אופטימיזציית עיצוב של מערכת ניהול תרמית למספר צלחות קירור במטרה למזער הפרשי טמפרטורה תוך התחשבות באינטראקציות בין הצלחות

למה סוללות קרירות חשובות לנהגים יומיומיים

ככל שרכבים חשמליים הופכים לנפוצים יותר, מה שקורה בתוך חבילות הסוללות שלהם מעצב בשקט עד כמה נוכל לנהוג, כמה זמן הסוללות יחזיקו מעמד וכמה הן בטוחות. המחקר הזה בוחן כיצד לשמור מאות תאי ליתיום-יון צפופים בטמפרטורה כמעט אחידה, באמצעות צלחות מתכת מעוצבות הנושאות נוזל קירור. על ידי חשיבה מחדש על הדרך שבה הצלחות חולקות את הנוזל, החוקרים מראים ששינויים עיצוביים קטנים יכולים לאזן טמפרטורות בצורה משמעותית מבלי לצרוך אנרגיה נוספת.

חום נסתר בתוך סוללות רכבים חשמליים

רכבים חשמליים מודרניים מבוססים על חבילות גדולות המורכבות מרבים תאי ליתיום-יון בודדים. כאשר התאים נטענים ומתפרקים הם מייצרים חום. אם חלק מהתאים פועלים בטמפרטורה גבוהה יותר מאחרים, הם מתבגרים מהר יותר, עלולים לספק פחות כוח ובמקרים קיצוניים עלולים להיות לא בטוחים. יצרניות הרכב שואפות לכן לשמור על טמפרטורת התאים בתוך חלון בטוח, וכפי שחשוב לא פחות — לשמור על הפערים בין התא החם ביותר לקר ביותר קטנים ככל האפשר — אידיאלית בתוך כמה מעלות.

כיצד צלחות קירור שולטות בחבילות

רבים מהרכבים החשמליים משתמשים בגישה של קירור נוזלי עקיף: צלחות מתכת שטוחות נמצאות מתחת לערמות התאים, והנוזל זורם בתעלות בתוך הצלחות. בחבילה הנחקרת כאן חמש צלחות קירור ארוכות משתרעות מתחת לחמש מודולים של תאים פריזמטיים. כל הצלחות חולקות כניסת ושפיכת נוזל אחת, כלומר הנוזל נכנס מצד אחד, מסתעף בין הצלחות ואז מתאחד ויוצא. מחקרים קודמים לרוב הניחו שכל צלחת תקבל את אותו זרם ותתנהג באופן עצמאי. במציאות, עם זאת, הצלחות מקושרות הידראולית, והנוזל נוטה להעדיף נתיבים מסוימים על פני אחרים.

זרימה לא אחידה, טמפרטורות לא אחידות

באמצעות סימולציות מחשב מפורטות של זרימת נוזל והעברת חום, המחברים בחנו תחילה את העיצוב המקורי, שבו כל הצלחות היו בעלות רוחבי תעלה זהים. הם גילו שהנוזל לקח את הנתיב הקל ביותר: הצלחות הקרובות לכניסה וליציאה קיבלו את מרבית הזרימה, בעוד שהצלחת הרחוקה קיבלה מעט מאוד. הצלחות שקיבלו יותר נוזל הסירו חום ביעילות, אך התאים מעל הצלחת שהוזנה פחות התחממו יותר. בתוך כל צלחת הנוזל גם התחמם כשהתקדם לאורך התעלה, כך שהתאים בקרבת קצה הזרימה היו חמים במעט לעומת אלה סמוך לכניסה. על פני כל החבילה של 75 תאים, הפרש הטמפרטורה בין התא החם ביותר לקר הכי הגיע כמעט ל-4 קלווין, אף על פי שהטמפרטורה המקסימלית נשארה בטווח מקובל.

כיוונון חכם במקום משאבות גדולות יותר

במקום להוספת משאבות, כניסות נוספות או חומרה מנופחת — שלרוב לא אפשריות ברכב אמיתי — הצוות התייחס לתעלות הזרימה עצמן ככפתורים שניתן לכוונן. הם אפשרו שרוחב התעלה של כל צלחת ישתנה באופן עצמאי וגם שאותן תעלות יצרו היצרות מהכניסה לעבר היציאה. תעלה צרה יותר מעלה את ההתנגדות לזרימה, ודוחפת בעדינות את הנוזל לעבר צלחות אחרות; תעלה מדורגת מאיצה את הנוזל בקרבת היציאה ומשפרת את הסרת החום המקומית. מכיוון שהרצה של סימולציות מלאות לכל קומבינציה אפשרית הייתה איטית מדי, החוקרים בנו מודל מתמטי מהיר כתחליף והשתמשו באלגוריתם אבולוציוני לחיפוש אחר קבוצת הממדים וקצב הזרימה הכולל הטובים ביותר.

חבילה מאוזנת יותר ללא אנרגיה נוספת

העיצוב המותאם הפיק התפלגות נוזל מאוזנת יותר על פני כל חמש הצלחות. הצלחות הקרובות ביותר לכניסה וליציאה קיבלו לבסוף תעלות צרים יותר, מה שהגדיל את ההתנגדות שלהן ועידד זרימה רבה יותר דרך הצלחת שהוזנחה בעבר. במקביל, התעלות עוצבו כך שיצרו היצרות הדרגתית לאורך מסלול הזרימה, מה ששיפר את הקירור בסמוך ליציאות והקטין את מפלי הטמפרטורה בתוך כל מודול. ככל שזרימה ומשטח מוחלפים זה בזה, העברת החום הנקוטה מכל צלחת נעשתה דומה יותר. התוצאה הייתה ירידה משמעותית בפיזור הטמפרטורות תא-לתא בחבילה — מכ-3.98 ל-1.73 קלווין — בעוד שהטמפרטורה השיא ירדה במעט וכוח המשאבה נשאר למעשה ללא שינוי.

מה משמעות הדבר לרכבים חשמליים עתידיים

ללא מומחיות מיוחדת, המסר המרכזי הוא שגיאומטריה חכמה יכולה לעיתים להחליף חומרה כבדה. על ידי כיוונון זהיר של מימדי וצורת תעלות הקירור, מהנדסים יכולים לגרום לנוזל לזרום היכן שהוא נדרש ביותר, ובכך לאזן את הטמפרטורות בחבילות סוללות גדולות. הדבר מקל על שמירה שכל תא יהיה בטווח נוח, מה שתורם לחיי סוללה ארוכים יותר, ביצועים עקביים ובטיחות משופרת — הכל מבלי לדרוש אנרגיה נוספת ממשאבות הרכב.

ציטוט: 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

מילות מפתח: סוללות לרכב חשמלי, קירור סוללה, ניהול תרמי, צלחות קירור בנוזל, מערכות ליתיום-יון