آموزش کامسول شبیه سازی توزیع حرارتی در باتری ها لیتیوم یونی

آموزش کامسول شبیه سازی توزیع حرارتی در باتری ها باتری‌های لیتیوم یون (Li-ion) برای تامین انرژی دستگاه‌های مختلف، از اسباب‌بازی‌ها و پهپادها گرفته تا تلفن‌های همراه و لپ‌تاپ‌ها تا تجهیزات پزشکی و ماشین‌های الکتریکی استفاده می‌شوند. برای تغذیه کارآمد چنین دستگاه‌هایی، توزیع دما در باتری‌های لیتیوم یونی باید کنترل شود، زیرا انحراف از دمای عملیاتی بهینه می‌تواند باعث از دست دادن یا خرابی در عملکرد آنها شود. یکی از راه‌های تحلیل توزیع دما در باتری‌های لیتیوم یون، شبیه‌سازی چندفیزیکی است.

در این پست وبلاگ، نحوه مدل‌سازی توزیع حرارتی در بسته باتری لیتیوم یونی را بررسی می‌کنیم و در مورد یک برنامه شبیه‌سازی که بر اساس مدل است بحث می‌کنیم.

شبیه سازی توزیع حرارتی در باتری ها

مدل سازی حرارتی باتری ها معمولا با استفاده از دو روش انجام می شود:

آموزش کامسول مدلسازی با کیفیت بالا
مدل سازی توده ای

مدل سازی توده ای از عملکرد و رفتار باتری ارائه می دهد. مدل‌سازی با وفاداری بالا می‌تواند بینشی در مورد توزیع‌های جریان و پتانسیل در سلول باتری، غلظت و انتقال یون‌های لیتیوم در داخل باتری، کاهش ظرفیت به دلیل تخریب باتری و مکانیسم‌های خرابی ارائه دهد. در حالی که مدل‌های دقیق امکان درک عمیق یک سلول باتری را فراهم می‌کنند، اما از نظر محاسباتی برای پیش‌بینی عملکرد بسته‌های بزرگ سلول‌ها بسیار گران هستند. علاوه بر این، برای یک سازنده خودرو، که ممکن است سلول‌های باتری را از یک سازنده سلول خریداری کند، اندازه‌گیری یا دسترسی به پارامترهای ورودی مدل سطح سلولی مورد نیاز برای ساخت یک مدل با وفاداری بالا می‌تواند دشوار باشد.

برای مدل‌سازی بسته‌های باتری کامل، مدل‌های یکپارچه می‌توانند دقت قابل قبولی را با هزینه محاسباتی کمتر و با پارامترهای ورودی کمتر ارائه دهند. مدل های توده ای نیاز به پارامترهای ورودی مانند:

ظرفیت باتری
حالت اولیه شارژ (SOC)
ولتاژ مدار باز (OCV) در مقابل SOC
پارامترهای مشخص کننده تلفات ولتاژ یا ظرفیت
این پارامترها برای طراحان و سازندگان بسته های باتری به راحتی قابل دسترسی است. ما قبلاً بحث کرده ایم که چگونه می توان از تخمین پارامتر برای به دست آوردن این پارامترها استفاده کرد.

در بخش زیر، نمونه‌ای از مدل حرارتی یک بسته باتری ساخته شده با رویکرد مدل‌سازی توده‌ای را به اشتراک می‌گذاریم. هندسه بسته به صورت 3 بعدی تنظیم شده است و رابط Lumped Battery برای تعریف خواص حرارتی برای سلول های جداگانه استفاده می شود.
رویکرد مدلسازی یکپارچه
بیایید به نحوه مدل‌سازی توزیع دما در بسته باتری در حین تخلیه 4C نگاه کنیم.

بسته باتری (یا ماژول) ما شامل 6 جفت باتری استوانه ای است که برای ایجاد یک 6 سلول به صورت سری، 2 به صورت موازی (6s2p) به هم متصل شده اند که در دستگاه های قابل حمل مانند اسباب بازی ها و تجهیزات پزشکی رایج است. توجه داشته باشید که همین روش ممکن است برای مدل‌سازی چند صد سلول استفاده شود، به عنوان مثال در یک ماژول باتری در خودرو، به شکل ماژول باتری در بالا مراجعه کنید.

استفاده از دو سطح تقارن تضمین می کند که توزیع دما فقط برای سه سلول باتری جداگانه محاسبه شود. سه نمونه از رابط Lumped Battery برای تعریف منابع گرمای مربوطه اضافه شده است، که سپس به یک رابط انتقال حرارت جفت می شود.
موقعیت باتری ها در یک بسته بر دمای کارکرد آنها تأثیر می گذارد. در مدل، سه سیلندر باتری 21700 (قطر 21 میلی متر، ارتفاع 70 میلی متر) در مجاورت یکدیگر قرار گرفته اند. نوارهای اتصال کوچک آلومینیومی طبق پیکربندی 6s2p در بالا و پایین سیلندرها قرار دارند. فرض بر این است که کل بسته در پلاستیک پیچیده شده است و یک دامنه پر از هوا را تشکیل می دهد. با فرض ظرفیت اسمی 4 Ah برای هر سلول و ولتاژ نامی 3.7 ولت، بسته باتری دارای ظرفیت اسمی کلی تقریباً 178 Wh است.

هر رابط باطری توده‌ای که برای مدل‌سازی یک سیلندر باتری جداگانه استفاده می‌شود، پارامترهای اهمی، جریان مبادله‌ای و ثابت زمان انتشار وابسته به دما دارد. مشخصات دما با استفاده از یک رابط انتقال حرارت مدل‌سازی می‌شود، جایی که منابع گرمایی ناشی از مدل‌های باتری با استفاده از یک گره چندفیزیکی گرمایش الکتروشیمیایی اضافه می‌شوند. بنابراین، هر سلول دارای یک مدل توده ای جداگانه است.

در این مدل، ما انتخاب کرده‌ایم که از همرفت در حوزه پر از هوا که باتری‌ها را در بر می‌گیرد، با فرض شرایط سکون، غفلت کنیم. مرزهای بیرونی بسته باتری با شرایط خنک کننده همرفتی خنک می شوند. برای مرزهای تقارن مسطح داخلی رو به بقیه بسته، از شرایط تقارن (بدون شار) استفاده می شود.

رسانایی حرارتی در هر سلول باتری ناهمسانگرد است که از طریق سیستم های مختصات استوانه ای برای هر سیلندر باتری به دنبال ساختار رول ژله ای داخل باتری، که از فویل های فلزی، الکترودها و جداکننده داخل سلول تشکیل شده است، تعریف می شود. رول ژله ای رسانایی حرارتی پایین تری در جهت شعاعی در مقایسه با جهت زاویه ای و z دارد – نتیجه ورقه های فلزی مارپیچی در رول ژله ای است.

این بسته از 100% تا 20% SOC با استفاده از نرخ 4C به مدت 12 دقیقه تخلیه می شود. پروب هایی برای دما و پتانسیل سلولی اضافه می شوند

برای نمایش بصری نتایج در حین حل کردن به سلول های مختلف داده می شود.
می‌توان مشاهده کرد که درونی‌ترین قسمت‌های بسته دمایی حدود ۲ درجه سانتی‌گراد بالاتر از بیرونی‌ترین قسمت‌ها را تجربه می‌کنند که می‌تواند در یک ماژول باتری بزرگ‌تر تا ده‌ها درجه افزایش یابد. همچنین میتوانید برای آموزش کامسول آنلاین اقدام بفرمایید.

همانطور که در نمودار سمت چپ زیر می بینید، بیرونی ترین سلول (سلول 1) ولتاژ تخلیه کمی کمتری را نشان می دهد، که در نتیجه تلفات اهمی و جریان مبادله کمی کمتر است، و ثابت زمان انتشار کمی بالاتر است. دمای پایین تر دماهای مربوطه در شکل سمت راست زیر نشان داده شده است.

انجام پروژه کامسول