حلول مبتكرة للاستبدال في محطات الشحن السريع

الآثار المتعلقة بالسلامة والأداء

ويمكن أن يؤدي التسخين المفرط إلى وقف فوري، ولكن الإجهاد الحراري المزمن يقلل من عمر عنصر الحياة من خلال التعجيل بآليات الشيخوخة مثل الهجرة الكهرومغناطيسية، والتجفيف من قبل المكثفات، والإجهاد المشترك المباع، وفي الحالات القصوى، يشكل المجرى الحراري في البطاريات أو الشاحنات مخاطر حرائق، كما أن التبريد الفعال يؤثر أيضا تأثيرا مباشرا على سرعة الشحن: إذ أن محطات عديدة تحد من تسليم الطاقة استنادا إلى التغذية المرتدة، مما يعني أن تكون أفضل.

أساليب التبريد التقليدية والحدود المفروضة عليها

Air cooling

وتُعد التبريد الجوي الجاد باستخدام المراوح والوعات الحرارية النهج الأبسط وأكثر فعالية من حيث التكلفة، وهي تعمل جيداً على شحنات من المستوى الثاني الأدنى من الطاقة (حتى 22 كيلوواط) وبعض الشحنات السريعة في العاصمة، غير أن فعاليتها تتناقص مع ارتفاع مستويات الطاقة فوق 150 كيلوواط، لأن معامل النقل الحراري للهواء منخفض، مما يتطلب وجود بواليع حرارية عالية ومعدلات مرتفعة للتدفق الجوي.

سائل التبريد

فإصلاح السائل باستخدام خلائط الماء - الزرق، أو السوائل الديكلتري، أو الثلاجات، يتيح كفاءة أكبر بكثير في نقل الحرارة، وتوزع نظم الصمامات المغلقة على لوحات باردة ملحقة بوحدات الطاقة، وترفض الحرارة عن طريق جهاز للتشعير أو المبرد، ويتسبب العديد من أجهزة التكرير الحديثة التي تستخدم في سعة حرارة عالية (مثلا، 5 في المائة في محطات توليد الطاقة الكهربائية - 3، تسهلة) في استخدام الكابلات

تقنيات التبريد المبتكرة

وقد استحدثت البحوث والتطوير التجاري في الآونة الأخيرة عدة نهج لتبريد الجيل القادم تعالج أوجه القصور في الأساليب التقليدية، وتهدف هذه التكنولوجيات إلى معالجة التدفق الحر الذي يتجاوز 000 1 و/ج2 مع الحد من حجمه ووزنه وعبء الصيانة.

مواد تغير المرحلة

وتستوعب المواد الكيميائية كميات كبيرة من الحرارة أثناء مرحلة الانتقال من الصلب إلى السائل في نقطة انصهار محددة، أما بالنسبة لشحنات محطات التموين، وشمعات البارافين، والهيدرات الملحية، أو السكك الحديدية المعدنية، فلا يمكن أن تُدرج في السواحل الحرارية أو تُغطى داخل مصارف الحرارة، فخلال فترة الذروة، تُنتج عن ذلك فترات ذروة من الحرارة الخارجية.

سائل المايكرونيل

(أ) إن ارتفاع نسبة الميكانيكيات إلى الطاقة الكهربائية إلى الحجم يحسن بشكل كبير نقل الحرارة مقارنةً بالتبريد التقليدي، والمنتجات التجارية من شركات مثل Byd Corporation

المبردات الحرارية

(أ) أن تكون هذه الأجهزة ذات التأثيرات العالية، على أساس حرارة مضخات الفولطية عندما تمر تيارات كهربائية من خلال موصلين مختلفين من شبه الموصلات، وهي توفر عدة مزايا: لا توجد أجزاء متحركة، أو رقابة دقيقة على درجة الحرارة، أو مواصفات مدمجة، وفي إطار رسوم الشحن السريع، يمكن استخدام هذه الأجهزة لتبريد بؤر ساخنة مثل أجهزة الاتصال أو أجهزة الاستشعار الإلكترونية.

دبابات متطورة ودوائر فبور

وتستخدم الأنابيب الحرارية سوائل عمل )مثل المياه والأمونيا أو الأسيتون( يمكن أن تتفاخر في النهاية الساخنة وتثبيت في نهاية المبردات، وتنتقل الحرارة عبر إجراءات التكبيل، وتخفض الأنابيب الحرارية المتحركة، وغرف التبريد، وتوزع الحرارة من وحدات الطاقة إلى مبادلات الحرارة النائية مع الحد الأدنى من درجات الحرارة.

التبريد

In more radical approach is immersion cooling, where entire charging cabinets or subassemblies are submerged in a dielectric liquid such as mineral oil or engineered fluorocarbons. The coolant directly contacts all components, providing extremely efficient heat removal without the need for cold plates or heat sinks. This method is already used in data centers and is being explored for ultra-fast charging stations by companies

2 - Phase Coling with Refrigerants

ويمكن التقليل إلى أدنى حد من التبريد المضغوط للأجهزة الكهربائية العالية، على غرار ما يحدث في أجهزة تكييف الهواء، إلى الحد الأدنى من محطات التكرير، حيث يمكن أن يؤدي التبريد من مركبتين إلى إحداث الاحترار العالميتين (HVA) إلى إحداث تحول حراري كبير مع الحرارة الكامنة الكبيرة من التبخير، ويمكن تصميم النظم على أنها أجهزة التبريد الاحتياطية أو إدماجها في نظام HVAC الحالي، مع أن هذه النظم تؤدي إلى زيادة كبيرة في التكاليف.

فوائد حلول التبريد المتقدمة للهياكل الأساسية السريعة الشحن

تعزيز الموثوقية والسلامة

ويؤدي التبريد الابتكاري إلى الحد من خطر الفشل في التسخين، والهروب الحراري، والنيران، ومن خلال الحفاظ على الإلكترونيات في حدود درجات حرارتها القصوى، يمكن أن تعمل أجهزة الشحن باستمرار في ظل جميع الظروف المحيطة، حيث تزيل النظم السلبية مثل أجهزة التحكم في المواد الكيميائية والأنابيب الحرارية أجزاء متحركة تشكل نقاط فشل مشتركة، مما يؤدي إلى تحسين الوقت بين الإخفاقات والحد من المكالمات الهاتفية.

المكوّن الموسع

وبالنسبة لكل زيادة قدرها 10 درجات مئوية فوق حدود التشغيل، يمكن أن تخفض مدة عمر نواقل القوى العاملة إلى النصف، وتطيل التبريد المتقدم مباشرة مدة خدمة المحولات والكابلات والموصلات، وتخفض التكلفة الإجمالية لملكية مشغلي المحطات، وتشير بعض الدراسات إلى أن التبريد السائل يمكن أن يمتد إلى فترة صلاحية الموصل بنسبة تصل إلى 50 في المائة مقارنة بتبريد الهواء.

محطة تصميم

ويتيح التبريد العالي الكفاءة تعبئة الكترونيات الطاقة بصورة أكثر كثافة، مما يقلل من البصمة المادية لشحن الخزائن، وهذا أمر مفيد بوجه خاص بالنسبة للمنشآت الحضرية التي يوجد فيها حيز في أقساط، حيث تتيح أجهزة التبريد والثلاجات المصغرة وضعاً مسمّراً يختلط في البيئات المعمارية، ويحسن الاصطناعية، ويقبل العام.

الشحنات المستمرة السريعة

فالتثبيت الحراري مشكلة شائعة في أجهزة الشحن السريع: فمع ارتفاع درجات الحرارة، يخفض المتحكم في الشحنات التيار من حيث حماية المكونات، ويسمح تحسين التبريد للمحطة بأن تحتفظ بذروة ذروة أطول، وقطع كل الوقت، وهذا يعني بالنسبة للمستعمل، أن تكون هناك تجارب سريعة موثوق بها، لا سيما خلال أشهر الصيف أو بعد دورات متتالية للشحن.

التحديات والنظر في التنفيذ

التكلفة والصناعات التحويلية

وكثيرا ما تأتي تكنولوجيات التبريد المتقدمة بتكاليف أعلى في البداية، إذ تتطلب لوحات البارد الدقيقة ذقن دقيق أو ما إلى ذلك؛ وتحتاج مبردات حرائق إلى موصلات نصف متخصصة؛ وتبريد الخلايا المغلقة والمواد المتوافقة، ويمكن أن تضيف هذه التكاليف 10-20 في المائة إلى السعر الإجمالي للمحطة، الذي قد يشكل عائقا أمام الانتشار الواسع النطاق ما لم يقابله انخفاض الصيانة وطول العمر.

الصيانة وقابلية الخدمـة

(ج) استحداث نظم التبريد السائلة مضخات وصمامات ومرشحات ومبردات تتطلب تفتيشاً واستبدالاً دورياً، وينبغي إعادة توحيد المنظومات الكيميائية البيرفلورية بعد الاستخدام الثقيل، وقد يتحلل بعضها بعد آلاف الدورات، وقد تحتاج سوائل التبريد الزئبقية إلى تنقية أو استبدال مع مرور الوقت، ويجب أن يكون لدى مشغلي المحطات الخبرة التقنية وسلاسل الإمداد لدعم هذه النظم.

العوامل البيئية

وتواجه الشحنات الخارجية درجات حرارة شديدة، ورطوبة، وغبار، وأشعة فوق البنفسج، ويجب أن تصمم حلول التبريد لمعالجة الظروف المتجمدة (لتفادي التجميد المبرد) ودرجات الحرارة المحيطة العالية (للإبقاء على الفعالية) أما بالنسبة للثغرات السائلة، والمواد المضافة المضادة للتجميد، والعزل، فيجب اختيار نقطة الانصهار بعناية لمواءمة المناخ - وهو ما يعمل في فنلندا.

التكامل مع هيكل محطات المحفوظات

ويمكن أن يكون من الصعب إعادة تكييف المبردات المتقدمة في تصميمات محطات الشحن القائمة، وقد تم بالفعل بناء العديد من المحطات بضميمات مجهزة بالهواء، وإضافة حلقات سائلة تتطلب إعادة تصميم الحكومة وربط السلطة، ويتيح البناء الجديد مزيدا من المرونة، ولكن التوحيد لا يزال يتطور، كما أن مجموعات صناعية مثل CHAdeMO[FLTIN:1]

وتجرى البحوث في مواد ذات قدرة على السير الحرارية العالية، مثل مركبي الجاين و] موزعات حرارة معززة من الماس ] ويمكن إدماج هذه المواد في وحدات الطاقة من أجل زيادة انتشار الحرارة، وبالإضافة إلى ذلك، فإن التصنيع الإضافي (3D) لللوحات الباردة ومبادلات الحرارة يسمح بتوليد كميات جغرافية معقدة تؤدي إلى الحد الأمثل من التدفق الحراري والنقل الحراري.

إدارة حراريات الديناميكية مع IoT وAI

وقد تتضمن محطات الشحن في المستقبل رصدا حراريا في الوقت الحقيقي ومقاييس تنبؤية ترتقي إلى أقصى حد ممكن بالتبريد وفقا لأنماط الاستخدام والتنبؤات الجوية وظروف الشبكات، ويمكن لنماذج التعلم في مجال الآلات أن تتوقع تحميل عناصر الطلب على الدورات ومكونات ما قبل التكلور لتجنب التقلبات الحرارية، وهذا النهج يزيد الكفاءة ويوسع نطاق الحياة المكوِّنة مع التقليل إلى أدنى حد من الطاقة التي تُهدَّد على التبريد.

Integration with Stationary Energy Storage

وتقترن محطات الشحن السريع العديدة بخزن البطاريات في الموقع لإيقاف الطلب على ذروته وخفض الضغط على الشبكة، كما أن هذه البطاريات تولد حرارة أثناء الشحن والتدشين، كما أن وجود نظام موحد لإدارة الحرارة يبرد كل من أجهزة الشحن الإلكترونية وبطاريات التخزين باستخدام البنية التحتية المشتركة (مثلا، حلقة سائلة واحدة أو مغسلة حرارية مشتركة) يمكن أن يحسن الكفاءة العامة ويقلل من التكرار.

التنظيف غير المأمون والمفيد

ونظراً لأن أجهزة الشحن اللاسلكية أصبحت أكثر شيوعاً بالنسبة للمركبات الإلكترونية (الدينامية والثابتة)، فإنها تواجه تحديات حرارية مماثلة، فالسلاويل والإلكترونيات الكهربائية في الرصيف الأرضي ومصدر المركبات تحتاج إلى التبريد للحفاظ على الكفاءة العالية، وبعض من نفس اللوحات الباردة الميكانيكية، وأجهزة التحكم بالمركبات، وأجهزة التكتل الحراري، حيث يتم تكييف نظم [العملية المحدودة] [العملية: charT].

خاتمة

وسيؤدي النمو السريع في اعتماد المركبات الإلكترونية والدفع نحو 350 كيلوواط وما بعد الشحن إلى جعل الإدارة الحرارية المبتكرة أمراً أساسياً، وفي حين أن التبريد التقليدي للهواء والسائل قد خدم الصناعة جيداً، فإنها تصل إلى حدودها، وسيؤدي إيجاد حلول جديدة من مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور والأنابيب الحرارية إلى تحسين تبريد السائل المتناهي الصغر، والارتقاء بنظم ذات مرحلتين، مما يؤدي إلى زيادة سرعة سرعة سرعة سرعة استخدام الهياكل الأساسية.