עיצוב נשא סוללות לרכבים חשמליים ומופעלים מרחוק באמצעות בלוקי קצף אלומיניום סגורים קטנים המוגנים בצינורות אלומיניום

בטיחות חכמה יותר עבור הסוללות של העתיד

מכוניות חשמליות בכביש ורכבי רובוט החוקרים את קרקעית הים - כולם תלויים בסוללות שצריכות להישאר גם בטוחות וגם קרירות. המחקר הזה בוחן דרך חדשה לבנות את ה"רצפה" שנושאת ומגינה על אותן סוללות. במקום להשתמש בשכבה אחת עבה של קצף מתכתי, החוקרים מפצלים את הקצף להרבה בלוקים קטנים, שכל אחד מהם עטוף בצינור מתכתי. המבנה החכם הזה, בהשראת עצמות, נועד לספוג התרסקויות, לפזר חום במהירות ולהקל על חיווט ותחזוקה.

ממבנה עצם לתמיכת סוללות

יחידת הבנייה המרכזית בעיצוב זה היא קוביית קצף אלומיניום תאית סגורה זעירה, בגודל של קוביית סוכר בערך, שמוקפת בצינור אלומיניום קצר. הרעיון הושפע מהטבע: הצורות מזכירות עצמות אצבע, עמוד שדרה ותעלת האוזן, שמשלבות קשיחות, ספיגת זעזועים ומשקל נמוך. בארגון של הרבה בלוקים זהים לתבניות, מהנדסים יכולים ליצור פנלים שנושאים עומסים, מרפדים מכות ומכוונים חום, וכל זאת תוך התאמה לחללים צרים בתוך כלי הרכב.

למה לפרק לוח אחד גדול לריבוי בלוקים קטנים

לוחות קצף אלומיניום קונבנציונליים עובדים היטב כסופגי פגיעות אך יש להם חסרונות. הם יקרים לייצור, קשים לעיצוב ולתיקון, ופועלים כ"שמיכות" תרמיות שמלכדות חום במקום לשחרר אותו. הגישה החדשה מבוססת הבלוקים מטפלת בשלוש הבעיות הללו. היות שהבלוקים קטנים, ניתן לחתוך אותם מלוחות קצף סטנדרטיים עם כלים פשוטים ואז להקישם לתוך צינורות זמינים בשוק. בלוקים פגועים ניתנים להחלפה באופן יחידני. חשובה לא פחות היא העובדה שהמרווחים שנוצרים בין הבלוקים יוצרים מסלולים פתוחים בהם יכול לזרום אוויר או מים, והופכים שכבה שבעבר הייתה מבודדת למבנה קירור יעיל.

תמיכה חזקה יותר וקירור מהיר יותר

הצוות בחן שתים-עשרה צורות בלוק ובחר בעיצוב "בדומה לעמוד שדרה" למחקר מפורט. תחת דחיסה צידית הבלוק הזה ספג יותר אנרגיה לנפח מאשר הקצף החשוף באותו הגודל, הודות לצינור האלומיניום הקשיח שמקיף אותו. כאשר מארגנים אותם לפנל קטן עבור כלי רכב תת-מימי מפעיל מרחוק, תשעה מהבלוקים האלה נשאו עומסי סוללה נמוכים, ספגו אנרגיית פגיעה עם מרווח ביטחון נוח, ואיפשרו למהנדסים להעביר כבלים דרך תעלות מובנות. ניסויים תרמיים הראו שלוח קצף מסורתי בסנדוויץ' לקח כ-15 דקות להעביר חום, בעוד שהפנל המבוסס-בלוקים הראה עלייה טמפרטורית דומה בתוך כ-40 שניות בלבד.

קנה מידה לרכבים חשמליים

כדי להראות שהמושג עובד בקנה מידה של רכב מלא, החוקרים תכננו מגן תחתון לחבילת סוללות של 450 קילוגרם באמצעות 400 מהבלוקים בהשראת עמוד השדרה, בין שתי פלטות אלומיניום. מערך הבלוקים יכול לספוג כמה פעמים יותר אנרגיית פגיעה מאשר זו שתיווצר אם הסוללה תיפול מחצי מטר, והוא יכול לעמוד בעומסים שהם בערך 25 פעמים משקל הסוללה. במקביל, חישובים וסימולציות מראים שהעברת החום דרך הבלוקים והסרתו על ידי אוויר זורם מהירה דיה כדי לקרר את המגן מטמפרטורות תפעול קיצוניות בקיץ לכיוון תנאי הסביבה בתוך עשרות דקות במהירויות נהיגה מתונות.

אפשרויות לשיפור הקירור והחומרים

טבעיות המודולרית של הבלוקים פותחת דלת לשיפורים נוספים. המחברים סוקצים אפשרויות כגון שזירת צינורות קירור נוזליים בין שורות הבלוקים, הכנסת חומרים בעלי מעבר פאזה שמאחסנים זמנית חום עודף, או עיצוב חריצים בתבנית לאווירזור משופר מבלי לפגוע בבטיחות מפגיעות. מכיוון שהבלוקים משתמשים בסגסוגות סטנדרטיות ובמיכון פשוט, ניתן להתאים אותם לסביבות שונות — מלכים יבשים ועד מדבריות חמות ומים קרים בים — על ידי כוונון ממדים, ריווח וחומרים נוספים.

מה המשמעות עבור נהגים ורובוטים ביום-יום

במילים פשוטות, העבודה הזו מציעה "שריון ומקרר" חכם יותר לסוללות ברכבים חשמליים וברובוטים מרוחקים. הבלוקים הממולאים בקצף פועלים כמו בולמי זעזועים זעירים שמתרככים בהתנגשויות, בעוד המעטפות המתכתיות והמרווחים הפתוחים שלהם מובילים את החום החוצה במקום ללכוד אותו. בהשוואה ללוחות קצף מסורתיים, נשאי הבלוקים קלים יותר לבנייה, לתיקון ולקירור, ועדיין עומדים בדרישות בטיחות מחמירות. עם בדיקות נוספות בתנאי התנגשות ועייפות אמיתיים, הגישה בהשראת העצם הזו עשויה לעזור לרכבים עתידיים להיות קלים יותר, בטוחים יותר ואמינים יותר מבלי להוסיף מורכבות למערכות הסוללה שלהם.

ציטוט: Dadoura, M.H., Farahat, A.I., Al-Saady, Z.A. et al. Design of electric and remote operating vehicles battery carrier by using small aluminum closed-cell foam blocks shielded by aluminum tubes. Sci Rep 16, 9225 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39720-z

מילות מפתח: סוללות לרכבים חשמליים, קצף אלומיניום, הגנה מפגיעה, קירור סוללות, מבנים קלי משקל