پمپ‌های حرارتی چندمنبعی و مدیریت حرارتی خودروهای برقی
راز بقای باتری در زمستان؛ چگونه پمپ‌های حرارتی چندمنبعی و لوپ‌های حرارتی یکپارچه، افت مسافت خودروهای برقی در روزهای برفی را به فراموشی سپردند.
- تحلیل مهندسی و جامع نسل جدید سیستم‌های مدیریت حرارتی خودروهای الکتریکی (Thermal Management Systems) امروزه کالبدشکافی شیرهای چندمسیره هوشمند (مانند تکامل هشت‌راهه اکتاوالو)، پمپ‌های حرارتی فوق‌پیشرفته با مبردهای طبیعی R744 (دی‌اکسید کربن فوق بحرانی)، بازیافت هوشمند کوچک‌ترین ژول‌های گرمای اتلافی از اینورترهای SiC، موتورها و پردازنده‌های خودران، پیش‌گرم‌ایش دینامیک باتری قبل از شارژ سریع، و حفظ بیش از ۹۰ درصد مسافت قابل‌پیمایش در اقلیم‌های قطبی و برفی.
- بررسی جامع ابعاد فنی و کاربردی توسط تحریریه ماگ بیت.
- پیش‌بینی اثرات کوتاه‌مدت و بلندمدت بر اکوسیستم فناوری.
چرا سرمای زمستان همواره کابوس رانندگان خودروهای برقی سنتی بوده است؟
در خودروهای احتراق داخلی سنتی، اتلاف بیش از ۶۰ درصد انرژی سوخت به شکل گرمای هدررفته موتور، اگرچه از نظر راندمان مکانیکی فاجعه‌بار بود، اما یک مزیت رایگان به همراه داشت: کابین خودرو در سردترین روزهای زمستان با استفاده از حرارت رادیاتور گرم می‌شد. در مقابل، پیشرانه‌های الکتریکی مدرن با بازدهی بالای ۹۰ درصد، گرمای اتلافی بسیار ناچیزی تولید می‌کنند. در نسل‌های اولیه خودروهای برقی، خودروسازان برای گرمایش کابین ناچار به استفاده از بخاری‌های مقاومتی با ضریب مقاومت مثبت (PTC Heaters) بودند؛ عناصری پرمصرف که تا ۶ کیلووات برق را مستقیماً از باتری می‌بلعیدند.
نتیجه این رویکرد بدوی، افت ۳۰ تا ۴۵ درصدی برد پیمایش خودروهای برقی در دماهای زیر صفر درجه سانتی‌گراد بود؛ پدیده‌ای که تحت عنوان «اضطراب مسافت در زمستان» مانع بزرگی در برابر پذیرش همگانی اتومبیل‌های برقی در مناطق سردسیر ایجاد می‌کرد. علاوه بر سرمایش کابین، مقاومت داخلی سلول‌های باتری در دمای سرد به شدت افزایش یافته و فرآیند شارژ سریع را فلج می‌کرد.
مهندسان دریافتند که مدیریت گرما در یک اتومبیل برقی نباید به صورت جزیره‌ای دیده شود؛ بلکه به سیستم گردش خون حرارتی یکپارچه‌ای نیاز است که هر میلی‌ژول انرژی تلف‌شده در قطعات الکترونیکی را مدیریت نماید؛ رویکردی که امروزه با پمپ‌های حرارتی چندمنبعی به اوج تکامل رسید.
کالبدشکافی پمپ‌های حرارتی مدرن با مبرد دی‌اکسید کربن فوق بحرانی (R744)
تحول بنیادین در پمپ‌های حرارتی دوران کنونی جایگزینی گازهای مبرد فلوئوردار سنتی با مبرد طبیعی دی‌اکسید کربن فوق بحرانی (R744) تحت فشارهای بالای ۱۲۰ بار است. خواص ترمودینامیکی شگفت‌انگیز CO2 فوق بحرانی به پمپ حرارتی اجازه می‌دهد حتی در دمای استخوان‌سوز منفی ۲۵ درجه سانتی‌گراد با ضریب عملکرد (COP) بالای ۲.۸ کار کند؛ به این معنا که به ازای هر ۱ کیلووات انرژی برق مصرفی، نزدیک به ۳ کیلووات انرژی گرمایی خالص تولید می‌نماید.
این راندمان خیره‌کننده مصرف برق سیستم تهویه مطبوع را بیش از ۷۰ درصد نسبت به بخاری‌های PTC کاهش داده است. پمپ حرارتی به صورت یک سیستم تبرید معکوس عمل می‌کند و قادر است گرما را هم از هوای محیط بیرون و هم از گرمای پنهان مایع خنک‌کننده درون باتری و قطعات الکترونیکی استخراج نماید.
این دستاورد مهندسی مستقیماً با پیشرفت‌های ارزیابی‌شده در پیشرانه‌های برقی با سیم‌پیچی هیرپین و اینورترهای کاربید سیلیکون (SiC) گره خورده است؛ زیرا اینورترهای SiC با چگالی توان بالاتر نیازمند خنک‌کاری دقیق هستند و حرارت استخراج‌شده از آنها به عنوان ورودی ارزشمند به چرخه گرمایش کابین بازمی‌گردد.
شیرهای چندراهه یکپارچه؛ شاهراه تبادل ژول‌های انرژی میان کابین، باتری و پیشرانه
راز انسجام سیستم‌های مدیریت حرارتی در حذف ده‌ها لوله و رادیاتور پراکنده و جایگزینی آنها با یک ماژول چندراهه مرکزی (تکامل شیر هشت‌راهه اکتاوالو به معماری‌های پیشرفته دوازده‌راهه دایکست) نهفته است. این شیر کنترل مرکزی که مستقیماً به کنترلرهای منطقه‌ای متصل است، می‌تواند بیش از ۱۶ حالت تبادل حرارتی گوناگون را با سوئیچینگ موقعیت سوپاپ‌ها پیکربندی کند.
برای نمونه، در حالت رانندگی با سرعت بالا در بزرگراه، گرمای تولیدشده توسط استاتور موتور و کامپیوتر مرکزی رانندگی خودکار توسط مایع خنک‌کننده جذب شده و به جای دور ریخته شدن در اتمسفر، مستقیماً به سمت مبدل حرارتی پمپ فرستاده می‌شود تا کابین مسافران را گرم نگه دارد. همچنین در روزهای گرم تابستان، مسیر مایع برعکس شده و خنک‌کاری عمیق سلول‌ها اولویت می‌یابد.
این سطح از کنترل دینامیک تنها در بستر خودروهای متمرکزی امکان‌پذیر است که پیش‌تر در خودروهای نرم‌افزارمحور (SDV) و معماری الکترونیکی ناحیه‌ای تحلیل شدند؛ جایی که نرم‌افزار مرکزی شرایط دمایی تک‌تک ماژول‌ها را با الگوریتم‌های پیش‌بینانه هدایت می‌کند.
تاثیر پیش‌شرط‌سازی هوشمند (Pre-Conditioning) بر شتاب سوپرشارژ و کاهش استهلاک سلول‌ها
یکی دیگر از شاهکارهای مدیریت حرارتی یکپارچه، قابلیت پیش‌گرم‌ایش هوشمند پک باتری (Pre-Conditioning) در مسیر ایستگاه‌های شارژ است. هنگامی که راننده ایستگاه شارژ را در سیستم ناوبری انتخاب می‌کند، پمپ حرارتی با ترکیب گرمای اتلافی پیشرانه و چرخه داخلی، دمای سلول‌های لیتیومی را پیش از اتصال به کابل شارژ دقیقاً به دمای بهینه ۳۲ درجه سانتی‌گراد می‌رساند.
این پیش‌گرم‌ایش هوشمند مانع از پدیده مخرب رسوب لیتیوم (Lithium Plating) در آند شده و به خودرو اجازه می‌دهد تا بلافاصله پس از اتصال به سوپرشارژرهای مگاواتی و معماری‌های ولتاژ بالا، توان کامل ۵۰۰ کیلوواتی را بدون افت سرعت دریافت نماید و زمان شارژ ۱۰ تا ۸۰ درصد را به زیر ۱۲ دقیقه برساند.
پمپ‌های حرارتی چندمنبعی امروزه ثابت کردند که بهره‌وری در خودروهای برقی تنها در ظرفیت باتری خلاصه نمی‌شود؛ آینده متعلق به خودروهایی است که گرما و سرما را همانند یک ارکستر سمفونیک بی‌نقص مدیریت می‌نمایند.
بیشتر از خودرو
