كسر عنق الزجاجة في شحن السيارات الكهربائية من خلال التبريد الدقيق

يمكن للشحن السريع بالتيار المباشر أن يشحن بطارية السيارة الكهربائية من حوالي 20 بالمائة إلى 80 بالمائة خلال 20 دقيقة. وهذا ليس سيئًا، لكنه لا يزال أطول بست مرات تقريبًا من الوقت اللازم لملء خزان مركبة عادية تعمل بالبنزين.

أحد العوائق الرئيسية التي تحول دون الشحن الأسرع هو التبريد، وتحديدًا التبريد غير المتساوي داخل مجموعات بطاريات السيارات الكهربائية الكبيرة أثناء شحن العبوة. هيدروهيرتز، وهي شركة بريطانية ناشئة أطلقها مهندسون سابقون في رياضة السيارات وإلكترونيات الطاقة، تقول إن لديها حلًا: إطلاق سائل التبريد في المكان المطلوب بالضبط أثناء الشحن. الحل الذي تم الإعلان عنه في نوفمبر هو جهاز توجيه سائل تبريد دوار يطلق سائل التبريد بالضبط حيث ترتفع درجات الحرارة، وفي غضون ميلي ثانية – أسرع بكثير من أي نظام أحادي الحلقة يمكن أن يتفاعل. وفي الاختبارات المعملية، سمحت تقنية التبريد هذه لبطارية السيارة الكهربائية بالشحن بأمان في أقل من نصف الوقت مقارنة ببنية التبريد التقليدية.

طريقة أكثر ذكاءً لتحريك سائل التبريد

يطلق Hydrohertz على الحل اسم Dectravalve. يبدو وكأنه مشعب بسيط، ولكنه يحتوي على أسطوانتين متحدة المركز ومحرك متدرج لتوجيه سائل التبريد إلى ما يصل إلى أربع مناطق داخل حزمة البطارية. يتم تثبيته بين الألواح الباردة الخاصة بالعبوة، والتي تم تصميمها لإزالة الحرارة بكفاءة من خلايا البطارية من خلال الاتصال الجسدي، وحلقة إمداد سائل التبريد الرئيسية، لتحل محل مجموعة متشابكة من الصمامات والأقواس وأجهزة الاستشعار والخراطيم.

للحفاظ على انخفاض التكاليف، صممت شركة Hydrohertz منتج Dectravalve ليتم إنتاجه بمواد وأختام وتفاوتات جاهزة للاستخدام. إن إبقاء الأمور بسيطة ورخيصة نسبيًا يمكن أن يحسن فرص Dectravalve في اللحاق بصانعي السيارات والموردين المشهورين بالاقتصاد. يقول: “إن الإدارة الحرارية تتجه نحو البساطة والتكلفة المنخفضة للغاية”. تشاو يانغ وانغ، أستاذ الهندسة الميكانيكية والكيميائية في ولاية بنسلفانيا والتي تشمل مجالات أبحاثها التعامل مع القضايا المتعلقة بالسوائل الداخلية في البطاريات وخلايا الوقود. ويشير إلى أن شركات صناعة السيارات تفضل التبريد السلبي، ولكن ليس إذا كان ذلك يبطئ الشحن السريع. لذا، على الأقل في الوقت الحالي، يعد التحكم الذكي أمرًا ضروريًا.

“إذا عمل Dectravalve كما هو معلن عنه، فإنني أتوقع أن أرى تحسنًا بنسبة 20 بالمائة تقريبًا في عمر البطارية، وهو رقم كبير.”
-آنا ستيفانوبولو، جامعة ميشيغان

قامت Hydrohertz ببناء Dectravalve للعمل مع جليكول الماء العادي، والمعروف أيضًا باسم مضاد التجمد، مما يجعل التكامل بسيطًا. يؤدي استخدام مضاد التجمد العام إلى تجنب خطوة في عملية التحقق حيث يتعين على المورد أو الشركة المصنعة للمركبات الكهربائية تحديد ما إذا كانت بعض التركيبات الخاصة متوافقة مع بقية نظام التبريد ولا تسبب مضاعفات غير متوقعة. ولأن أحد Dectravalve يمكن أن يحل محل الصمامات المتعددة ومجموعات السباكة لنظام التبريد التقليدي، فإنه يقلل من عدد الأجزاء، ويقلل من نقاط التسرب، ويقلل من مخاطر الضمان، كما يدعي مؤسس Hydrohertz و CTO Martyn Talbot. كما يتيح التحكم الحراري المشدد لشركات صناعة السيارات تقليص المضخات والخراطيم والمبادلات الحرارية كبيرة الحجم، مما يؤدي إلى تحسين التكلفة وتغليف المركبات.

يقرأ الصمام درجات حرارة العبوة عدة مرات في الثانية ويغير تدفق سائل التبريد على الفور. إذا كان حدث حمل عالي – مثل الشحن السريع – قادمًا، فإنه يجهز نفسه مسبقًا بحيث يتم توزيع المزيد من سائل التبريد على النقاط الساخنة المعروفة قبل أن ترتفع درجة الحرارة فيها.

يمكن للتحكم متعدد المناطق أيضًا تسريع عملية الإحماء لمنع تدهور البطارية الناتج عن الشحن في درجات حرارة شديدة البرودة. تقول آنا ستيفانوبولو، أستاذة الهندسة الميكانيكية في جامعة ميشيغان والمتخصصة في أنظمة التحكم والطاقة وتقنيات النقل: “يمكنك إرسال سائل تسخين لتسخين نصف العبوة بسرعة حتى تتمكن من البدء في تحميل الحمل بأمان”. وتوضح أن هذا النصف يمكن أن يبدأ في قبول الحمل، بينما يبدأ النظام في تدفئة بقية العبوة بشكل تدريجي. لكن الوظيفة الرئيسية لـ Dectravalve تظل تبريد الخلايا المزعجة سريعة التسخين حتى لا تبطئ عملية الشحن.

الاستجابة السريعة للتغيرات في درجة الحرارة داخل البطارية لا تزيد من قدرة التبريد، ولكنها تستفيد من الأجهزة الموجودة بشكل أكثر كفاءة. يقول تالبوت: “تحكم في سائل التبريد بمزيد من الدقة وستحصل على المزيد من الأداء مجانًا”.

يمكن تقليل أوقات الشحن بنسبة 60 بالمائة

في أوائل عام 2025، خضع Dectravalve للاختبار الذي أجرته مجموعة Warwick Manufacturing Group (WMG)، وهو مركز أبحاث متعدد التخصصات في جامعة Warwick، في كوفنتري، إنجلترا، والذي يعمل مع شركات النقل لتحسين قابلية تصنيع أنظمة البطاريات وغيرها من التقنيات. قامت WMG بمقارنة أداء التبريد الخاص بـ Dectravalve بأداء نظام التبريد التقليدي أحادي الحلقة باستخدام نفس حزمة البطارية بقدرة 100 كيلووات في الساعة. خلال تجارب الشحن السريع بنسبة 10-80 بالمائة، حافظ Dectravalve على درجة حرارة الخلية القصوى أقل من 44.5 درجة مئوية وحافظ على تباين درجة الحرارة من خلية إلى أخرى إلى أقل بقليل من 3 درجات مئوية دون تدخل من نظام إدارة البطارية. لم يكن الأداء الحراري المماثل لنظام الحلقة الواحدة ممكنًا إلا من خلال إعادة الاتصال بكمية الطاقة التي تقبلها البطارية – وهو التناقص التدريجي الذي يمنع الشحن السريع من أن يكون على قدم المساواة مع عمليات تعبئة البنزين.

كان الحفاظ على درجات حرارة الخلية أقل من 50 درجة مئوية أمرًا أساسيًا، لأنه عند درجة الحرارة الأعلى تبدأ عملية طلاء الليثيوم. تتعرض البطارية لضرر لا يمكن إصلاحه عندما يبدأ الليثيوم في طلاء سطح الأنود – وهو جزء البطارية حيث يتم تخزين الشحنة الكهربائية أثناء الشحن – بدلاً من ملء شبكتها الداخلية من المسام كما يفعل الماء عندما تمتصه الإسفنجة. يؤدي الطلاء إلى تقليل سعة تخزين شحن البطارية بشكل كبير. قد يؤدي ترك البطارية ساخنة جدًا إلى تحلل الإلكتروليت. والنتيجة هي منع تدفق الأيونات بين الأقطاب الكهربائية. وانخفاض التدفق داخل البطارية يعني انخفاض التدفق في الدائرة الخارجية، التي تعمل على تشغيل محركات السيارة.

نظرًا لأن Dectravalve حافظ على درجات حرارة منخفضة وموحدة – ولم يكن نظام إدارة البطارية بحاجة إلى لعب دور شرطي مرور الطاقة وإبطاء الشحن لتجنب ارتفاع درجة الحرارة – فقد تم تقليل وقت الشحن بنسبة 60 بالمائة تقريبًا. مع Dectravalve، وصلت البطارية إلى حالة الشحن بنسبة 80% في فترة تتراوح بين 10 و13 دقيقة، مقابل 30 دقيقة مع إعداد حلقة التبريد الفردية، وفقًا لشركة Hydrohertz.

عندما تظل البطاريات باردة، فإنها تعيش لفترة أطول

باستخدام بيانات درجة حرارة وارويك، طبقت Hydrohertz نماذج التحلل القياسية ووجدت أن العبوات الأكثر برودة والأكثر تجانسًا تدوم لفترة أطول. ويقدر ستيفانوبولو أنه إذا عمل Dectravalve كما هو معلن عنه، فقد يؤدي إلى زيادة عمر البطارية بنسبة 20 بالمائة تقريبًا. وتقول: “هذا كثير”.

ومع ذلك، قد يستغرق الأمر سنوات قبل أن يظهر النظام في السيارات الكهربائية الجديدة، هذا إن وجد. سيحتاج صانعو السيارات إلى سنوات من اختبارات الدورة وتجارب التصادم ودراسات التكلفة قبل التوقيع على بنية تبريد جديدة. يقول Hydrohertz إن العديد من صانعي السيارات الكهربائية وموردي البطاريات قد بدأوا برامج التحقق، وتتوقع Talbot أن تتزايد صفقات الترخيص مع ظهور النتائج. ولكن حتى في أفضل السيناريوهات، لن تحافظ Dectravalve على برودة بطاريات السيارات الكهربائية من طراز الإنتاج لمدة ثلاث سنوات على الأقل.