از فن و جریان هوا تا مدار مایع و چیلر؛ تجربه خودروسازان و نتایج پژوهش‌های دانشگاهی چه راهکاری را برای بازار ایران پیشنهاد می‌کنند؟
هنگام خرید خودروی هیبریدی، معمولاً مصرف سوخت، شتاب و هزینه نگهداری در مرکز توجه قرار دارند؛ اما یکی از عوامل مؤثر بر عملکرد بلندمدت خودرو کمتر دیده می‌شود: سیستم مدیریت حرارتی باتری. این سامانه باید دمای باتری را در محدوده مناسب نگه دارد تا عملکرد، ایمنی و دوام آن در شرایط مختلف رانندگی حفظ شود.
اهمیت این موضوع در ایران، با تابستان‌های گرم، ترافیک شهری و استفاده مداوم از کولر، دوچندان است. بااین‌حال، آیا برای دوام باتری حتماً به خنک‌کاری مایع نیاز داریم یا یک سیستم هوایی مناسب هم می‌تواند پاسخ‌گو باشد؟ بررسی تجربه خودروسازان و پژوهش‌های علمی نشان می‌دهد که پاسخ، بیش از هر چیز به نوع خودرو و بار حرارتی باتری بستگی دارد.
خنک‌کاری هوایی؛ انتخابی اقتصادی برای بسیاری از هیبریدها
در بسیاری از خودروهای هیبریدی متعارف (HEV)، باتری با کمک فن و جریان هوا خنک می‌شود. این ساختار از نظر هزینه، وزن و پیچیدگی تعمیرات مزایایی دارد و در صورت طراحی صحیح می‌تواند نیاز حرارتی باتری را تأمین کند.
پژوهشی مروری با عنوان «مروری بر سامانه‌های مدیریت حرارتی باتری با خنک‌کاری هوایی در خودروهای برقی و هیبریدی» که در سال ۲۰۲۱ در مجله علمی Journal of Power Sources منتشر شد، مزایا، محدودیت‌ها و روش‌های بهبود عملکرد این سامانه‌ها را بررسی کرده است. نتیجه مهم این حوزه پژوهشی آن است که عملکرد خنک‌کاری هوایی به طراحی مسیر جریان، میزان هوادهی، توزیع دما و شرایط کاری وابسته است؛ بنابراین، نمی‌توان آن را صرفاً به دلیل ساختار ساده‌تر، نامناسب دانست.
از سوی دیگر، پژوهشگران دانشگاه کلمسون آمریکا و مرکز سامانه‌های زمینی ارتش آمریکا در مقاله‌ای در سال ۲۰۲۰، یک سامانه مدیریت حرارتی برای خودروهای هیبریدی بررسی کردند که تهویه هوایی را با لوله‌های حرارتی و سامانه تهویه مطبوع ترکیب می‌کرد. نتایج شبیه‌سازی نشان داد که با کنترل مناسب فن و کمپرسور، می‌توان دمای هسته باتری را در محدوده هدف تنظیم کرد. این پژوهش نشان می‌دهد که در برخی کاربردها، راهکارهای ترکیبی نیز می‌توانند بدون نیاز به یک مدار خنک‌کاری مایع مستقل، عملکرد حرارتی مناسبی فراهم کنند.
برای بازار ایران، این نکته اهمیت عملی دارد: اگر یک خودروی هیبریدی متعارف باتری نسبتاً کوچکی داشته باشد و سامانه هوایی آن برای دمای بالای محیط اعتبارسنجی شده باشد، الزاماً نیازی به پیچیده‌ترکردن سیستم خنک‌کاری نیست.
چرا برخی خودروها به خنک‌کاری مایع نیاز دارند؟
در خودروهای پلاگین‌هیبریدی (PHEV)، ظرفیت باتری معمولاً بیشتر است و خودرو می‌تواند مسافت طولانی‌تری را با نیروی برق طی کند. این تفاوت، نیازهای حرارتی و الزامات شارژ را تغییر می‌دهد.
نمونه مشخص، پژوهش مهندسان شرکت Honda R&D است که در سال ۲۰۱۸ در مجموعه مقالات فنی SAE منتشر شد. این تیم برای خودروی پلاگین‌هیبریدی، سامانه خنک‌کاری مایع یکپارچه‌ای را برای باتری، شارژر داخلی و مبدل DC-DC توسعه داد. طبق گزارش منتشرشده، این سامانه در شبیه‌سازی و آزمون ارزیابی شد و امکان رانندگی پیوسته با توان بالا را در محیط گرم، بدون کاهش توان باتری ناشی از محدودیت حرارتی، فراهم کرد. این معماری در Honda Clarity Plug-In Hybrid و Clarity Electric به کار گرفته شد.
این نمونه نشان می‌دهد که خنک‌کاری مایع فقط برای دفع گرمای باتری نیست؛ بلکه می‌تواند بخشی از راهبرد یکپارچه مدیریت حرارتی مجموعه تجهیزات الکتریکی خودرو باشد.
البته این نتیجه به معنای برتری مطلق خنک‌کاری مایع نیست. طراحی مناسب، کنترل دمای سیال و هماهنگی اجزای سامانه تعیین می‌کنند که سیستم در شرایط واقعی چه عملکردی داشته باشد.
چیلر؛ مزیت بیشتر در گرما، همراه با هزینه انرژی
در برخی خودروهای برقی و پلاگین‌هیبریدی، مدار خنک‌کاری مایع باتری از طریق چیلر به چرخه تبرید متصل می‌شود. به این ترتیب، خودرو می‌تواند در شرایطی که رادیاتور به‌تنهایی برای دفع گرما کافی نیست، از سرمایش فعال استفاده کند.
اما این قابلیت بدون هزینه نیست. پژوهشی ارائه‌شده در کنفرانس بین‌المللی تبرید و تهویه مطبوع دانشگاه پردو آمریکا در سال ۲۰۱۲، مصرف انرژی سامانه سرمایش باتری هیبریدی و اثر آن بر چرخه تهویه مطبوع را بررسی کرد. در مدل مورد مطالعه، استفاده از سرمایش تبریدی باعث افزایش مصرف انرژی کمپرسور تا حدود ۱۰ درصد شد؛ میزان افزایش به شرایط اقلیمی و نوع مبرد وابسته بود. این عدد مربوط به همان مطالعه است و نباید به تمام خودروها تعمیم داده شود.
برای خریدار، نتیجه روشن است: سامانه سرمایش فعال باید به‌اندازه کافی ظرفیت داشته باشد، اما نباید بدون توجه به مصرف انرژی و نیاز واقعی باتری انتخاب شود.
گرمای ایران؛ کدام فناوری منطقی‌تر است؟
برای خودروهای هیبریدی متعارف که باتری کوچک‌تری دارند و در آن‌ها بار حرارتی در محدوده قابل‌کنترل است، خنک‌کاری هوایی می‌تواند گزینه‌ای اقتصادی و کاربردی باشد؛ مشروط بر اینکه عملکرد آن در دمای بالای محیط، ترافیک و استفاده مداوم از خودرو تأیید شده باشد.
در مقابل، برای خودروهای پلاگین‌هیبریدی، باتری‌های بزرگ‌تر و کاربردهایی که شارژ سریع یا توان الکتریکی بالا اهمیت دارد، بررسی خنک‌کاری مایع و در صورت نیاز سرمایش فعال منطقی‌تر است.
بااین‌حال، نوع سیستم به‌تنهایی معیار کافی نیست. کیفیت سلول‌های باتری، راهبرد کنترل شارژ، یکنواختی دمای سلول‌ها، محل نصب باتری و دسترسی به خدمات تعمیراتی نیز بر دوام و هزینه مالکیت اثر می‌گذارند.
خریدار پیش از خرید چه چیزی را بررسی کند؟
به‌جای آنکه صرفاً به وجود فن، مدار مایع یا چیلر توجه کنید، چند سؤال کاربردی بپرسید:
آیا عملکرد باتری در دمای بالای محیط آزمایش شده است؟
آیا مسیر خنک‌کاری هوایی به فیلتر یا سرویس دوره‌ای نیاز دارد؟
آیا سامانه خنک‌کاری مایع و قطعات آن در ایران قابل تعمیر هستند؟
ضمانت باتری چه مدت است و افت ظرفیت با چه معیاری سنجیده می‌شود؟
آیا عملکرد شارژ و برد خودرو در هوای گرم نیز ارزیابی شده است؟
پاسخ این پرسش‌ها برای تصمیم‌گیری درباره هزینه مالکیت، معمولاً از پیچیده‌بودن ظاهری سیستم خنک‌کاری مهم‌تر است.
جمع‌بندی؛ انتخاب درست، نه فناوری پیچیده‌تر
تجربه شرکت Honda R&D و پژوهش‌های منتشرشده در دانشگاه‌هایی مانند کلمسون و پردو نشان می‌دهد که مدیریت حرارتی باتری باید با نیاز واقعی خودرو هماهنگ باشد. خنک‌کاری هوایی در بسیاری از کاربردهای هیبریدی می‌تواند راهکاری منطقی باشد؛ درحالی‌که باتری‌های بزرگ‌تر و کاربردهای پُربار ممکن است به مدار مایع یا سرمایش فعال نیاز داشته باشند.
برای بازار ایران، مهم‌ترین معیار، عملکرد تأییدشده در گرمای تابستان، دوام باتری، هزینه نگهداری و دسترسی به خدمات است. در نهایت، بهترین سیستم خنک‌کاری الزاماً پیچیده‌ترین سیستم نیست؛ بلکه سامانه‌ای است که بتواند در شرایط واقعی استفاده، باتری را به‌درستی مدیریت کند و هزینه مالکیت منطقی‌تری برای خریدار به همراه داشته باشد.
منابع پژوهشی
- خنک‌کاری هوایی: مقاله مروری در Journal of Power Sources، سال ۲۰۲۱. مشاهده مقاله
- پژوهش دانشگاه کلمسون: Huang و همکاران، Development of a heat pipe–based battery thermal management system for hybrid electric vehicles، سال ۲۰۲۰. مشاهده مقاله
- تجربه Honda R&D: Integrated Cooling System for Underfloor High Voltage Devices in PHEV، مجموعه مقالات SAE، سال ۲۰۱۸. مشاهده مقاله
- مصرف انرژی سرمایش باتری: Krüger و همکاران، دانشگاه پردو، کنفرانس بین‌المللی تبرید و تهویه مطبوع، سال ۲۰۱۲. مشاهده پژوهش
به نظر شما کدام روش خنک‌کاری برای اقلیم گرم و خشک ایران کارایی بهتری خواهد داشت؟ دیدگاه خود را با ما در میان بگذارید.
نویسنده: حمید توکلی; ریس مرکز نوآوری صنعت خودرو دانشگاه گلستان