چگونگی فرآیند خنک کاری در خودرو های برقی

در این مطلب آخرین خودرو به بررسی خنک کاری در خودرو های برقی که اهمیت بالایی در ارائه راندمان مطلوب دارد می پردازیم.

باتوجه‌به روند فزاینده جهانی در راستای کاهش آلاینده‌های زیست‌محیطی و گذار به سمت انرژی‌های پاک، صنعت خودروی الکتریکی به‌عنوان یکی از ستون‌های اصلی حمل‌ونقل آینده مطرح شده است. با حذف موتورهای احتراق داخلی، گرچه بسیاری از منابع آلایندگی و صدا کاهش یافته‌اند، اما چالش‌های حرارتی همچنان به‌ قوت خود باقی‌ هستند و حتی در برخی موارد پیچیده‌تر شده‌اند. در خودروهای برقی، اجزای کلیدی نظیر بسته‌های باتری لیتیوم – یون، موتورهای الکتریکی، اینورترها و سامانه‌های شارژ سریع، به دلیل تراکم بالای انرژی و جریان‌های بالا، گرمای قابل‌توجهی تولید می‌کنند. در صورت عدم کنترل مؤثر این گرما، کارایی، ایمنی و عمر اجزای حیاتی به‌شدت تحت‌تأثیر قرار می‌گیرد. در این میان، طراحی و پیاده‌سازی یک سامانه مدیریت حرارتی (Thermal Management System – TMS) دقیق و واکنش‌گرا، نه‌تنها ضرورتی عملیاتی محسوب می‌شود، بلکه از منظر ایمنی، مهندسی قابلیت اطمینان و بهینه‌سازی انرژی، جایگاهی بنیادین در معماری خودروهای الکتریکی دارد. این مقاله به بررسی عمیق انواع سامانه‌های خنک‌کاری، ویژگی‌های فنی، مزایا و چالش‌های هریک، و همچنین افق‌های فناورانه پیشرو در این حوزه می‌پردازد.

اجزای نیازمند خنک‌کاری و دلایل آن

در خودروهای برقی، چندین زیرسیستم کلیدی وجود دارند که به دلیل تولید حرارت قابل‌توجه، نیازمند مدیریت حرارتی دقیق هستند. در ادامه، مهم‌ترین این اجزا و دلایل نیاز به خنک‌کاری آن‌ها توضیح داده می‌شود:

باتری

بسته‌های باتری، به‌ویژه انواع لیتیوم – یون، به دلیل مقاومت داخلی سلول‌ها و واکنش‌های الکتروشیمیایی در طول چرخه‌های شارژ و دشارژ، به طور مداوم گرما تولید می‌کنند. افزایش بیش از حد دمای باتری می‌تواند منجر به کاهش راندمان، افت ولتاژ، کاهش عمر چرخه‌ای، و در موارد بحرانی، وقوع پدیده‌ای به نام حرارت‌گریزی (Thermal Runaway) شود. محدوده دمایی بهینه برای عملکرد باتری معمولاً بین ۲۰ تا ۴۰ درجه سلسیوس تعریف می‌شود.

 موتور الکتریکی

موتورهای الکتریکی در هنگام عملکرد تحت بار، به‌واسطه‌ی تلفات در سیم‌پیچ‌ها، جریان‌های گردابی در هسته، و اصطکاک مکانیکی در یاتاقان‌ها، حرارت تولید می‌کنند. افزایش دما می‌تواند باعث آسیب به عایق سیم‌پیچ‌ها شود، به‌ویژه اگر دمای کاری از حد مجاز تعریف‌شده معمولاً کمتر از ۸۵ درجه برای کلاس عایقی F فراتر رود؛ بنابراین، سامانه خنک‌کاری مؤثر برای حفظ پایداری حرارتی موتور ضروری است.

اینورتر و مبدل‌های قدرت

اینورترها و مبدل‌های الکترونیکی وظیفه تبدیل جریان مستقیم (DC) باتری به جریان متناوب (AC) برای تغذیه موتور را دارند. این فرایند شامل سوئیچینگ سریع نیمه‌ رساناها است که تلفات حرارتی قابل‌توجهی به همراه دارد. در نبود خنک‌کاری مناسب، این تجهیزات ممکن است به دماهایی فراتر از ۱۰۵ درجه سلسیوس برسند که عملکرد و طول عمر آن‌ها را به‌شدت تحت‌تأثیر قرار می‌دهد.

شارژرهای سریع (On-board یا DC Fast Charger)

شارژرهای سریع، به‌ویژه هنگام استفاده از فناوری‌های شارژ با توان بالا (مانند ۱۵۰ کیلووات به بالا)، جریان زیادی از شبکه به باتری منتقل می‌کنند. این فرایند باعث ایجاد تلفات اهمی در مدارات داخلی و افزایش دمای شارژر می‌شود. محدوده دمایی مطلوب برای عملکرد این تجهیزات بین ۸۵ تا ۹۰ درجه سلسیوس است. در نتیجه، طراحی سیستم‌های خنک‌کاری مؤثر برای آن‌ها به‌ویژه در شرایط شارژ سریع بسیار حیاتی است.

انواع روش‌های خنک‌کاری در خودروهای برقی

خنک‌کاری با هوا

روش نخست، خنک‌کاری با هوا است که در آن گرما از طریق جریان طبیعی یا اجباری هوا دفع می‌شود. این روش به دلیل سادگی طراحی، وزن کم و هزینه پایین، در خودروهای الکتریکی ابتدایی یا مدل‌های با توان کم مورداستفاده قرار می‌گیرد. به‌عنوان‌مثال، نسل اول نیسان لیف و برخی مدل‌های هیبرید سبک از این روش بهره می‌برند. بااین‌حال، کارایی محدود این سامانه در دفع حرارت، به‌ویژه در شرایط آب‌وهوایی گرم یا هنگام شارژ سریع، موجب شده تا امروزه کمتر مورداستفاده قرار گیرد. از سوی دیگر، وابستگی کامل به شرایط محیطی و نبود کنترل دقیق دما، از محدودیت‌های ذاتی این روش است. مزیت اصلی آن حذف نیاز به پمپ، رادیاتور یا مبدل‌های حرارتی است که ساده‌سازی طراحی و کاهش وزن را به همراه دارد.

خنک‌کاری مایع

در سطحی پیشرفته‌تر، خنک‌کاری مایع به‌عنوان رایج‌ترین و مؤثرترین راهکار در خودروهای الکتریکی مدرن شناخته می‌شود. در این روش، مایعی معمولاً ترکیبی از آب و اتیلن گلایکول (ضد یخ) در یک‌چرخه بسته به گردش درمی‌آید تا گرما را از اجزایی مانند باتری، موتور یا اینورتر جذب کرده و از طریق رادیاتور به محیط بیرون منتقل کند. مزیت کلیدی این سامانه در ضریب انتقال حرارت بالا (حدود ۲۰ برابر بیشتر از هوا)، امکان کنترل دقیق دما و قابلیت عملکرد در بارهای حرارتی شدید است. در خودروهای رده‌بالا، مدارهای خنک‌کاری مجزا یا ماژولار برای هر بخش طراحی می‌شود. به‌عنوان نمونه، تسلا مدل S از معماری خنک‌کاری ماژولار برای بسته‌های باتری بهره می‌برد، در حالی که پورشه تایکان دارای سامانه‌ای دوکاناله است که موتور و باتری را به‌صورت جداگانه کنترل حرارتی می‌کند. بااین‌وجود، خنک‌کاری مایع معایبی مانند افزایش وزن، هزینه بیشتر و نیاز به نگهداری دوره‌ای سیستم دارد که در طراحی باید مدنظر قرار گیرد.

خنک‌کاری مبتنی بر مواد تغییر فاز (PCM)

در برخی سامانه‌ها، به‌ویژه آن‌هایی که در معرض پیک حرارتی لحظه‌ای هستند، از مواد تغییرفازدهنده (PCM) استفاده می‌شود. این مواد در محدوده دمایی مشخص، با جذب حرارت، فازشان از جامد به مایع تغییر می‌کند و بدون افزایش شدید دما، گرمای زیادی را ذخیره می‌نمایند. خنک‌کاری PCM به طور معمول به‌عنوان مکمل خنک‌کاری مایع به کار گرفته می‌شود؛ به‌خصوص در کاربردهایی که نیاز به مدیریت شوک‌های حرارتی ناگهانی نظیر شارژ فوق‌سریع وجود دارد. البته یکی از محدودیت‌های این روش، نرخ پایین بازیابی آن است—به عبارتی، زمان لازم برای بازگشت ماده به فاز اولیه و آمادگی مجدد برای جذب گرما بالا است. همچنین این روش برای بارهای حرارتی پیوسته کارایی لازم را ندارد.

خنک‌کاری مستقیم با مایع دی‌الکتریک

پیشرفته‌ترین رویکرد در میان فناوری‌های کنونی، استفاده از مایعات دی‌الکتریک در خنک‌کاری مستقیم اجزاست که با عنوان  Immersion Cooling  شناخته می‌شود. در این روش، اجزای حیاتی مانند ماژول‌های باتری یا نیمه‌هادی‌های قدرت مستقیماً در مایعی نارسانا و پایدار نظیر Novec یا Fluorinert غوطه‌ور می‌شوند. این مایعات بدون ایجاد اتصال الکتریکی، حرارت را به‌صورت یکنواخت از سطح تماس جذب و دفع می‌کنند. مزایای این فناوری شامل انتقال حرارت بسیار مؤثر، کاهش نقاط داغ موضعی و عملکرد بی‌نقص در شرایط بار بالا مانند شارژهای سریع ۳۵۰ کیلوواتی است. بااین‌حال، چالش‌هایی همچون هزینه بسیار بالا، نیاز به مایعات تخصصی و مسائل مربوط به طراحی دقیق مخازن و آب‌بندی، مانع از فراگیرشدن این روش در محصولات تجاری شده است. شرکت‌هایی مانند جنرال‌موتور و BMW در حال حاضر روی توسعه نسل جدید باتری‌های Immersion-Cooled برای خودروهای عملکرد بالا تحقیق می‌کنند.

با افزایش چگالی انرژی در باتری‌ها، توان بالاتر موتورهای الکتریکی و گسترش فناوری‌های شارژ فوق‌سریع، نیاز به سامانه‌های خنک‌کاری پیشرفته‌تر بیش‌ازپیش احساس می‌شود. در این راستا، چند مسیر فناورانه در حال شکل‌گیری هستند که می‌توانند نسل آینده مدیریت حرارتی در خودروهای برقی را متحول کنند. یکی از مهم‌ترین این فناوری‌ها، خنک‌کاری دوفازی (Two-Phase Cooling) است. در این روش، از سیالاتی استفاده می‌شود که در بازه دمای عملیاتی به نقطه جوش می‌رسند. این سیالات در فرایند تغییر فاز از مایع به بخار، گرمای زیادی جذب کرده و در نهایت در کندانسور به فاز مایع بازمی‌گردند. این چرخه دوفازی امکان دفع حرارت بسیار شدید را در فضای محدود فراهم می‌کند و به‌ویژه برای سیستم‌های قدرت با چگالی بالا و بسته‌های باتری فشرده مناسب است. در حوزه مواد، مایعات نانویی (Nano-fluids) به‌عنوان یکی از نویدبخش‌ترین گزینه‌ها مطرح‌اند. این سیالات با افزودن نانوذرات فلزی یا سرامیکی به مایعات پایه (نظیر آب یا گلایکول) طراحی می‌شوند و می‌توانند ضریب انتقال حرارت را به طور چشمگیری افزایش دهند، بدون آنکه موجب افزایش قابل‌توجه جرم یا ویسکوزیته شوند. این ویژگی باعث شده تا نانوسیالات به گزینه‌ای جدی برای ارتقای راندمان خنک‌کاری در فضاهای کوچک و با بار حرارتی بالا تبدیل شوند. از منظر نرم‌افزاری و هوش مصنوعی، سامانه‌های هوشمند مدیریت حرارتی مبتنی بر یادگیری ماشین نیز درحال‌توسعه هستند. این سیستم‌ها با تحلیل داده‌های لحظه‌ای نظیر سبک رانندگی، شرایط آب‌وهوایی، و الگوی مصرف، قادرند به‌صورت پویا نرخ گردش مایع، باز و بسته‌شدن شیرهای حرارتی، و عملکرد فن‌ها را تنظیم کرده و بدین ترتیب، پایداری دمایی و مصرف انرژی بهینه‌تری فراهم آورند.

در واقع، خنک‌کاری از یک فرایند صرفاً مکانیکی به یک سیستم هوشمند و تطبیقی تبدیل خواهد شد. در نهایت، از منظر طراحی فیزیکی نیز نوآوری‌هایی در حال ظهور است. پکیج‌های باتری با مسیرهای حرارتی سه‌بعدی (3D Thermal Paths) یکی از این مفاهیم نوین هستند که در آن‌ها، مسیرهای داخلی برای انتقال حرارت به‌گونه‌ای طراحی می‌شوند که گرما به‌صورت یکنواخت در ساختار سلولی توزیع شود. این ساختارهای سه‌بعدی، نه‌تنها نقاط داغ موضعی را حذف می‌کنند؛ بلکه امکان یکپارچه‌سازی بهتر با سیستم‌های خنک‌کاری خارجی را نیز فراهم می‌سازند. مجموعه این نوآوری‌ها در کنار یکدیگر، آینده‌ای را ترسیم می‌کنند که در آن سامانه‌های حرارتی خودروهای برقی نه‌تنها پاسخگوی نیازهای امروز خواهند بود، بلکه بستر مناسبی برای توسعه فناوری‌های توان بالا، برد بیشتر، ایمنی بالاتر و بهره‌وری انرژی در مقیاس صنعتی فراهم می‌سازند.

مدیریت حرارتی نه‌تنها به‌عنوان یک ابزار حفاظتی، بلکه به‌عنوان یک عامل مؤثر در افزایش برد عملیاتی، کاهش زمان شارژ، و حتی کاهش ریسک‌های ایمنی در شرایط بحرانی عمل خواهد نمود—نقشی که آن را به یکی از حوزه‌های کلیدی در طراحی نسل آینده خودروهای الکتریکی بدل می‌سازد.

ویدیوی معرفی بزرگترین شاسی بلند فولکس واگن ؛ ترامونت به ایران رسید