مع التطور السريع لتقنيات الطاقة الجديدة، يزداد استخدام بطاريات تخزين الطاقة (مثل بطاريات أيونات الليثيوم، وبطاريات أيونات الصوديوم، وغيرها) في أنظمة الطاقة، والمركبات الكهربائية، ومراكز البيانات، وغيرها من المجالات. وترتبط سلامة البطاريات وعمرها الافتراضي ارتباطًا وثيقًا بدرجة حرارة تشغيلها.أجهزة استشعار درجة الحرارة ذات معامل درجة الحرارة السالب (NTC)بفضل حساسيتها العالية وفعاليتها من حيث التكلفة، أصبحت هذه الحساسات من المكونات الأساسية لمراقبة درجة حرارة البطارية. نستعرض فيما يلي تطبيقاتها ومزاياها وتحدياتها من وجهات نظر متعددة.
I. مبدأ عمل وخصائص مستشعرات درجة الحرارة NTC
- المبدأ الأساسي
يُظهر الثرمستور NTC انخفاضًا أُسيًا في المقاومة مع ارتفاع درجة الحرارة. بقياس تغيرات المقاومة، يمكن الحصول على بيانات درجة الحرارة بشكل غير مباشر. تتبع علاقة درجة الحرارة بالمقاومة الصيغة التالية:
RT=R0⋅eB(T1-T01)
أينRT هي المقاومة عند درجة الحرارةT،R0 هي المقاومة المرجعية عند درجة الحرارةT0، وBهو الثابت المادي.
- المزايا الرئيسية
- حساسية عالية:تؤدي التغيرات الصغيرة في درجات الحرارة إلى اختلافات كبيرة في المقاومة، مما يتيح مراقبة دقيقة.
- الاستجابة السريعة:يسمح الحجم الصغير والكتلة الحرارية المنخفضة بتتبع تقلبات درجات الحرارة في الوقت الفعلي.
- تكلفة منخفضة:تدعم عمليات التصنيع الناضجة النشر على نطاق واسع.
- نطاق واسع لدرجة الحرارة:يغطي نطاق التشغيل النموذجي (-40 درجة مئوية إلى 125 درجة مئوية) السيناريوهات الشائعة لبطاريات تخزين الطاقة.
II. متطلبات إدارة درجة الحرارة في بطاريات تخزين الطاقة
يعتمد أداء وسلامة بطاريات الليثيوم بشكل كبير على درجة الحرارة:
- مخاطر درجات الحرارة المرتفعة:يمكن أن يؤدي الشحن الزائد أو التفريغ الزائد أو الدوائر القصيرة إلى حدوث هروب حراري، مما يؤدي إلى الحرائق أو الانفجارات.
- تأثيرات درجات الحرارة المنخفضة:تؤدي زيادة لزوجة الإلكتروليت في درجات الحرارة المنخفضة إلى تقليل معدلات هجرة أيونات الليثيوم، مما يتسبب في فقدان مفاجئ للسعة.
- توحيد درجة الحرارة:تؤدي الاختلافات المفرطة في درجات الحرارة داخل وحدات البطارية إلى تسريع الشيخوخة وتقليل عمرها الافتراضي.
هكذا،مراقبة درجة الحرارة في الوقت الفعلي وفي عدة نقاطوهي وظيفة أساسية في أنظمة إدارة البطارية (BMS)، حيث تلعب أجهزة استشعار NTC دورًا محوريًا.
ثالثًا. التطبيقات النموذجية لمستشعرات NTC في بطاريات تخزين الطاقة
- مراقبة درجة حرارة سطح الخلية
- يتم تثبيت أجهزة استشعار NTC على سطح كل خلية أو وحدة لمراقبة النقاط الساخنة بشكل مباشر.
- طرق التثبيت:يتم تثبيته باستخدام لاصق حراري أو أقواس معدنية لضمان الاتصال الوثيق مع الخلايا.
- مراقبة تجانس درجة الحرارة الداخلية للوحدة
- يتم نشر أجهزة استشعار NTC متعددة في مواضع مختلفة (على سبيل المثال، المركز، الحواف) للكشف عن ارتفاع درجة الحرارة أو اختلال التوازن في التبريد الموضعي.
- تعمل خوارزميات BMS على تحسين استراتيجيات الشحن/التفريغ لمنع الانفلات الحراري.
- التحكم في نظام التبريد
- تعمل بيانات NTC على تحفيز تنشيط/إلغاء تنشيط أنظمة التبريد (تبريد الهواء/السائل أو مواد تغيير الطور) لضبط تبديد الحرارة بشكل ديناميكي.
- مثال: تنشيط مضخة التبريد السائل عندما تتجاوز درجات الحرارة 45 درجة مئوية وإيقاف تشغيلها عند درجة حرارة أقل من 30 درجة مئوية لتوفير الطاقة.
- مراقبة درجة الحرارة المحيطة
- مراقبة درجات الحرارة الخارجية (على سبيل المثال، حرارة الصيف الخارجية أو برودة الشتاء) للتخفيف من التأثيرات البيئية على أداء البطارية.
رابعًا: التحديات التقنية والحلول في تطبيقات NTC
- الاستقرار طويل الأمد
- تحدي:قد يحدث انحراف المقاومة في البيئات ذات درجات الحرارة/الرطوبة العالية، مما يتسبب في حدوث أخطاء في القياس.
- حل:استخدم NTCs عالية الموثوقية مع تغليف الإيبوكسي أو الزجاج، جنبًا إلى جنب مع المعايرة الدورية أو خوارزميات التصحيح الذاتي.
- تعقيد النشر متعدد النقاط
- تحدي:تزداد تعقيدات الأسلاك مع وجود العشرات إلى المئات من أجهزة الاستشعار في مجموعات البطاريات الكبيرة.
- حل:قم بتبسيط عملية التوصيل عبر وحدات الاستحواذ الموزعة (على سبيل المثال، بنية ناقل CAN) أو أجهزة الاستشعار المرنة المدمجة في لوحة الدوائر المطبوعة.
- الخصائص غير الخطية
- تحدي:تتطلب العلاقة الأسيّة بين المقاومة ودرجة الحرارة الخطية.
- حل:قم بتطبيق تعويضات البرامج باستخدام جداول البحث (LUT) أو معادلة Steinhart-Hart لتحسين دقة BMS.
خامسا. اتجاهات التنمية المستقبلية
- الدقة العالية والرقمنة:تعمل NTCs ذات الواجهات الرقمية (على سبيل المثال، I2C) على تقليل تداخل الإشارة وتبسيط تصميم النظام.
- مراقبة الاندماج متعدد المعلمات:دمج أجهزة استشعار الجهد/التيار لتحقيق استراتيجيات إدارة حرارية أكثر ذكاءً.
- المواد المتقدمة:NTCs ذات نطاقات ممتدة (-50 درجة مئوية إلى 150 درجة مئوية) لتلبية متطلبات البيئة القاسية.
- الصيانة التنبؤية المعتمدة على الذكاء الاصطناعي:استخدم التعلم الآلي لتحليل تاريخ درجات الحرارة، والتنبؤ باتجاهات الشيخوخة، وتمكين التحذيرات المبكرة.
السادس. الخاتمة
تُعد مستشعرات درجة الحرارة NTC، بفضل فعاليتها من حيث التكلفة وسرعة استجابتها، ضرورية لمراقبة درجة الحرارة في بطاريات تخزين الطاقة. ومع تطور ذكاء أنظمة إدارة المباني (BMS) وظهور مواد جديدة، ستعزز مستشعرات درجة الحرارة NTC سلامة أنظمة تخزين الطاقة وعمرها الافتراضي وكفاءتها. يجب على المصممين اختيار المواصفات المناسبة (مثل قيمة B والتغليف) لتطبيقات محددة، وتحسين وضع المستشعر، ودمج بيانات متعددة المصادر لتعظيم قيمتها.
وقت النشر: 6 أبريل 2025