الإدارة الحرارية لمجموعة نقل الحركة NEV: مبادلات حرارية ذات زعانف من الألومنيوم

الحكم: تقنية الألواح ذات الزعانف المصنوعة من الألومنيوم تدعم نظام تبريد سيارات الطاقة الجديدة (NEV) الحديث

في إطار السعي لتحقيق أقصى قدر من المدى وكثافة الطاقة والموثوقية، لا تستطيع مجموعات نقل الحركة في مركبات الطاقة الجديدة تحمل التنازلات الحرارية. أصبحت المبادلات الحرارية ذات الزعانف المصنوعة من الألومنيوم العمود الفقري الهندسي لهذا الجهد لأنها توازن بشكل فريد معاملات نقل الحرارة العالية (تصل إلى 5000 واط/م² كلفن على جانب الهواء) مع تخفيض الوزن بنسبة 30-40٪ على التصاميم التقليدية من النحاس الأصفر أو الزعانف الأنبوبية. يتيح هيكلها المصنوع من الألومنيوم النحاسي وجود زعانف رفيعة، وكثافة عالية لمساحة السطح، وهياكل قابلة لإعادة التدوير بالكامل، مما يدعم بشكل مباشر الأهداف القوية لكفاءة الطاقة وخفيفة الوزن للبطارية الكهربائية، والهجينة، ومركبات خلايا الوقود. تتناول هذه المقالة الأسباب الفنية والتصنيعية وعلى مستوى النظام التي تجعل المبادلات الحرارية ذات الزعانف المصنوعة من الألومنيوم هي الحل المفضل، مدعومة ببيانات الأداء وأنماط التكامل في العالم الحقيقي.

التحديات الحرارية الفريدة لمحركات سيارات الطاقة الجديدة

تولد مجموعات نقل الحركة في سيارات الطاقة الجديدة الحرارة عبر مكونات متعددة - حزم البطاريات، والمحركات الكهربائية، والعاكسات، ومحولات DC-DC، والشواحن الموجودة على متن السيارة - غالبًا داخل مساحات أسفل غطاء المحرك أو هيكل لوح التزلج المعبأة بإحكام. على عكس محركات الاحتراق الداخلي التي يمكنها تحمل درجات حرارة أعلى لسائل التبريد ولها مناطق رادياتير أمامية كبيرة، يجب على سيارات الطاقة الجديدة الاحتفاظ بأشباه الموصلات وخلايا أيونات الليثيوم ضمن نوافذ ذات درجة حرارة ضيقة. على سبيل المثال، تتطلب العديد من خلايا البطاريات ذات كثافة الطاقة العالية درجة حرارة تشغيل قصوى أقل من ذلك 45 درجة مئوية ، بينما يجب أن تظل تقاطعات إلكترونيات الطاقة أقل بكثير 175 درجة مئوية . وهذا يتطلب مبادلات حرارية مدمجة يمكنها التعامل مع حلقات سوائل متعددة (الماء-جليكول، مادة التبريد، الزيت العازل) مع انخفاض الضغط المنخفض وفعالية عالية، وهو بالضبط النظام الذي تتفوق فيه هندسة الصفائح.

التعبئة والتغليف المحكم ومتطلبات الدوائر المتعددة

قد تقوم السيارة الكهربائية النموذجية ذات البطارية 400 فولت أو 800 فولت بدمج دائرة تبريد مشتركة للمحرك والعاكس والبطارية، وغالبًا ما تكون مع حلقة تبريد لتكييف هواء المقصورة. يمكن تصميم المبادلات الحرارية ذات الزعانف اللوحية كوحدات متعددة الممرات ومتعددة السوائل داخل قلب واحد من النحاس، مما يتيح لمكون واحد التعامل مع ثلاثة تيارات سائلة متميزة في وقت واحد. وهذا يقلل من نقاط الاتصال ومسارات التسرب المحتملة ومساحة التجميع مقارنة بمجموعة من الوحدات المنفصلة ذات الغلاف والأنبوب أو الزعانف الأنبوبية.

لماذا تتفوق هندسة صفائح الألمنيوم على البدائل

تقوم بنية الألواح ذات الزعانف على تكديس صفائح فواصل مسطحة مفصولة بزعانف مموجة، وكلها ملحومة في كتلة متجانسة. وهذا يخلق كثافة مساحة سطح نقل الحرارة الأولية 800-1500 م2/م3 ، بما يصل إلى عشرة أضعاف المبادل التقليدي للأنبوب والقشرة. توفر سبائك الألومنيوم من سلسلة 3xxx (على سبيل المثال، 3003، مع الكسوة النحاسية 4004 أو 4045) توصيلًا حراريًا ممتازًا (حوالي 160 وات/م·ك )، مقاومة للتآكل مع كيمياء سائل التبريد المناسبة، وليونة عالية لختم أنماط الزعانف المعقدة. تعمل الزعانف الشريطية ذات الفتحات أو الأوفست على مقاطعة الطبقات الحدودية، مما يعزز معامل جانب الهواء أو جانب الزيت بشكل كبير.

تؤكد البيانات أن نوى صفائح الألمنيوم تحقق نسبة رائدة في فئتها من كثافة نقل الحرارة إلى الكتلة، مع الحفاظ على تكافؤ التكلفة أو الميزة من خلال اللحام الآلي والحد الأدنى من استخدام المواد. يمكن لتصميمات القنوات الصغيرة أن تتفوق قليلاً على الزعانف اللوحية في المقاييس الحجمية النقية، لكن انخفاض الضغط المرتفع في جانب الهواء غالبًا ما يتطلب مراوح أكبر وقوة طفيلية أكبر، مما يؤدي إلى تآكل صافي كفاءة النظام في السيارة.

التأثير المباشر على الإدارة الحرارية للبطارية

يعتمد منع الانفلات الحراري لحزمة البطارية والحفاظ على مدى الحياة على إزالة الحرارة بشكل موحد. تعمل الألواح الباردة ذات الزعانف المصنوعة من الألومنيوم، والمدمجة في قواعد الوحدة النمطية أو بين صفائف الخلايا، على تحقيق توحيد درجة الحرارة داخلها ±2 درجة مئوية عبر العبوة عند تصميمها بكثافة زعانف محسنة وتوزيع التدفق. هذا المستوى من تساوي الحرارة يمكن أن يطيل عمر الدورة بما يصل إلى 20% مقارنة باستراتيجيات التبريد الأقل اتساقًا، وفقًا لاختبارات الشيخوخة المتسارعة على الخلايا المنشورية NMC. تتعامل الألواح الباردة ذات الزعانف اللوحية التي تستخدم مسافة زعانف 1.0-1.5 مم ومسارات القنوات الصغيرة أيضًا مع تبريد غمر السائل العازل مع الحد الأدنى من المقاومة الحرارية أدناه 0.05 ك/وات .

• يتيح القصور الذاتي الحراري المنخفض بسبب كتلة الألومنيوم إمكانية التبريد السريع أثناء الشحن السريع، مما يساعد في الحفاظ على طاقة الشحن القصوى أعلى من 250 كيلووات لفترة أطول.
• التوافق مع الموصلية المنخفضة، والسوائل العازلة غير القابلة للاشتعال يقلل من مخاطر ماس كهربائى دون التضحية بنقل الحرارة.
• يزيل هيكل الألومنيوم النحاسي الحشيات، مما يقلل من خطر تسرب سائل التبريد إلى حجرة البطارية ذات الجهد العالي.

تكامل تبريد المحركات وإلكترونيات الطاقة

تجمع وحدات القيادة الكهربائية بين المحرك وعلبة التروس والعاكس في هيكل واحد، مما يتطلب واجهة حرارية مشتركة. تعمل مبردات الزيت ذات الزعانف المصنوعة من الألومنيوم المدمجة في غلاف المحرك أو حلقات الالتفافية الخارجية على تبديد الحرارة من كل من اللفات الثابتة ومحامل الدوار. باستخدام تصميم لوحة الزعانف بأقطار هيدروليكية 2-4 ملم على الجانب النفطي، يمكن لوحدة مدمجة واحدة أن ترفض أكثر من ذلك 8 كيلو واط من الحرارة مع الحفاظ على درجة حرارة مخرج الزيت أدناه 85 درجة مئوية في وحدة محرك عالية الأداء بقدرة 200 كيلووات. بالنسبة لوحدات الطاقة، تعمل الألواح الأساسية المصنوعة من الألومنيوم المرتبطة بشكل مباشر مع قنوات الزعانف الداخلية على تقليل المقاومة الحرارية للوصلة إلى سائل التبريد إلى الأسفل 0.15 ك/وات ، مما يتيح استخدام IGBTs السيليكون الأقل تكلفة عن طريق الحفاظ على درجات حرارة الوصلات تحتها 150 درجة مئوية حتى في ذروة الحمل.

موازنة انخفاض الضغط وقوة المضخة

خيار التصميم الحاسم هو كثافة الزعانف مقابل انخفاض الضغط. على الجانب السائل، توجد لوحة باردة نموذجية للبطارية ذات زعانف 12 زعانف لكل بوصة (FPI) ينتج عنه انخفاض في ضغط سائل التبريد بمقدار حوالي 15 كيلو باسكال عند تدفق 10 لتر/دقيقة، مما يحافظ على السحب الطفيلي للمضخة الكهربائية بالأسفل 50 واط . تسمح هذه العقوبة المنخفضة للمركبة بتوجيه المزيد من طاقة البطارية نحو الجر. يمكن أن يؤدي ضبط تسنن الزعانف وأطوال الإزاحة إلى تقليل انخفاض الضغط بنسبة 20% أخرى دون المساس بنقل الحرارة، ولا يمكن أن تتطابق هندسة الزعانف الأنبوبية المرنة.

مزايا التصنيع والتكلفة والاستدامة

إن عملية اللحام بالفراغ دفعة واحدة المستخدمة في نوى صفائح الألمنيوم قابلة للتطوير بطبيعتها، مع إنتاج الخطوط الحديثة أكثر من 500.000 وحدة سنويا لكل فرن. يتجاوز استخدام المواد 95% ، حيث يتم إعادة تدوير قصاصات الزعانف مباشرة إلى ورقة جديدة. يمكن للوحة الباردة النموذجية لبطارية EV باستخدام الألومنيوم المغطى 3003/4045 أن توفر إجمالي تكلفة التصنيع أقل من 25 دولارًا للوحدة من حيث الحجم، أقل بكثير من الأداء المكافئ لوحدة النحاس والنحاس. كما أن غياب مخلفات التدفق والحد الأدنى من عمليات التنظيف بعد اللحام يقلل أيضًا من التأثير البيئي، بما يتماشى مع أهداف الحد من البصمة الكربونية لدورة الحياة الكاملة.

1. ختم الزعانف وألواح الفراق والقضبان الجانبية من لفائف الألمنيوم المكسوة.
2. التراص والتثبيت مع التحكم الدقيق في الفجوة لارتفاع الزعنفة.
3. لحام مختلط عند 600 درجة مئوية تقريبًا، مما يشكل روابط معدنية عند كل نقطة اتصال.
4. اختبار التسرب واضمحلال الضغط، ثم دمجها في وحدات التبريد.

التكامل على مستوى النظام والاستعداد المستقبلي

تعمل منصات سيارات الطاقة الجديدة من الجيل التالي على دمج الحلقات الحرارية في أنظمة الإدارة الحرارية المتكاملة (ITMS) باستخدام بنيات المضخات الحرارية. تعمل المبادلات الحرارية ذات الزعانف المصنوعة من الألومنيوم كمكثفات داخلية ومبخرات ومضخات حرارية خارجية نظرًا لقدرتها على العمل مع المبردات ذات القدرة المنخفضة على إحداث الاحترار العالمي مثل R-1234yf وR-290. تتيح صلابتها الهيكلية ومقاومتها للتآكل إمكانية التركيب المباشر في الوحدات الأمامية بدون أقواس ثقيلة. من خلال اعتماد مبردات ذات زعانف تجمع بين دوائر التبريد وسائل التبريد، يمكن للمركبة استرداد ما يصل إلى 2.5 كيلو واط من الحرارة المهدرة من مجموعة نقل الحركة لتدفئة المقصورة في الطقس البارد، مما يزيد من نطاق الشتاء 10-15% وفقا لمحاكاة النظام. يعمل هذا التنوع على تعزيز بنية ألواح الألمنيوم ليس فقط كمكون حراري، بل كعامل تمكين استراتيجي لتحسين طاقة السيارة بالكامل.