Table of Contents

مقدمة: لماذا هيت شيلدز مات أكثر من أي وقت مضى

وقد انتقلت المركبات الكهربائية من النشوء إلى المجرى الرئيسي، ولكن مع هذا التحول، فإن التركيز الشديد على السلامة والموثوقية والطول، ومن أهم العوامل التي تتجاهل في كثير من الأحيان، العناصر الهندسية في التصميم الحديث للمركبات الحرارية، هو الدرع الحراري، حيث أن سرعة الارتطام بالبطارية تتجه نحو 350 كيلوواطا، فإن الحمولات الحرارية داخل جهاز للكهرباء يمكن أن تتجاوز أي شيء شوهد في مركبات الاحتراق الداخلي.

كيف يعمل الدروع الحرارية: الأساسيات

والدروع الحرارية هي أجهزة إدارة حرارية سلبية تحمي المكونات الحساسة من الحرارة المفرطة، وهي تعمل من خلال ثلاث آليات رئيسية هي: التأمل والعزل والتبريد.

  • Reflection:] A polished metal surface reflects radiant heat away from the protected area, much like a mirror light. Aluminum and stainless steel foils are common choices for this function.
  • Insulation:] Thick, low-conductivity materials (ceramic fibers, aerogels, or mineral wool) slow the transfer of heat via conduction. These materials create a thermal barrier that keeps high temperatures on one side.
  • Dissipation:] Some shields are designed to spread heat quickly across a large surface area, allowing it to be carried away by air flow or a cooling system. Phase change materials (PCMs) add an extra layer by absorbing latent heat as they melt.

وفي الممارسة العملية، فإن معظم دروع الحرارة في الغلاف الجوي هي من صنعات متعددة الطوابق تجمع بين هذه المبادئ، فعلى سبيل المثال، قد يكون للدروع طبقة تعكسها الخارجية، وقاعدة متوسطة للعزل، وطبقة داخلية تحمي من الاهتزاز أو التلويث، وتتوقف التشكيلة الدقيقة على الموقع والتهديد الحراري الذي يجب أن تتصدى له.

التحديات الحرارية

وتولد المركبات التقليدية للمحركات الحرقية الداخلية حرارة من المحرك والعادم، ولكن مصادر وأنماط الحرارة في المركبات الإلكترونية مختلفة اختلافاً جوهرياً، وبطرق كثيرة أكثر طلباً.

ارتفاع كثافة الطاقة في البطارية

وتحزم أحزمة بطارية الليثيوم الحديثة طاقة أكبر من أي وقت مضى، وكثيرا ما تعني كثافة الطاقة المرتفعة تهدئة وتيرة الكهرباء والكيمياء الأكثر تفاعلا (مثل ميكانيكي النيكل - غني أو متغيرات الضغط العالي) وهذه الخلايا أكثر حساسية لدرجات الحرارة، بل إن البقع الساخنة الصغيرة يمكن أن تعجل بظهور أو تحريك ممرات الدفع الحراري المتاخمة.

Ultra-Fast Charging

وتدفع الشحنات التي تبلغ ٣٥٠ كيلوواطاً تياراً هائلاً عبر البطارية، مما يولد خسائر في اليورانيوم البيرفلوري يمكن أن تزيد درجات حرارة الخلايا بعشرات درجات مئوية في دقائق، وبدون توفير الحماية المناسبة، يمكن أن تلحق هذه الحرارة أضراراً بالفصل الداخلي للبطارية أو تحط من درجة الكهروليت، وكثير من محطات الشحن السريع مجهزة الآن بالكابلات ذات الكبريتيدالية السائل، ولكن لدى المركبات تملك الكهرباء الحرارية.

محركات كهربائية عالية الجودة

ويمكن للجيل القادم من السيارات، مثل وحدات التدفق الزائف أو محركات التردد المتزامنة العالية السرعة، أن تصل إلى درجات حرارة الرواد التي تتجاوز 200 درجة مئوية. ويمكن لهذه الحرارة أن تشع إلى أجهزة التحكم القريبة، أو الأسلاك، أو حتى مقصورة الركاب، ويجب أن تتحمل دروع الحرارة الشديدة والمواقعية دون إضافة وزن مفرط أو شغل حيز ضروري لتبريد القنوات.

Thermal Runaway Propagation

وربما يكون الخطر الأكثر إثارة للقلق هو الركض الحراري - تفاعل سلسلة مكتفية ذاتياً من خلايا التسخين المفرط، وعندما تفشل الخلية، يمكنها إطلاق غازات قابلة للاشتعال وسخونة كافية لإشعال خلايا متاخمة في سلسلة تعاقبية، والدروع الحرارية، التي كثيراً ما تكون مقترنة بالمواد التي تتوسع عندما تسخن، هي الدافع السلبي الرئيسي ضد التفريغ.

المناطق الحرجة التي تحميها دروع اللحوم في الـ EV

وتنشر دروع الحرارة في عدة مناطق متميزة من المركبات الكهربائية، وكل منها له خصائصه الحرارية واحتياجاته.

كتيبة

داخل الحزمة، يمكن أن تجلس الدروع الحرارية الرقيقة بين خلايا أو وحدات لبطء نقل الحرارة أثناء الفشل، كما أنها توضع بين ضيافة البطاريات وطابق المركبة لحماية حرارة الطرق (من العادم إذا كان موجوداً أو من الاحتكاك) وهناك تركيبات متعددة الطحالب من الألومنيوم تحتوي على نواة من الورق الخزفي.

محركات كهربائية ولافقارات

ويولد المحرك ولافت الطاقة المرافق له حرارة كهربائية )عن طريق IGBT أو سي سي سي سي سي سي إم فيت (MSFET) وخسائر آلية )احتكاك مشتعل( وتحمي الدروع المحيطة باللافت وحدة التحكم في المحرك من الحرارة المأخوذة، بينما تخفض الدروع المحيطة بالرياح الحركية، وتضع بعض التصميمات في كامل المحرك في بطانية تعكس.

On —Board Charger and DC —DC Converter

وهذه المكونات تحول شركة AC إلى العاصمة وتنزل البطارية ذات التطويع العالي إلى 12 V للنظم المساعدة، وغالبا ما تكون موجودة بالقرب من البطارية أو المحركات، مما يجعلها عرضة للصابون بالحرارة، وتساعد الدروع الحرارية التي تستخدمها شركة " إي تي " (مثلاً، أغطية الجرافيت) على نشر الحرارة بصورة متساوية وعلى حمايتها من تيارات الهواء الساخنة.

Wire Harnesses and Connectors

ويمكن أن تصل الكابلات والموصلات ذات التطويع العالي إلى درجات حرارة تقارب 150 درجة مئوية تحت حمولة مستمرة، وتمنع دروع الحرارة هذه من الإضرار بالعناصر البلاستيكية القريبة أو إحداث انقسامات في الأسلاك نفسها، كما أن الأكمام المُدمنة بالليبرغلات المُدمَجة ذات المعاطف المُعاكسة هي حل شائع الاستخدام.

راكب كابين

وفي بعض المركبات الإلكترونية، تقع عبوة البطاريات تحت الأرض، ويمكن أن ترفع حرارة السيارات درجة حرارة الكوخ، وتخفض دروع الحرارة في مقصورة الأرض وقود الحماية الضوضاء ونقل الحرارة، وتحسن راحة الراكبين دون تحميل مفرط للتكييف.

الابتكارات في المواد الدروعية الثقيلة

وقد أدى الضغط على أجهزة الإي فيضاح الأكثر كفاءة إلى ابتكار المواد المكثفة، وتفسح الدروع الصلبة التقليدية المطخة الطريق أمام التركيبات المتطورة والهياكل الهجينة.

مركبات انكماش متعددة الألياف

وتتألف هذه المواد من طبقات متناوبة من الفلفل المُعاكس (الرطوبة أو الصلب اللاصق) وحيزات إنتاجية منخفضة (النسيج الزجاجي الفرني أو الورق الخزفي أو موز البوليستر) وتوفر الثغرات الجوية بين الطبقات عزلاً ممتازاً دون السوائب.

Aerogel Insulation

(أ) المواد التي تستخدم في الهواء والتي تزيد على 90 في المائة من الهواء بواسطة الحجم - بعض أقل أنواع السلوك الحراري المعروفة (الرقم 0.015 W/m·K) وهي خفيفة جداً ولكنها هشة، والتطورات الأخيرة التي تجسد جسيمات الهروجيل في مصفوفة مرنة للبوليمرات، وهي مثالية للغطاء حول وحدات بطارية غير نظامية الشكل أو مستلزمات للمركبات.

ألعاب السيرامي المتطورة

ويمكن للفييضات الكرامية (الومينا - سيليكا أو ألومينابوريا) أن تتحمل درجات حرارة مستمرة تبلغ 1200 درجة مئوية وما فوقها، وتستخدم بالقرب من المناطق المتاخمة للعادم (في الهجينات) أو حول مقاومي القوى العالية في المنعطف، ويجعلها انخفاض الوزن ومقاومة الحرارة العالية جذابة، وإن كانت التكلفة مصدر قلق.

مواد تغير المرحلة

PCMs such as paraffin waxes or salt hydrates absorb large amounts of heat at a constant temperature while melting. When integrated into heat shields, they act as thermal capacitors, absorbing top heat loads during fast charging or motor- waves and releasing the heat slow later. Research at institutions like the National Reen Renewable Energy Laboratory[15

Graphene and Carbon Composites

وقد يبدو أن التسيّر الحراري الذي يرتفع كثيراً في الطائرة (حتى 000 5 دبليو/م) غير مقصّر بالنسبة لموجّه حراري، ولكن عندما يستخدم كغطاء رقيق على لب الرغاوي، فإنه يمكن أن ينشر حرارة مركّزة بسرعة إلى منطقة أكبر، ويمنع البقع الساخنة. كما أن البلاستيك المقوى الكربونية توفر مقاومة حرارية عالية القوة.

تحديات التصميم والتكامل

إن اختيار المواد الصحيحة للدروع الحرارية هو نصف المعركة فحسب، ويجب على المهندسين أيضاً أن ينظروا في الوزن والفضاء والتكلفة والتعقيد في التصنيع.

Weight vs. Protection

وكل كيلوغرام يضاف إلى الدرع الحراري يقلل من نطاقه، ولذلك يسعى المصممون إلى الحصول على مواد ذات أداء حراري مرتفع لكل كتلة من الوحدات، ويفوز المركبان متعددان الطوابق والهيروغلات لأنهم يقدمون عزلاً أعلى في جزء من وزن الفولاذ أو البلاط الخزفي السميك.

Constraints Space

فعبوات الأشعة السينية شديدة الضيق، وكثيرا ما تملأ مجموعات البطارية كامل قاع الدون، وتترك مجالا ضئيلا للتدفئة الإضافية بين الخلايا والجثة، ويجب على المهندسين استخدام دروع رقيقة وقابلة للتطابق يمكن ختمها أو نقلها إلى أشكال معقدة، والدروع البلاستيكية المجهزة بالظلال حلا شعبيا في المناطق المنخفضة التطهير.

التعبئة الحرارية والاستمرارية

وتعاني المركبات الإلكترونية من آلاف الدورات الحرارية (الشحن، والتدفئة، والتغيرات في درجات الحرارة الموسمية) ولا يجب أن تزيل دروع الحرارة أو تشقق أو تفقد خصائصها التجليية بمرور الوقت، كما أن اختبارات الشيخوخة المعجلة في الغرف التي تحفيز درجات الحرارة من 40 درجة مئوية إلى 150 درجة مئوية هي جزء معياري من المصادقة.

التكلفة والصناعة التحويلية

ولا يمكن أن تتحمل المركبات الفضائية الكبيرة تكلفة المواد الفضائية الجوية الغريبة، إذ يتطلب الإنتاج الكبير دروعا حرارية يمكن ختمها أو التخلص منها بسرعة، ويقدم العديد من الموردين الآن خطوطاً قياسية للمنتجات للمواقع الإلكترونية، مما يقلل تكاليف استخدام الأدوات. [(FLT:0]]) شعبة الإدارة الحرارية التابعة لدانا ، على سبيل المثال، يقدمون حلولاً مصممة التكلفة توازن بين الأداء.

سائقو الأجهزة التنظيمية ومعايير الصناعة

:: أنظمة السلامة هي القوة الرئيسية التي تدفع عجلة الابتكار في مجال الدروع الحرارية في المركبات الإلكترونية وتشمل المتطلبات الرئيسية ما يلي:

  • UN R100 (Rev.3) / Euro NCAP:] Batterypacks must withstand a thermal runaway event without propagating to adjacent modules for at least 5 minutes. Heat shields are the primary passive measure to meet this.
  • SAE J2464:] Defines testing procedures for EV abuse (overcharge, short circuit, etc.) and indirectly drives the need for robust thermal barriers.
  • ISO 6469:] Safety standards for EVs that include thermal stress testing of components.
  • Federal Motor Vehicle Safety Standard (FMVSS) 305:] In the US, this covers electric vehicle battery safety and includes requirements to contain fire and reduce thermal hazards.

والامتثال لهذه المعايير غير قابل للتفاوض، ويجب على صناع الدروع الحرارية أن يقدموا بيانات مصدق عليها تبين منتجاتهم يمكن أن تصمد أمام سيناريوهات واقعية للإساءة، ولن تزداد الضغوط التنظيمية إلا عندما ينمو اعتماد الأشعة السينية والبيانات المستمدة من حرائق العالم الحقيقي التي تُسترشد بها في عملية وضع القواعد في المستقبل.

الاتجاهات المستقبلية في درعات الحرارة الإلكترونية

ويتطور هذا المجال بسرعة، وهناك اتجاهات عديدة ترسم الجيل القادم من الدروع الحرارية:

التكامل الفعال للإدارة الحرارية

ويجري الجمع بين الدروع الحرارية المارة وثبات التبريد النشطة، مثل لوحات السائل المزودة بالبطاطس أو المحركات المحتوية على زيت الزيت، وقد يتجه الدرع الحراري إلى نقاط محددة يمكن إزالتها بكفاءة بدلا من مجرد سحقها، وقد استخدم بالفعل نهج " الدرع الذكي " في مجموعات بطارية تيسلا، حيث تعمل مواد الوصل الحراري والدروع الرقيقة في تضافر مع نظام التبريد.

المواد التصحيحية والمحولة

ويجري حاليا بحث المواد التي يمكن أن تغير من صلاحيتها الحرارية استجابة لدرجات الحرارة، مثلا، درع يصبح أكثر سلوكا من عتبة الحرارة المرفوعة بسرعة، ثم يعود إلى مرشد عندما تهبط درجات الحرارة، وهذا يوفر أفضل من العالمين أثناء التشغيل العادي والتحلل الحراري في حالات الطوارئ عند الحاجة.

أجهزة الاستشعار والتشخيص

وقد تتضمن دروع الحرارة في المستقبل أجهزة استشعار حرارة ذات فتحات رقيقة أو ألياف الضوئية لرصد درجة الحرارة في الوقت الحقيقي، ويمكن لهذه البيانات أن تتغذى في نظام إدارة بطارية المركبات من أجل تعديل معدلات الشحن أو تنبيه السائقين إلى الشذوذات، ومن شأن هذه الدروع " الذكية " أن تُسد الفجوة بين السلامة السلبية والنشطة.

الصناعة التحويلية

ويمكن تصميم الدروع الحرارية ذات الطباعة الثالثة بواسطة قنوات التبريد الداخلية أو السخرية المصنفة، مما يوفر خصائص حرارية تقليدية لا يمكن تحقيقها بالطوابع التقليدية أو التخثر، ومع أن التصنيع الإضافي لا يزال باهظ التكلفة، فإنه يصبح قابلا للتطبيق بالنسبة للمركبات الإلكترونية ذات الأداء المنخفض والصور الأولية.

الاستدامة وإعادة التدوير

ومع دفع صناع السيارات نحو إنتاج محايد الكربون، يجب مصادرة مواد الدرع الحراري والتخلص منها بطريقة مسؤولة، كما أن رغاوي الألومنيوم القابلة للتدوير، والهيروغيلات ذات القاعدة البيولوجية، والطبقات المركبة القابلة للانفصال بسهولة، تكتسب الاهتمام، ويبقى التحدي قائما على الأداء الحراري مع الحد من التأثير البيئي.

الاستنتاج: درع صغير ذو عمل عملاق

فالدروع الحرارية قد لا تكون أكثر العناصر غموضا في مركبة كهربائية، ولكن دورها أساس السلامة والأداء وخبرة المستعملين، وبما أن الجيل القادم من هذه المركبات يضغط على حدود كثافة الطاقة ويشحن السرعة والقدرة على الطاقة، فإن المطالب على هذه الحواجز الحرارية ستزداد حدة، وأن المهندسين يستجيبون لنظم ابتكارية - هويجلات، وأنهم يحافظون على هياكل شاملة للتحرك.