حزم البطاريات المخصصة لها سرعتها الخاصة في الشحن والتفريغ، والتي تولد بعض الحرارة بشكل طبيعي. القليل من الدفء أمر جيد، لكن الكثير منه يمكن أن يكون مشكلة. تلعب درجات الحرارة البيئية أيضًا دورًا – يمكن أن تكون الظروف الحارة ضارة، بينما تقلل الظروف الباردة من الكفاءة.
ولهذا السبب تعتبر الإدارة الحرارية مهمة في تصميم مجموعات البطاريات هذه؛ فهو يضمن التشغيل السلس من خلال الحفاظ على درجة الحرارة المناسبة ومنع ارتفاع درجة الحرارة أو التبريد الزائد أثناء الاستخدام والشحن.
ما هي الإدارة الحرارية؟
الإدارة الحرارية هي العملية التي تحافظ على النظام ضمن نطاق درجة حرارة التشغيل الخاصة به.
وفي الأجهزة الإلكترونية، يساعد على تبديد الحرارة الزائدة لمنع ارتفاع درجة الحرارة. نظرًا لأن معظم الأنظمة تولد الحرارة، فهناك خطر إتلاف المكونات الحساسة إذا تراكمت الحرارة أكثر من اللازم. علاوة على ذلك، فإن الحرارة الخارجية المفرطة يمكن أن تتداخل أيضًا مع الأجهزة الإلكترونية.
يستخدم المهندسون حلول الإدارة الحرارية في مختلف الصناعات، مثل الطيران والسيارات والبطاريات ومراكز البيانات. يعد الحفاظ على درجات الحرارة المثالية أمرًا بالغ الأهمية في التصميم لأنه يعزز الأداء والمتانة.
لإدارة الحرارة، غالبًا ما يعتمدون على أدوات مثل المشتتات الحرارية والمراوح للتبريد أو أنظمة التبريد السائلة مع السوائل المبردة للتبريد السريع. بالإضافة إلى ذلك، قد يستخدم المهندسون الحراريون مواد عازلة لتقليل انتقال الحرارة إلى المناطق الحساسة.
ما هو الفرق بين الإدارة الحرارية النشطة والسلبية؟
يقوم المهندسون بتطوير أنظمة الإدارة الحرارية باستخدام التقنيات النشطة والسلبية.
تتطلب المكونات النشطة، مثل المراوح والمضخات، مصدر طاقة خارجي، في حين أن العناصر السلبية، مثل المشتتات الحرارية والأنابيب، لا تتطلب ذلك.
تعمل التكنولوجيا السلبية على تحسين العمليات الطبيعية مثل التوصيل أو الحمل الحراري أو الإشعاع داخل النظام.
يهدف كلا النوعين إلى تحسين تبديد الحرارة والحفاظ على درجات حرارة التشغيل. نظرًا لأن الأدوات السلبية لا تحتاج إلى طاقة إضافية، فهي عادةً ما تكون أكثر ملائمة للميزانية من خيارات الإدارة الحرارية النشطة.
أمثلة على طرق التبريد النشطة
الحمل القسري
تستخدم الكثير من أجهزة التبريد النشطة مراوح أو منافيخ لتعزيز تدفق الهواء حول الأجزاء الساخنة، مما يساعد على تبريد الأشياء. من خلال دفع الهواء الساخن بعيدًا بشكل أسرع، تعمل هذه الطريقة على زيادة الحمل الحراري وتجعل طريقة تبديد الحرارة أكثر فعالية.
مبردات حرارية
تعد المبردات الكهروحرارية، أو المضخات الحرارية ذات الحالة الصلبة، شائعة جدًا عند العمل مع أشباه الموصلات. إنها نحيفة ومدمجة، وعادةً ما تكون محصورة بين المشتت الحراري ومصدر الحرارة.
عند تطبيق الجهد عليها، فإنها تخلق فرقًا في درجة الحرارة بين الجانبين. تساعد هذه الفجوة الحرارية الأكبر على تعزيز معدل التوصيل.
أمثلة على طرق التبريد السلبية
بالوعة الحرارة
تعتبر المشتتات الحرارية شائعة في معدات التبريد السلبية.
بشكل أساسي، يتم توصيل المشتت الحراري، المصنوع من معدن مثل النحاس أو الألومنيوم الذي يوصل الحرارة بشكل جيد، بمصدر الحرارة. تنتقل الطاقة الحرارية عبر المعدن عن طريق التوصيل من الجزء الساخن ويتم إطلاقها في الهواء المحيط من خلال الحمل الحراري الطبيعي من سطح المشتت الحراري.
موزعات الحرارة
موزعات الحرارة هي أجهزة تبريد سلبية شائعة تستخدم رقائق موصلة للحرارة أو ألواح معدنية لتوزيع الحرارة المركزة على مساحة أكبر. تعمل عادةً كمواد وسيطة بين مصدر الحرارة والمبادلات الحرارية الثانوية.
الإدارة الحرارية لكيمياء البطارية المختلفة
تعمل الأنواع المختلفة من البطاريات بشكل أفضل ضمن نطاقات معينة من درجات الحرارة. فيما يلي ملخص سريع عن درجات الحرارة المثالية للشحن والتفريغ:
- ليثيوم أيون: الشحن بين 0 درجة مئوية و45 درجة مئوية؛ التفريغ من -20 درجة مئوية إلى 60 درجة مئوية
- NiMH/NiCAD: الشحن بين 0 درجة مئوية و45 درجة مئوية؛ التفريغ من -20 درجة مئوية إلى 65 درجة مئوية
- حمض الرصاص: الشحن والتفريغ جيدان من -20 درجة مئوية إلى 50 درجة مئوية
يعتمد المصنعون على البيانات الفنية ونماذج الكمبيوتر المصممة خصيصًا لتلبية احتياجات العملاء لمحاكاة كيفية أداء البطاريات في المواقف المختلفة، بما في ذلك التغيرات في درجات الحرارة. تساعد هذه النماذج المصممين على معرفة الحدود الحرارية حتى يتمكنوا من إنشاء أنظمة إدارة حرارية فعالة، والتأكد من أن حزم البطاريات تعمل بشكل جيد في جميع أنواع الظروف.
ماذا يحدث إذا كانت البطاريات تفتقر إلى الإدارة الحرارية
تسخن البطاريات بسبب مقاومة التيار الكهربائي. عندما يتدفق التيار عبر أجزاء مثل التوصيلات والإلكتروليتات، فإنه يولد الحرارة. تؤدي المزيد من المقاومة إلى مزيد من الحرارة، مما قد يؤدي إلى تآكل المواد وتقليل سعة البطارية، بل ويسبب ذلك في بعض الأحيان هارب حراري.
وعلى العكس من ذلك، فإن درجات الحرارة الباردة تقلل من الموصلية، مما يجعل من الصعب على الإلكترونات أن تتحرك وتزيد المقاومة. يمكن أن يؤدي ذلك إلى ضعف الأداء ومشاكل الشحن مع أنواع معينة من البطاريات.
خاتمة
يعد الهروب الحراري وانخفاض الإنتاجية من المشكلات الرئيسية في الإدارة الحرارية للبطاريات. تتطلب العديد من الشركات حزم البطاريات لاجتياز الاختبار الحراري للحصول على الشهادة. يساعد فهم تطبيقك وصناعتك المحددة في تصميم حزمة بطارية متوافقة توضح التشغيل الآمن.
