بررسی مدیریت حرارت باتری‌های لیتیوم-یون برای وسایل نقلیه الکتریکی

چکیده

مرجع پلیمر در بازار ایران (پلیم پارت) : درسال­‌های اخیر، مسائل انرژی و زیست­‌‌‌‌‌محیطی بیش ­از پیش برجسته شده است و خودروهای الکتریکی با باتری­‌های لیتیوم-یون مزایای زیاد و پتانسیل بالایی درکاهش این مشکلات از خود نشان داده­‌اند. در مقایسه با سایر باتری­‌ها، باتری‌­های لیتیوم-یون دارای مزایایی ازجمله انرژی ویژه بالا، چگالی انرژی بالا، پایداری طولانی، تخلیه خود بخودی کم و ماندگاری در مدت زمان طولانی هستند. با این‌­حال دمای باتری به یکی از مهمترین پارامترهایی تبدیل گردیده است که برای توسعه و گسترش وسایل نقلیه الکتریکی با باتری لیتیوم-یون، باید به درستی به آن رسیدگی نمایند. محیط­‌هایی با دمای بالاتر یا پایین­‌تر ظرفیت باتری یا عمر مفید آن را به طور جدی تحت تاثیر قرار می­‌دهند. ممکن است در دمای بالای محیطی در باتری­‌های لیتیوم- یون فرار حرارتی ایجاد گردد که منجر به اتصال کوتاه، احتراق، انفجار و سایر مشکلات ایمنی را می­‌گردد. دندریت­‌های لیتیومی نیز ممکن است در باتری­‌های لیتیوم-یون در دمای پایین ظاهر شوند و باعث ایجاد اتصال کوتاه، جلوگیری از شروع کار و سایر خطاهای عملیاتی گردند. در این مقاله روش­‌های مدیریت حرارتی مورد استفاده باتری­‌های لیتیوم-یون معرفی شده است و مزایا و معایب آنها مورد بحث قرار می­‌گیرند. درعین حال چشم‌­اندازی از  توسعه آینده نیز ارائه می­‌گردد.

نتیجه­‌گیری و چشم­‌اندازها

مشکل دمای پایین/ بالای باتری‌­های لیتیوم-یون (LIB[1]) بایستی برای توسعه بهتر خودروهای برقی حل شود. از آنجایی که خودروهای برقی باید به­‌طور پیوسته مورد استفاده قرار گیرند و مناطق مختلف از نظر آب و هوا متفاوت هستند، محیط کار LIB برای خودروهای برقی بسیار پیچیده است. به­‌ویژه یک راهی برای حفظ دمای عملیاتی LIBها برای همه شرایط آب و هوایی موردنیاز است. در این مقاله روش­‌های مختلف پیشنهادی برای بهبود عملکرد دمای پایین LIBها از جمله گرمایش هوا، گرمایش مایع، گرمایش الکتریکی، گرمایش PCM[2] و سایر روش‌­های گرمایش خلاصه گردیده است. از سوی دیگر، روش­‌های مختلفی نیز برای بهبود عملکرد دمای بالای LIBها براساس خنک کننده هوا، خنک کننده مایع و خنک­ کننده PCM پیشنهاد شده است. روش گرمایش/ سرمایش هوا به فن، کانال هوا و سایر لوازم جانبی نیاز دارد. کل سیستم نسبتاً بزرگ است و راندمان انتقال حرارت پایین است. گرمایش/ سرمایش مایع از تاسیسات فن و مجرای هوا جلوگیری می­‌نمایند، اما به جای آن به پمپ، لوله و سایر لوازم جانبی نیاز دارد. استفاده از مایع راندمان انتقال حرارت را تا حد زیادی بهبود می­‌بخشد، اما نشت مایع همیشه یک خطر بزرگ است. گرمایش الکتریکی نسبتاً ساده و کارآمد است و بنابراین به رایج‌­ترین روش گرمایش تبدیل می­‌گردد. با این‌­حال ممکن است منجر به دمای نامساعد بسته باتری و کاهش طول عمر آن شود. علاوه‌­بر این در صورت استفاده از PCM­های مناسب، این مواد نیز برای مدیریت حرارت LIBها، برای گرمایش زمستانی و سرمایش تابستانی، انتخاب خوبی هستند.

تعدادی از چشم­‌اندازها را می­‌توان به عنوان جهت­‌گیری­‌های تحقیقات آینده به این صورت خلاصه کرد:

• روش­‌های منطبق شده برای حفظ دمای پایدار و یکنواخت بسته باتری.
• سیستم گرمایش/ سرمایش باتری، سازگار با سیستم تهویه مطبوع خودرو و مدیریت حرارتی یکپارچه خودرو با استفاده منطقی از منابع.
• اصلاح الکترولیت LIBها به منظور تغییر ترکیب الکترولیت آنها، به­‌طوری که اساساً عملکرد دمای پایین LIBها را بهبود بخشد.
• اثر پیری باتری توسط مدیریت حرارت هنوز به مطالعه نیاز دارد.

[1] Lithium – ion battery (LIB)

[2] Phase change material

Reference : Zhang X, Li Z, Luo L, Fan Y, Du Z. A review on thermal management of lithium-ion batteries for electric vehicles. Energy. 2022 Jan 1; 238:121652

ترجمه و ویرایش : شیرین میران موسوی

هانیه میران موسوی