كيف تُزوِّد المراوح المحورية تدفقًا مستقرًّا للهواء البارد في مختبرات اختبار البطاريات

كيف تُزوِّد المراوح المحورية تدفقًا مستقرًّا للهواء البارد في مختبرات اختبار البطاريات

تعمل مختبرات اختبار البطاريات ضمن متطلبات صارمة لإدارة الحرارة، وهي متطلبات نادرًا ما تواجهها سيناريوهات التبريد الصناعي عادةً. سواء أكانت عملية تدوير خلايا الليثيوم-أيون وفق بروتوكولات درجة الحرارة المحددة في المواصفة SAE J2464، أو الحفاظ على درجة حرارة غرف الاختبار بدقة عند ٢٠°م لتقييمات الدوائر القصيرة حسب المواصفة UL 1642، فإن نظام تدفق الهواء لا يمكن أن يُعتبر أمرًا ثانويًّا. وفي عملي الداعم لاختيار الأنظمة الحرارية في البيئات الصناعية للاختبار، وجدتُ أن اختيار مروحة تدفق محوري مروحة محورية بدلًا من وحدة طرد مركزي أو مروحة تدفق مختلط غالبًا ما يثبت أنه النقطة المناسبة للبدء في تطبيقات تبريد مختبرات اختبار البطاريات. وأسباب ذلك ترتكز على كيفية تفاعل ديناميكا الهواء المحورية مع المتطلبات الخاصة لتصميم غرف اختبار البطاريات.

لماذا تتطلب مختبرات اختبار البطاريات تدفق هواء عالي الأداء

البيئة الحرارية داخل مختبر اختبار البطاريات ليست مجرد الحفاظ على برودة المعدات. فالمواصفات مثل SAE J2464 تتطلب تدوير درجات الحرارة بين -٤٠°م و٧٠°م بمعدلات تغير مضبوطة، بينما تحدد مواصفة UL 1642 اختبارات التسخين التي ترتفع فيها درجة الحرارة من ٢٠°م إلى ١٣٠°م بمعدل ٥°م في الدقيقة. وما يربط هذه المتطلبات هو الحاجة إلى التكرارية: إذ يجب أن يوفّر نظام تدفق الهواء هواءً باردًا متسقًا في كل مرحلة من مراحل دورة الاختبار، وليس فقط أثناء التشغيل الثابت.

وهنا يقع العديد من المهندسين في خطأ الاختيار. فورقة البيانات تُظهر أن تدفق الهواء يبدو مثاليًّا في الظروف القياسية، لكن في غرفة اختبار البطاريات، حيث تتغير الأحمال الحرارية الداخلية بسرعة كبيرة أثناء دورات الشحن والتفريغ، قد تختلف أداء المروحة الفعلي قياسياً عن إنتاجها المُصنَّف. ويجب أن يعوّض نظام تدفق الهواء عن تغيرات الحمل دون أن يولّد اضطرابات أو قمم مفاجئة في السرعة تُخلّ بوحدة خلية الاختبار.

يوجد ثلاثة متطلبات أساسية لتدفق الهواء في بيئة اختبار بطاريات مُصمَّمة جيدًا:

• اتساق الحجم: تدفق هواء كافٍ لإزالة الحرارة الناتجة عن الخلايا قيد الاختبار دون إحداث مناطق ساخنة محلية عبر صف البطاريات.
• توحُّد السرعة: توزيع متساوٍ للهواء البارد على جميع الخلايا أو الوحدات قيد الاختبار. ويؤدي تدفق الهواء غير المنتظم إلى تشكُّل تدرجات حرارية تؤثِّر في موثوقية بيانات الاختبار.
• الحدُّ من الاهتزاز: إن قياسات مقاومة خلايا البطاريات والاختبارات الكهروكيميائية الأخرى حسَّاسةٌ جدًّا للاهتزاز الميكانيكي. ولا يجوز أن يتسبَّب نظام تدفق الهواء في اضطرابات ميكانيكية.

كيف تتماشى خصائص مروحة التدفق المحوري مع هذه المتطلبات

أحد مروحة محورية يُحرّك الهواء بشكلٍ موازٍ لمحور عموده، ما يُنتج نمط تدفُّقٍ مختلفًا جذريًّا عن المروحة الطاردة المركزية أو الشعاعية. ويخرج تدفُّق الهواء في الاتجاه نفسه الذي دخل به، مع ارتفاع ضغط منخفض نسبيًّا وقدرة حجمية عالية. وفي تطبيقات غرف اختبار البطاريات، يترتَّب على ذلك عدة مزايا عملية، على الأقل في الترتيبات التي تكون فيها متطلبات الضغط الثابت لأنابيب الغرفة ضمن نطاق تشغيل التصميم المحوري.

يسمح نمط التدفُّق السائد بالانسيابية لمُحرِّك الهواء المحوري بأن ينتقل الهواء البارد عبر صفوف البطاريات بدرجة أكبر من التجانس مقارنةً بالإطلاق المضطرب الناتج عن الوحدة الطاردة مركزياً. وعندما تحتاج إلى تجانس درجة الحرارة عبر رف خلايا الاختبار، فإن هندسة مسار تدفُّق الهواء وسرعته عند الدخول تكتسب أهميةً بالغة تفوق أهمية أرقام تدفُّق الهواء البحتة. أما ملفّ الإطلاق المستوي للمروحة المحورية فيتناسب تمامًا مع ترتيبات التدفُّق المتسلسل التي تُستخدَم عادةً في وحدات تثبيت حزم البطاريات للاختبار.

المراوح الحديثة ذات التدفق المحوري المزودة بتقنية محركات تيار مستمر بدون فرشاة (BLDC) أو محركات تيار كهربائي (EC) تحافظ على سرعة دوران ثابتة بغض النظر عن تقلبات جهد التغذية أو التغيرات الطفيفة في الحمل على جانب النظام. وينتج عن هذه الاستقرار في السرعة استقرارٌ مباشرٌ في تدفق الهواء، وهي ميزةٌ ذات أهميةٍ كبيرةٍ في سيناريوهات اختبار البطاريات، حيث يتغير الحمل الحراري على الغرفة باستمرار أثناء انتقال الخلايا عبر مراحل الشحن والتفريغ والراحة. شيءٌ يسهل التقليل من شأنه حتى تقيسه: فالاهتزاز الطفيف ولكن المستمر في تدفق الهواء قد يؤدي إلى انجرافٍ في درجة الحرارة طوال جلسة الاختبار، وهو ما يؤثر في الاختبارات المقارنة للخلايا.

تؤدي البساطة الميكانيكية لتصميم المحور، الذي يحتوي على مروحة دوارة واحدة فقط ولا يحتوي على غلاف حلزوني أو زعانف دخول تُحدث انفصالاً مضطرباً، إلى انتقال أقل للاهتزازات الهيكلية إلى تركيب الاختبار. وللمختبرات التي تُجري قياسات طيف التأثير الكهروكيميائي أو قياسات الجهد الدقيقة جنباً إلى جنب مع التمدد والانكماش الحراري، فإن هذا العامل يستحق أخذَه في الاعتبار بعناية.

اختيار منفاخ التدفق المحوري المناسب لتخطيط مختبر البطاريات الخاص بك

ليست كل منافيخ التدفق المحوري مناسبةً لكل تكوين لاختبار البطاريات. ويعتمد قرار الاختيار على عدة عوامل مترابطة تتجاوز تصنيف تدفق الهواء وحده.

تطابق الضغط الثابت: تُولِّد غُرَفُ فَحْصِ الْبَطَّارِيَاتِ الَّتِي تَحْمِلُ أَقْسَامًا مُنْخَفِضَةً لِلدُّخُولِ مَزُودَةً بِمُرَشِّحَاتٍ، أَوْ حَوَاجِزَ، أَوْ قُنَاةً دَاخِلِيَّةً لِتَوْزِيعِ الْهَوَاءِ عَلَى مَجْمُوعَاتِ الْخَلاَيَا، مُقَاوَمَةً مَعْقُولَةً لِلضَّغْطِ السَّاكِنِ. وَعَادَةً مَا تَعْمَلُ الْمَرَاوِيحُ الْمَحُورِيَّةُ بِكَفَاءَةٍ عَالِيَةٍ عِنْدَ ضَغْطٍ سَاكِنٍ مُنْخَفِضٍ إِلَى مُتَوَسِّطٍ. فَإِنْ كَانَتْ تَصْمِيمُ غُرْفَتِكَ يُولِّدُ مُقَاوَمَةً أَعْلَى، فَقَدْ يَتَطَلَّبُ الأَمْرُ اسْتِعْمَالَ نَوْعٍ مُخْتَلِطِ التَّدَفُّقِ أَوْ تَرْكِيبَةٍ مَحُورِيَّةٍ مَقْنَنَةٍ لِلْحَفَاظِ عَلَى مُعَيَّنَاتِ تَدَفُّقِ الْهَوَاءِ الْمُرَخَّصَةِ.

وَاجِهَةُ التَّحَكُّمِ فِي السُّرْعَةِ: فِي الْغُرَفِ الَّتِي تُغَيِّرُ نُقْطَةَ ضَبْطِ الدَّرَجَةِ الْحَرَارِيَّةِ خِلَالَ دَوْرَةِ الاِخْتِبَارِ، يَجِبُ أَنْ يُعَدِّلَ الْمَرْوَاحُ تَدَفُّقَ الْهَوَاءِ وَفْقًا لِذَلِكَ. وَتَقْبَلُ الْمَرَاوِيحُ الْمَحُورِيَّةُ الْمُشَغَّلَةُ بِمُحَرِّكَاتٍ إِلِكْتْرُونِيَّةٍ (EC) إِشَارَاتِ تَحَكُّمٍ بِمَجَالٍ مِنْ ٠ إِلَى ١٠ فُولْتٍ أَوْ إِشَارَاتِ تَعْدِيلِ عَرْضِ النَّبْضِ (PWM)، وَالَّتِي تَتَكَامَلُ بِسُهُولَةٍ مَعَ أَكْثَرِ وَحَدَاتِ التَّحَكُّمِ فِي غُرَفِ الاِخْتِبَارِ. وَيَكْفُلُ هَذَا التَّعْدِيلُ الْمُغْلَقُ لِلسُّرْعَةِ أَنْ يَتَابَعَ تَسْلِيمُ الْهَوَاءِ الْبَارِدِ الطَّلَبَ الْحَرَارِيَّ لِلْغُرْفَةِ بَدَلًا مِنَ الْعَمَلِ بِمَخْرَجٍ ثَابِتٍ يُؤَدِّي إِلَى تَبْرِيدٍ نَاقِصٍ خِلَالَ أَعْلَى حِمْلٍ أَوْ تَبْرِيدٍ زَائِدٍ خِلَالَ مَرَاحِلِ الرَّاحَةِ.

مَدَى الدَّرَجَةِ الْحَرَارِيَّةِ الْعَامِلَةِ لِلْمُحَرِّكِ: تحتاج مختبرات اختبار البطاريات التي تُجري دورات عند درجات حرارة منخفضة، وبعض البروتوكولات تصل إلى ٤٠- درجة مئوية، إلى منفّخٍ تكون وحدة محركه ومحامله مُصنَّفة لتحمل الظروف المحيطة داخل الغرفة أو بجوارها. وتفترض التصنيفات الصناعية القياسية أقصى درجة حرارة محيطة تبلغ ٤٠ درجة مئوية؛ وللمواقع الباردة، تأكَّد من أقل درجة حرارة تشغيل للمحرك وهل زيت التشحيم المستخدم في المحامل مناسب لمدى درجات الحرارة هذا.

درجة الاهتزاز والتركيب: للاختبارات عالية الدقة، حدد منفّخاً محوريّاً يحمل تصنيف اهتزاز وفق معيار الآيزو، وثبِّته باستخدام عوازل مقاومة للاهتزاز. ويجب التأكُّد من جودة توازن المروحة وفق متطلبات الحساسية الخاصة بأجهزة القياس في مختبرك.

ملاحظات عملية مستخلصة من عمليات تركيب المنفّخات في مختبرات البطاريات

ملاحظة واحدة من عمليات التركيب في مرافق أبحاث البطاريات: يقلّل المهندسون غالبًا بشكل مفرط من تأثير هندسة مدخل المروحة على توزيع الهواء البارد الفعلي عبر مجموعة الاختبار. فحتى انسداد جزئي في شبكية المدخل عند لوحة تركيب المروحة يمكن أن يقلّل التوصيل الفعّال للهواء إلى مجموعة الخلايا بنسبة ملحوظة، وهي ظاهرة لا تظهر في مواصفات ورقة البيانات، لكنها تتجلى كعدم تجانس في درجات الحرارة أثناء اختبار التشغيل الأولي.

في تصاميم مختبرات البطاريات الجديدة، من المفيد إجراء محاكاة أساسية لتدفق الهواء داخل الغرفة قبل الانتهاء من تحديد موقع المراوح وعددها. وفي معظم الترتيبات المستطيلة لمجموعة الخلايا، توفر مروحتان أصغر من نوع التدفق المحوري، عند تركيبهما بطريقة الدفع-السحب، تجانسًا أفضل مقارنةً بوحدة واحدة عالية السعة، وبخاصة في المجموعات التي يتجاوز طولها ٦٠٠ ملم على محور تدفق الهواء. وعادةً ما تؤدي هذه الطريقة التفكيرية الشاملة للنظام إلى بيئات اختبار أكثر موثوقية مقارنةً باختيار المروحة ذات أعلى معدل تدفق هواء متاحة.

تضم مجموعة منتجات المراوح المحورية من ليبيسن أنواعاً مزودة بمحركات تيار مستمر بدون فرشاة (BLDC) ومحركات تيار مستمر بكفاءة عالية (EC)، مع واجهات تحكم في السرعة ومستويات اهتزاز مناسبة للبيئات الاختبارية الخاضعة للرقابة. أما بالنسبة للشركات التجارية التي تورد معدات المختبرات إلى مُدمِّجي المعدات أو مُنشئي أنظمة الاختبار في أوروبا أو أمريكا الشمالية أو أمريكا الجنوبية، فإن اختيار المروحة المحورية لتطبيقات اختبار البطاريات يشكّل متطلباً تقنياً دقيقاً يستفيد كثيراً من الدعم الفني المقدَّم من المورِّد قبل البيع. وللاطلاع على مواصفات المنتجات والتوجيهات الخاصة بالتطبيقات، يُرجى زيارة شركة قوانغدونغ ليبيسن فان المحدودة .

ملخّص: ما الذي يتطلّبه تدفق الهواء البارد المستقر فعلاً

يتعلّق توفير تدفق هواء بارد مستقر في مختبر اختبار البطاريات بتوافق المروحة مع مروحة محورية خصائص تشغيله إلى هندسة مسار تدفق الهواء في الغرفة، وميزانية الضغط الثابت، وملف الحمل الحراري، وليس فقط باختيار وحدة ذات أعلى معدل تدفق هواء (CFM) متاحة. وتتناسب تصميمة المحوري ذو التصريف المستوي والنسبي المنتظم مع ترتيبات صفوف الخلايا حيث يكتسب التوحُّد أهميةً بالغة. كما تضيف وحدات تحريك الهواء المحورية المزودة بمحركات تيار مستمر بدون فرش كهربائية (BLDC) أو محركات تيار مستمر إلكترونية (EC) الاستقرار في السرعة وقدرة التحكم في التغير التي تتطلبها بروتوكولات اختبار البطاريات عبر نطاق واسع من درجات الحرارة. وبعدها، تتحول تلك المزايا الهوائية إلى ظروف اختبارٍ متسقة وقابلة للتكرار طوال عمر خدمة غرفة الاختبار، وذلك عبر الانتباه إلى طريقة التثبيت، والعزل ضد الاهتزاز، وهندسة مدخل الهواء.