هذا مقالٌ تقني، يشرح التقدم الذي أحرزته تيسلا في تصنيع مدخرات الطاقة في سيارة موديل أس، كتبه السيدان:
جورج باور، بكالوريوس العلوم في الهندسة الميكانيكية.
وكيث ريتِّر، بكالوريوس العلوم في الهندسة الميكانيكية، ومهندس محترف مُجاز
مقدمة:
لقد مرت حزمة مدخرة الطاقة (بطارية) في سيارة تيسلا موديل أس بتطورٍ كبير. كانت الحزمة الأصلية عرضةً لارتفاع درجة الحرارة في سباقات الحلبات للسيارات خفيفة الوزن، ولا يمكنها تحمل مستويات طاقة الشحن من المستوى الثاني. نظرةٌ واحدةٌ على تفاصيل الحزمة الأصلية وسيكون ذلك واضحًا، إذ تحتوي على أنبوب تبريد واحد فقط لكل وحدة.
كان هناك 16 وحدة إجمالًا فيها 7,104 خلية، وهذا يعني أن الوحدة الواحدة تحتوي على 444 خلية، تُبرَّد جميعها بأنبوب تبريد على شكل شريط يمر عبر الوحدة. هذا عددٌ كبير من الخلايا لتبريدها في خط واحد! لذا لا عجب أنها تسخن.
عندما خرجت سيارة تيسلا موديل أس فئة بيه 100 دي فإنها قسّمت أنبوب التبريد الواحد إلى أنبوبين. زادت الشركة أيضاً عدد الخلايا في الحزمة زيادةً طفيفةً، لكن عدد الخلايا المبردة بواسطة أنبوب واحد انخفض بعامل اثنين تقريبًا (258 خلية مقابل 444 خلية).
الآن، في موديل أس بلايد، نرى انخفاضًا آخر في عدد الخلايا التي يبردها كل أنبوب مرتين تقريبًا، مع 2 إلى 144 خلية. أُعيد تصميم بلايد بالكامل ليس فقط ليصبح إنتاجها أسهل، ولكن أيضاً، والأهم من ذلك كله، للتعامل مع الزيادة الهائلة في طرد الحرارة. خفضت تيسلا عدد الوحدات في الحزمة من 16 وحدة إلى خمسٍ فقط. هل تتذكر الكومة المزدوجة من وحدتين في المقدمة في موديل أس القديم؟ لم تعد موجودة، حيث وُضِع بدلًا منها مكونات إلكترونية.
مع كل ما قيل، فإن الحزمة الجديدة بالتأكيد ليست حزمة هيكلية مثل موديل واي الجديد وستكون الشاحنة الخفيفة الكهربائية سايبرترك كذلك. إنها تشبه إلى حد بعيد التصميم الأصلي لموديل 3، مع وحدات فردية من قطعة صلبة واحدة من الخلايا مرتبطةٌ ببعضها البعض مع مادةٍ لاصقة مثل الراتينغ ولها خصائص مقاومة للحريق.
ومع ذلك، لا نعرف ما إذا كانت تيسلا تستخدم نفس تقنية التجميع مثل وحدات موديل 3، حيث تُلصق "أحزمة" الخلايا على الأنبوب أولًا ثم تُجمَّع في الوحدة النموذجية. واجهت تيسلا مشكلات في تشغيل نظام الأحزمة في البداية، وكان معدل نشره للحرارة مرتفعًا.
التقدم الجديد الأول: أنبوب تبريد مع مسارين (يسمى "يو فلو" في براءة الاختراع):
ذكرت تيسلا أنبوب التبريد ثنائي المسار "يو فلو" في كلا طلبي براءات الاختراع "نظام تخزين الطاقة المتكامل" @ [0037] ويظهر في الدقيقة 3:30 في المقطع المرئي على قناة إنجينيريكس على يوتيوب بعنوان "فتح مدخرة طاقة تيسلا أس بلايد"، يدخل سائل تبريد الغليكول في أنبوب التبريد في الأعلى، ويتدفق طوليًا، ويدور قوسيًا، ويعود إلى قاع أنبوب التبريد نفسه.
تعتمد طريقة التحكم في نظام التبريد على درجة حرارة الخلية القصوى، وليس متوسط الحرارة. إذا كان الفارق من أعلى درجة إلى أقل درجة سبع درجات فهرنهايت في تمريرة واحدة، فإن ترتيب أنابيب "يو فلو" الجديد يوازن درجة الحرارة، ويتم تقليل درجة الحرارة القصوى بمقدار ثلاث درجات ونصف فهرنهايت. يتيح ذلك مزيدًا من الطاقة قبل الوصول إلى حدّ درجة الحرارة الأقصى في أثناء الشحن، والمزيد من الطاقة على المسار. نقدر ذلك بزيادة تقريبية بنسبة عشرة بالمئة.
مع مسارين، تحصل كل خلية على تبريد من كلا المسارين. تحصل "الخلية الأولى" على أبرد سائل غليكول في نصف الخلية وأسخن سائل غليكول في النصف الآخر. تحصل الخلية الأخيرة، قبل الدوران، على غليكول متوسط الحرارة في كلا النصفين. إن "معدل" فارق الحرارة (دلتا تي) من خلية إلى غليكول، مع أخذ كلا المسارين في الاعتبار، هي نفسها لكل خلية. بافتراض أن الجزء الخارجي للخلية يمكن أن يكون لديه موصلية كافية "لتسوية" التبريد داخل الخلية، فإن التأثير الصافي أن جميع الخلايا تحصل على نفس تأثير التبريد وتبرد بنفس درجة الحرارة.
للحفاظ على نفس سرعة التدفق الملتوي، يمكنك قطع التدفق إلى النصف ومضاعفة فارق الحرارة للغليكول من الداخل إلى الخارج. نفس نقل الحرارة الإجمالي على نفس المنطقة الكلية. يجب أن تولد المضخة ضعف الضغط ونصف معدل التدفق المتموج لكل مسار، لذلك يتغير حجمها.
يؤثر هذا أيضاً على كيفية تصميم مبرد المكدس... تدفق أقل، فارق حرارة أعلى، ما يعني تدفق متسلسل أكثر من صفيحة إلى أخرى وتدفق متوازي أقل. يتم ذلك عادةً باستخدام مسارات مرور داخلية مقولبة خلال التصنيع. لن ترى أي تغيير في الشكل الخارجي للمبرد أو لحجمه. المبرد بنفس الحجم بالضبط. يبرد سائل تبريد الغليكول الذي يمر عبر الحزمة، وينقل حرارة الخلية إلى المبرّد.
نستخدم هذا التأثير ذي المسارين طوال الوقت في أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء. مسارين لتمرير الغليكول أو ملفات التسخين أو التبريد لضمان أن كل الهواء الذي يمر عبر الملف يُسخَّن أو يُبرَّد بنفس الطريقة. عند تسخين بلاطة الأرضية، فإننا نبعث نصف إمدادات التدفئة بالتساوي حول البلاطة، ثم يعود رجوعًا ويتدفق النصف الآخر بجواره مباشرة. هذا يضمن تسخين اللوح بالكامل بالتساوي وعدم وجود بقع ساخنة أو باردة.
تتميز ألواح التبريد الخاصة بوحدة التبريد في سيارة فورد موستانغ ماخ إي بنمط مشابه ذي مسارين. يرتفع الغليكول على طول جانب واحد من الوحدة، ويلامس نصف كل خلية، ثم ينحني ويعود طول الجانب الآخر من الوحدة، ما يؤدي إلى تبريد النصف الآخر من كل خلية.
تؤدي لوحة هيونداي الشيء نفسه، باستثناء أنه بدلًا من لوحات فردية لكل وحدة، فإنها تستخدم لوحة واحدة مع مسار واحد مموج متقن للخارج لتلامس نصف كل خلية ثم تعود مرةً أخرى، على غرار الطريقة التي تصنع أنابيب تسخين البلاط.
حاولت أل جي فعل ذلك في سيارة شفروليه بولت الكهربائية، لكنها خربت مفهوم فارق الحرارة وشغلت المسارات الملتوية بطريقةٍ خاطئة، وحصلت على بعض الخلايا في كل وحدة على كل الغليكول البارد والبعض الآخر على كل الغليكول الساخن. يتم تبريد كل وحدة عمومًا، ولكن عليك الحصول عليها على مستوى الخلية، وليس على مستوى الوحدة إجمالًا.
التقدم الجديد الثاني: محاذاة أنابيب التبريد مع مجموعات الخلايا المتوازية (اللبنات):
تدعي تيسلا أن المِيزة الأساسية لقناة "يو فلو" القوسية هذه أنها تحافظ على كل خلية داخل "لبنة" واحدة في نفس درجة الحرارة، ما يضمن أن كل خلية داخل هذه اللبنة لها نفس المقاومة الحرارية الداخلية والجهد تمامًا. سيكون هذا خاصًا بالوحدة النمطية الجديدة لموديل 3، حيث تتكون "اللبنات" لكل وحدة من 72 خلية، تعمل جميعها في سطر واحد جانبيًا، من جانبٍ واحد من الحزمة إلى جانب آخر.
مع 22 صفًا من الخلايا، تحتوي كل وحدة على 22"لبنة" و 11 مسارًا ملتويًا. بواسطة تشغيل قناة "يو فلو" قوسية واحدة لكل لبنة، ستكون جميع الخلايا البالغ عددها 144 خلية في هاتين اللبنتين في نفس درجة الحرارة تمامًا. إذا شغلت تيسلا مسارًا ملتويًا أحاديًا بنفس التوجيه الجانبي، فإن الخلية الأولى في اللبنة ستحصل على تبريد الغليكول ستكون أبرد بكثير من الخلية الأخيرة، وسيكون للخلايا الأولى والأخيرة جهد داخلي مختلف، ما يؤدي إلى "تدرجات جهد متوازية داخليًا للبنة مستحثة حراريًا" وتكوين تدفقات تيار غير متوازنة، ودرجات حرارة غير متساوية، ما يؤثر على سرعة الشحن الفائق (التي كانت نقطتي الرئيسة الأصلية).
[0037] يوجد في أحد النماذج داخل كل قناة تبريد قسمي "إمداد" و "رجوع" منفصلين، يُعرف أيضاً باسم "يو فلو"، الذي يمكن استخدامه لإزالة تدرجات الجهد المتوازية داخليًا للبنة المستحثة حراريًا التي تؤثر سلبًا على الأداء من طريق التوازن الحالي وحدود درجة حرارة الشحن الفائق. يمكن أيضاً استخدام ترتيب "يو فلو" لتقليل حجم حزمة مصفوفة الخلايا العلوية عن طريق دمج وتداخل المكونات الضخمة والواجهات بشكل أكفى على طول جانبٍ واحد من مصفوفة الخلايا. هنالك فائدة أخرى لدمج الواجهات الهيدروليكية في وجه مشترك من مصفوفة الخلايا هي تقليل الواجهات المختومة التي ستُضمَّن في حاوية راتينغ (نقاط التسرب المحتملة) التي قد تؤدي أيضاً إلى تسهيل تغليف مكونات إلكترونيات القياس والاستشعار القريبة.
لذلك، فإن مفهوم المسار القوسي "يو فلو" ضروريٌ لجعل تصميم الوحدة الجديدة على شكل لبنة خلية تعمل. صممت مدخرات الطاقة في سيارتي موديل 3 وموديل واي مع 2,170 وحدة من خلايا مدخرات طاقة 4680 لتشغيل المسارات الملتوية طوليًا، لكن كل مسار ملتوي يمر عبر 23 - 25 لبنة، لذا فإنّ التدرج الحراري الأقصى في كل لبنة هو حوالي أربعة بالمئة فقط من إجمالي الفارق الحراري للمسار الملتوي.
لذلك يبدو أن "تدرجات الجهد المتوازي داخليًا للبنة" ضئيل، وقررت تيسلا أنه يمكن أن يستمر مع مسار ملتوي أبسط أحادي التمرير لحزمة خلية 4680الجديدة، بالرغم من أنه يؤدي لإيجاد بعض الاختلافات في درجة حرارة الخلية التي تؤثر سلبًا على السرعة القصوى للشحن الفائق. يظهر الجيل القديم من موديل أس مع أنابيب تبريد منحرفة ومجموعات خلايا متوازية في الشكل 10. إن اختلال واضحٌ في المحاذاة.
يعود كل هذا إلى العنوان الفرعي للمقال... حزمة مدخرة الطاقة في سيارة موديل أس الجديدة هي "حزمة الخلية الأسطوانية المثالية" من وجهة نظر الإدارة الحرارية. أقصى مساحة تلامس للوحة من خلية إلى غليكول لكل وات ساعي مع مقاومة حرارية منخفضة من خلية إلى لوحة. يضمن التدفق ثنائي الممرات درجات حرارة تبريد متساوية لكل خلية. يضمن الحد الأقصى لمعدلات الشحن والتفريغ الآمن، والحد الأدنى من تدرجات الجهد داخل الخلية.
المزيد من أخبار تيسلا:
