چگونه مدیریت حرارتی زمان شارژ خودرو برقی را کاهش می دهد؟

بسته‌های باتری خودرو الکتریکی هنگام شارژ گرم می‌شوند؛ بنابراین، سیستم‌های خنک‌کننده‌ی نوآورانه برای بهبود زمان شارژ و افزایش شعاع حرکتی و عمر مفید باتری این خودروها بسیار مهم هستند.

باتوجه‌به ورود شارژرهای بسیار سریع ۸۰۰ ولت ۳۵۰ کیلووات به اروپا، چه چیز دیگری برای کاهش زمان ایستگاه‌های شارژ در هنگام سفرهای طولانی‌تر نیاز داریم؟ یکی از مشکلات بزرگ توسعه‌دهندگان خودرو الکتریکی مدیریت مؤثر حرارت تولیدشده‌ی باتری هنگام شارژ است.

بسته‌های باتری لیتیوم‌یون که برق خودروهای الکتریکی را تأمین می‌کنند، از همان سلول‌ها یا بلوک‌های کوچک به‌کاررفته در محصولات خانگی ساخته می‌شوند. سلول لیتیوم‌یون واحد ساده و بسیار کوچکی است که حدود ۳/۶ ولت برق تولید می‌کند و ظرفیت الکتریکی آن حدود ۳/۴ آمپرساعت است. برای افزایش ولتاژ کارکردی خودرو برقی به ۴۰۰ یا ۸۰۰ ولت، صدها سلول به‌صورت گروهی به‌هم متصل می‌شوند (اتصالات سری موازی) که این اتصال هم ولتاژ و هم ظرفیت را چندبرابر می‌کند.

بااین‌حال، آنچه برای راننده‌ی خودروبرقی اهمیت دارد، نرخ C یا C-rate باتری است که میزان شارژ و تخلیه‌ی آن را باتوجه‌به ظرفیت نشان می‌دهد. هرچه نرخ C باتری هنگام شارژ بیشتر باشد، زمان شارژ کمتر خواهد بود؛ اما یکی از محدودیت‌های عمده گرمای ایجادشده دراثر مقاومت داخلی هنگام شارژ است. اگر باتری تلفن یا برخی ابزارهای برقی را هنگام شارژشدن لمس کنید، متوجه داغ‌بودن آن می‌شوید. باتری خودرو برقی از صدها یا حتی هزاران سلول جداگانه در چند ماژول مختلف ساخته شده؛ درنتیجه گرمای زیادی هنگام شارژ تولید می‌شود که خلاص‌شدن از آن دشوار است.

برای مقابله با این مشکل، بسته‌های باتری لیتیوم‌یون خودرو الکتریکی با آب یا آب و گلیکول خنک می‌شوند. سپس، مایع خنک‌کننده را مبدل حرارتی یا یخچال خنک می‌کند؛ اما انرژی گرمایی می‌تواند برای کار دیگری مانند گرم‌کردن فضای داخل کابین خودرو استفاده شود.

نمونه‌ای از این نوع باتری‌ها، باتری خودرو آئودی E-tron است که در آن مایع خنک‌کننده ازطریق کانال‌هایی به داخل صفحات سرد آلومینیومی بیرون‌آمده (برجسته) پمپ می‌شود. سلول‌های جداگانه روی ژلی نصب می‌شوند که گرما از آن‌ها به داخل صفحات سرد و سپس به مایع خنک‌کننده منتقل خواهد شد. علاوه‌بر‌این، روش‌های دیگری نیز برای خنک‌کردن باتری خودرو الکتریکی وجود دارد. به‌عنوان مثال، تسلا از لوله‌های خنک‌کننده استفاده می‌کند که بین سلول‌های استوانه‌ای موجود در باتری درهم تنیده شده‌اند.

به‌طورکلی، سلول‌ها هنگام شارژ حدود سه‌برابر بیشتر از زمان رانندگی حرارت تولید می‌کنند و هرچه سرعت شارژ سریع‌تر باشد، میزان گرمای تولیدی نیز بیشتر می‌شود. خنک‌کاری غیرمستقیم محدودیت‌های خاص خود را دارد؛ زیرا گرما فقط در نقاط تماس با صفحات یا لوله‌های سیستم خنک‌کننده از سلول خارج می‌شود. بااین‌حال، امید می‌رود پروژه‌ی مشترک M&I Materials و WMG و ریکاردو در این زمینه به پیشرفت درخورتوجهی دست یابد. در ژوئیه‌ی ۲۰۱۹، دولت انگلستان این پروژه را با نام I-CoBat با عنوان «چالش باتری فارادی» (Faraday Battery Challenge) آغاز کرد و قرار است در نوامبر ۲۰۲۰ به‌پایان برسد.

هدف این پروژه توسعه‌ی روش خنک‌کاری همه‌جانبه و جدیدی است که به موجب آن سلول‌ها و اتصالات به‌معنای واقعی کلمه در مایعی تجزیه‌پذیر و دی الکتریک غوطه‌ور باشند. در این مایع خنک‌کاری که Mivolt نامیده می‌شود و M&I Materials آن را تولید کرده است، غوطه‌وری به‌معنای هدایت جریان برق نیست. ازآنجاکه این مایع با کل سطح سلول تماس دارد، امید می‌رود خنک‌کننده‌ی همه‌جانبه با افزایش چشمگیر نرخ C باتری، زمان شارژ خودرو الکتریکی را کاهش دهد؛ درنتیجه، ظرفیت پیمایش خودرو برقی را افزایش و روند فرسوده‌‌شدن را ازطریق مدیریت حرارتی دقیق‌تر باتری کاهش می‌دهد.