تحسين تصميم نظام إدارة الحرارة لبطاريات متعددة الصفائح المبردة لتقليل فرق الحرارة مع مراعاة التداخلات بين الصفائح المبردة

لماذا تهم البطاريات الأكثر برودة للسائقين اليوميين

مع زيادة شيوع السيارات الكهربائية، ما يحدث داخل حزم البطاريات يؤثر بهدوء على مدى القيادة، وعمر البطارية، ومدى سلامتها. تدرس هذه الدراسة كيفية الحفاظ على مئات الخلايا الضيقة من أيونات الليثيوم عند درجات حرارة متقاربة، باستخدام صفائح معدنية مصممة ببراعة تحمل سائل التبريد. من خلال إعادة التفكير في كيفية تقاسم هذه الصفائح للمبرد، يظهر الباحثون أن تعديلات تصميم صغيرة يمكن أن توحد درجات الحرارة بشكل ملحوظ دون استهلاك طاقة أكبر.

الحرارة المخفية داخل بطاريات السيارات الكهربائية

تعتمد السيارات الكهربائية الحديثة على حزم كبيرة مكونة من العديد من خلايا أيونات الليثيوم الفردية. عندما تُشحن هذه الخلايا وتُفرغ، فإنها تولد حرارة. إذا سخنت بعض الخلايا أكثر من غيرها، فإنها تتقدم في العمر بسرعة أكبر، قد تقدم طاقة أقل، وفي الحالات القصوى قد تصبح غير آمنة. لذلك تسعى شركات تصنيع السيارات للحفاظ على درجات حرارة الخلايا ضمن نطاق آمن، ومثل الأهمية، تقليل الفوارق بين أحرّ وأبرد الخلايا—ويُفضل أن تكون ضمن بضع درجات فقط.

كيف تحافظ صفائح التبريد على توازن الحزم

تستخدم العديد من السيارات الكهربائية نهج التبريد السائل غير المباشر: تستقر صفائح معدنية مسطحة تحت مجموعات الخلايا، ويتدفق المبرد عبر قنوات داخل هذه الصفائح. في الحزمة المدروسة هنا، تقع خمس صفائح تبريد طويلة تحت خمس وحدات من الخلايا الشبيهة بالمستطيل. تشترك جميع الصفائح في مدخل ومخرج مبرد واحدين، مما يعني أن السائل يدخل من جانب واحد، ثم يتفرع بين الصفائح، ثم يلتقي ويخرج. غالبًا ما افترضت الأبحاث السابقة أن كل صفيحة تتلقى نفس التدفق وتتصرف بشكل مستقل. في الواقع، مع ذلك، الصفائح مرتبطة هيدروليكيًا، ويفضل المبرد طبيعيًا بعض المسارات على أخرى.

تدفق غير متساوٍ، ودرجات حرارة غير متساوية

باستخدام محاكيات حاسوبية مفصلة لتدفق الموائع وانتقال الحرارة، فحص المؤلفون أولًا التصميم الأصلي الذي كانت فيه كل الصفائح ذات عرض قناة متماثل. وجدوا أن المبرد اتخذ المسار الأسهل: الصفائح الأقرب إلى المدخل والمخرج حصلت على معظم التدفق، بينما حصلت الصفيحة الأبعد على القليل جدًا. أزالت تلك الصفائح المغذاة جيدًا الحرارة بفعالية، لكن الخلايا فوق الصفيحة المحرومة سخنت أكثر. داخل كل صفيحة أيضًا، ارتفع حرارة المبرد أثناء تحركه، لذا كانت الخلايا قرب الطرف البعيد من التدفق تعمل أدفأ قليلًا من تلك القريبة من المدخل. عبر الحزمة الكاملة المكونة من 75 خلية، بلغ فرق الحرارة بين أحرّ وأبرد الخلايا ما يقرب من 4 كلفن، رغم أن درجة الحرارة القصوى ظلت ضمن نطاق مقبول.

ضبط ذكي بدلاً من مضخات أكبر

بدلاً من إضافة مضخات أو مداخل أو أجهزة كبيرة—وهو ما يكون غالبًا مستحيلًا في سيارة حقيقية—اعتبر الفريق قنوات التدفق نفسها كأزرار قابلة للضبط. سمحوا لعرض قناة كل صفيحة أن يختلف بشكل مستقل وسمحوا أيضًا بأن تضيق القنوات من المدخل إلى المخرج. تزيد القناة الأصغر المقاومة للتدفق، دافعةً برفق المبرد نحو صفائح أخرى؛ أما القناة المتناقصة فتسرع السائل قرب المخرج، مما يعزز إزالة الحرارة محليًا. وبما أن تشغيل محاكيات كاملة لكل توليفة ممكنة سيكون بطيئًا جدًا، بنى الباحثون نموذجًا رياضيًا بديلاً سريعًا لاختصار النموذج واستخدموا خوارزمية تحسين تطورية للبحث عن أفضل مجموعة من الأبعاد ومعدل التدفق الكلي.

حزمة أكثر توازنًا دون طاقة إضافية

أنتج التصميم المحسّن توزيعًا أكثر توازنًا للمبرد عبر جميع الصفائح الخمس. انتهت الصفائح الأقرب إلى المدخل والمخرج بعروض قنوات أضيق، مما زاد مقاومتها وشجع على مزيد من التدفق خلال الصفيحة البعيدة التي كانت مهمَلة سابقًا. في آن واحد، صُممت القنوات لتضيق تدريجيًا على طول مسار التدفق، مما حسّن التبريد قرب المخارج وقلّل التدرجات الحرارية داخل كل وحدة. مع تبادل التدفق ومساحة السطح، أصبح معدل انتقال الحرارة من كل صفيحة أكثر تشابهًا. وكانت النتيجة انخفاضًا كبيرًا في تشتت درجات الحرارة بين الخلايا—من نحو 3.98 إلى 1.73 كلفن—بينما انخفضت درجة الحرارة القصوى قليلًا وبقيت قدرة الضخ تقريبًا دون تغيير.

ماذا يعني هذا لسيارات المستقبل الكهربائية

لغير المتخصص، الرسالة الأساسية هي أن الهندسة الأذكى يمكن أن تحل محل الأجهزة الأثقل أحيانًا. من خلال ضبط أحجام وشكل قنوات المبرد بعناية، يمكن للمهندسين توجيه السائل إلى حيث يلزم أكثر، مما يوحّد درجات الحرارة عبر حزم البطاريات الكبيرة. هذا يسهل الحفاظ على كل خلية ضمن نطاق مريح، مما يدعم بدوره عمر بطارية أطول، أداءً متسقًا، وسلامة محسنة، وكل ذلك دون مطالبة المضخات في المركبة بطاقة إضافية.

الاستشهاد: Lee, H., Park, S., Park, C. et al. Design optimization of multiple cooling plate battery thermal management system for minimizing temperature difference considering interactions between cooling plates. Sci Rep 16, 14063 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41068-3

الكلمات المفتاحية: بطاريات المركبات الكهربائية, تبريد البطارية, إدارة الحرارة, صفائح التبريد السائلة, حزم أيونات الليثيوم