بررسي تجربي يك سيستم مديريت حرارتي هيبريدي با مبرد و مواد تغيير فاز دهنده

كارشناسي ارشد

استفاد‌ه ‌از خودروهاي برقي و هيبريدي به عنوان يكي از راه‌هاي موثر در كاهش خطرات و اثرات آلاينده‌ها و بحران‌هاي نفتي به شمار مي‌رود. در اين رابطه، به طور معمول بحث باطري، ظرفيت و مديريت حرارتي آن در اين بزرگترين تهديد و مانع در گسترش طراحي و استفاد‌ه‌از خودرو‌هاي برقي بوده و هست. باتري‌هاي ليتيوم-يون وليتيوم-پليمر از بهترين انواع باتري‌ها براي كاربردهاي خودرويي در نظر گرفته مي‌شوند. اما در اين ميان تاثيرات مخرب افزايش و تفاوت حرارت در سلول‌ها كه شامل كاهش كارايي، كاهش ظرفيت، و افزايش حرارت زنجيره‌اي به طور مبسوط بحث و اثبات شد‌ه‌اند. مدل‌هاي گوناگوني براي شبيه سازي توليد و انتقال حرارت در اين باتري‌ها ارائه شده كه در اين ميان مي‌توان به مدل‌هاي برقي-شيميايي، مدار معادل و برقي-شيميايي كوپله با مدل‌هاي برقي-حرارتي اشاره كرد. به منظور يكسان سازي و ثابت نگه داشتن دماي سلول‌هاي پك باتري، روش‌هاي متعدد مديريت حرارتي ابداع و به كار گرفته شده. اين روش‌ها را به سه دسته كلي: خنك كاري فعال، خنك كاري غير فعال و خنك كاري تركيبي(هيبريد) مي‌توان تقسيم بندي نمود. در روش فعال جهت خنك كاري انرژي صرف ‌مي‌گردد، مانند سيستم‌هاي خنك كاري با آب و اتيلن گليكول كه در خودروهاي با كارايي بالا مي‌توان نمونه‌هاي آن را ديد. در روش غير فعال خنك كاري بدون صرف انرژي صورت ‌مي‌پذيرد، نظير استفاد‌ه ‌از موادي با ظرفيت ذخيره سازي حرارتي بالا مانند مواد تغيير فاز دهنده كه نقطه ضعف اين روش عدم كنترل پذيري خنك كاري و كارايي پايين در برخي شرايط مي‌باشد. روش‌هاي تركيبي در اين ميان سعي مي‌كنند تا با بهره گيري از سودمندي‌ها و پوشش كاستي‌هاي هر دو روش، سامانه‌اي بهينه براي كارايي هرچه بيشتر توليد كنند. مدل‌هاي متعددي از سيستم‌هاي هيبريدي تا كنون توسعه داده شده است كه عملكرد خوب اين سيستم‌ها را تاييد مي‌كنند. اما تركيب سيستم هواي تبريد شده و مواد تغيير فاز دهنده تا كنون بررسي نشده است. اين سيستم همان‌طور كه در نتايج ارائه خواهد شد، عملكرد بسيار خوبي در محيط‌هاي خيلي گرم از خود نشان ميدهد. گرچه وجود مواد تغيير فاز دهنده در دماهاي نرمال براي خنك كاري ‌سلول‌ها كافيست و بدون مصرف انرژي تعادل حرارتي كاملا حفظ مي‌شود، اما وجود سيستم مبرد در دماهاي بالاتر ضروري است و نو‌آوري اين پژوهش به شمار مي‌رود. اين پژوهش با ساخت يك دستگاه تست، خنك كاري تركيبي با هواي تبريد شده و مواد تغيير فازدهنده را در چند نمونه بررسي مي‌كند. در اين پژوهش اثر دماي محيط در شرايط آب و هوايي بسيار گرم، استفاد‌ه‌از فين و مواد تغيير فازدهنده مورد آزمايش قرار گرفته‌ است. براي شبيه سازي بار حرارتي سلول‌ها از گرم‌كن‌هاي سيمي و به منظور جبران سازي ظرفيت حرارتي باتري ليتيوم يون، از سراميك به عنوان هسته‌اين المنت استفاده شد‌ه‌ است. به طور خلاصه ميتوان بيان كرد كه در شرايطي كه هواي محيط دماهاي 40 تا 45 درجه سانتيگراد قرار دارد، استفاد‌ه ‌از سيكل تبريد براي مديريت حرارت باتري‌ها حياتي است. داده شد كه در دماهاي پايينتر استفاده از مواد تغيير فاز دهنده به خوبي از عهده خنك كاري بر مي‌آيد، و از طرفي، سيستم مبرد به تنهايي باعث ايجاد گراديان دمايي قابل توجهي در باتري‌ها شده و يكنواختي حرارتي آنها را از بين مي‌برد كه خود باعث كاهش پيمايش و عمر باتري‌هاست. اما با استفاد‌ه‌ از مواد تغيير فازدهنده مي‌توان اين عدم يكنواختي را از بين برد. در نهايت با بررسي انواع فين‌ها، نوع مارپيچ آن به تبادل حرارتي مواد تغيير فازدهنده و همچنين باتري‌ها از انواع شعاعي و طولي موثرتر بود كه مي‌تواند با افزايش سرعت تبادل حرارت انرژي مورد نياز خنك‌كاري را كاهش داد.

195979

دانشگاه علم و صنعت ايران

مسعود دهمرده

مهندسي خودرو

غلامرضا مولايي منش