحتى اللحام، يجب أن تحافظ كل خطوة على الهندسة وتمنع التشويه وتضمن أداءً متسقًا عبر آلاف الوحدات.
التشكيل وإنشاء القناة
تبدأ العملية بصفيحتين من الألومنيوم أو النحاس، بسماكة 1-3 مم عادةً. واعتماداً على حجم الإنتاج وتعقيد التصميم، يستخدم المصنعون العديد من طرق التشكيل:
الختم الدقيق
- مثالية للإنتاج بكميات كبيرة.
- يوفر عمق ثابت وانحناء قناة متناسق داخل ± 0.1 مم التسامح.
- يعمل بشكل أفضل مع تخطيطات التدفق السربنتيني أو المتوازي البسيطة.
التصنيع باستخدام الحاسب الآلي
- مناسبة للنماذج الأولية أو عمليات التشغيل منخفضة الحجم.
- يتيح مرونة كاملة في التصميم مع أعماق قنوات تصل إلى 3 مم والأشكال الهندسية المعقدة.
- يضمن إمكانية تكرار عالية للتحقق من الصحة في المراحل المبكرة أو تخصيص التصميم.
التشكيل المائي
- يستخدم سائل عالي الضغط لتشكيل قنوات متباعدة بشكل متساوٍ عبر الصفيحة.
- يقلل من الإجهاد المتبقي ويوفر أسطح داخلية ناعمة لتدفق أفضل لسائل التبريد.
- مفضلة في تطبيقات السيارات الكهربائية التي تتطلب ألواح مدمجة وعالية الكثافة.
عمليات الربط والختم
وبمجرد تشكيل طبقة القناة، يتم ربط الصفيحتين لإنشاء شبكة داخلية محكمة الغلق. ويؤثر اختيار عملية الربط على الكفاءة الحرارية والوزن وتكلفة الإنتاج.
| العملية | صفات | مزايا | حالة الاستخدام النموذجي |
|---|---|---|---|
| اللحام بالليزر | تستخدم الحزم المركزة لصهر ودمج الصفائح على طول طبقات محددة مسبقاً. | دقة عالية، وأقل قدر من التشويش، ودرزات نظيفة. | ألواح رقيقة من الألومنيوم أو النحاس. |
| اللحام بالتحريك الاحتكاكي (FSW) | يربط الصفائح بالتحريك الميكانيكي تحت درجة الانصهار. | وصلات قوية، بدون حشو، مسامية قليلة. | أنظمة الضغط العالي والألواح الهيكلية. |
| تفريغ الهواء بالنحاس | صهر الصفائح باستخدام معدن الحشو في فرن تفريغ الهواء. | ختم وموصلية ممتازة؛ لا أكسدة. | ألواح معقدة ومتعددة القنوات. |
| لحام TIG/MIG | اللحام القوسي اليدوي أو شبه الأوتوماتيكي. | مرن للنماذج الأولية أو الإصلاحات. | التصنيع على دفعات صغيرة. |
من بين هؤلاء, اللحام بالليزر يهيمن بسبب الجمع بين الدقة والسرعة. يمكن لدرزة الليزر بعرض 0.4-0.8 مم الحفاظ على تسطيح عالٍ وتحمل الضغوط الداخلية التي تزيد عن 1 ميجا باسكال.
تكتسب تقنية FSW أيضًا شعبية في التطبيقات الإنشائية لأنها تستغني عن مواد الحشو وتنتج وصلات ذات عمر إجهاد أعلى 30% مقارنة باللحامات التقليدية.
اختبار التسرب والتحقق من الجودة
بعد التوصيل، تخضع كل صفيحة تبريد لاختبارات صارمة للتسرب والقوة لضمان الموثوقية في التشغيل الفعلي.
كشف تسرب الهيليوم
- يكتشف التسريبات الدقيقة الصغيرة التي تصل إلى 1×10 ⁶ ⁶ ملي بار-ل/ث باستخدام قياس الطيف الكتلي.
- تُستخدم للألواح من فئة EV التي تتطلب سلامة إحكام غلق 100%.
اختبار ضغط الهواء والغمر
- يتم ملء الصفيحة بالهواء وغمرها في الماء عند 0.3-0.5 ميجا باسكال للتحقق من وجود فقاعات مرئية.
- بسيطة وفعالة للفحوصات على مستوى الإنتاج.
اختبار تدوير الضغط والانفجار
- يحاكي التسخين والتبريد المستمر تحت ضغوط العمل.
- قد يتضمن الاختبار القياسي 10,000 دورة ضغط وضغط انفجار يزيد عن 1.2 ميجا باسكال.
اللوحات التي تجتاز جميع الاختبارات يتم تنظيفها وتجفيفها وتمييزها بأرقام تسلسلية لإمكانية التتبع الكامل، مما يضمن الامتثال لمعايير ISO 9001 ومعايير توثيق PPAP للسيارات.
خاتمة
تطورت ألواح التبريد المصنوعة من الصفائح المعدنية من مبادلات حرارية بسيطة إلى وحدات إدارة حرارية متكاملة. إن هيكلها الخفيف الوزن وقابليتها للتصنيع وقدرتها على الحفاظ على انتظام درجة الحرارة يجعلها لا غنى عنها في أنظمة السيارات الكهربائية وأنظمة أنظمة دعم الطاقة الكهربائية.
هل أنت مستعد لتحسين نظامك الحراري للبطارية؟ في شركة Shengen، يتخصص فريقنا الهندسي في تصنيع ألواح تبريد البطاريات المصنوعة من الصفائح المعدنية المخصصة، بدءًا من التحقق من صحة النموذج الأولي وحتى الإنتاج بكميات كبيرة. قم بتحميل ملفات CAD الخاصة بك أو اتصل بمهندسينا لمناقشة كيف يمكننا دعم مشروعك القادم في مجال السيارات الكهربائية أو تخزين الطاقة.
مهلا، أنا كيفن لي
على مدى السنوات العشر الماضية، كنت منغمسًا في أشكال مختلفة من تصنيع الصفائح المعدنية، وشاركت رؤى رائعة هنا من تجاربي عبر ورش العمل المتنوعة.
ابقى على تواصل
كيفن لي
لدي أكثر من عشر سنوات من الخبرة المهنية في تصنيع الصفائح المعدنية، وتخصصت في القطع بالليزر، والثني، واللحام، وتقنيات معالجة الأسطح. كمدير فني في شنغن، أنا ملتزم بحل تحديات التصنيع المعقدة ودفع الابتكار والجودة في كل مشروع.
