شبیه سازی انتقال حرارت باتری کامسول

شبیه سازی انتقال حرارت باتری کامسول باتری های لیتیوم یون (Li-ion) به طور گسترده ای به دلیل بهره وری انرژی شناخته شده اند و در حال تبدیل شدن به باتری انتخابی برای طراحان وسایل نقلیه الکتریکی (EVs) هستند. با این حال، این باتری ها با تغییرات ناگهانی دما کارایی خود را به سرعت از دست می دهند. یکی از راه‌های کنترل افزایش دما (چه محیطی و چه توسط خود باتری) خنک‌سازی مایع است، یک استراتژی مدیریت حرارتی موثر که عمر بسته باتری را افزایش می‌دهد. برای مطالعه خنک کننده مایع در باتری و بهینه سازی مدیریت حرارتی، مهندسان می توانند از شبیه سازی چند فیزیک استفاده کنند.

مدیریت حرارتی یک باتری لیتیوم یونی در یک ماشین الکتریکی
باتری‌های لیتیوم یون به دلیل چگالی انرژی بالا، چرخه عمر طولانی و سرعت کم خود تخلیه، کاربردهای زیادی دارند. به همین دلیل است که آنها در کاربردهای الکترونیکی از دستگاه‌های قابل حمل گرفته تا ذخیره‌سازی انرژی شبکه اهمیت فزاینده‌ای دارند – و به دلیل چگالی انرژی بالا در مقایسه با وزنشان، به باتری مورد استفاده برای خودروهای الکتریکی و خودروهای الکتریکی هیبریدی (electric_basics_hev) تبدیل می‌شوند.

باتری‌های لیتیوم یون علی‌رغم مزایای بسیاری که دارند، به‌ویژه به دماهای بسیار پایین و بالا حساس هستند. هنگامی که یک بسته باتری لیتیوم یونی به دلیل عوامل محیطی یا نرخ شارژ یا دشارژ خودش خیلی گرم یا سرد می شود، عملکرد و چرخه عمر آن به میزان قابل توجهی کاهش می یابد. نه تنها این، بلکه هنگامی که بسته باتری در خارج از محدوده دمایی بهینه 20 تا 40 درجه سانتیگراد گرم یا سرد شود، حتی یک درجه تغییر دما می تواند در ایمنی، پذیرش شارژ و قابلیت اطمینان مدیریت باتری تفاوت ایجاد کند. سیستم و خود خودرو. مدیریت حرارتی به بازگرداندن طراح به صندلی راننده با پرداختن به این مسائل کمک می کند. دو عامل اصلی مرتبط با دما وجود دارد که باید روی آنها برای عمر طولانی و عملکرد بهینه باتری تمرکز کرد:

آموزش کامسول شبیه سازی انتقال حرارت باتری کامسول

محدوده دمایی بهینه بسته باتری
توزیع یکنواخت دما در بسته باتری و سلول ها
طراحان خودروهای برقی هنگام گنجاندن سیستم مدیریت حرارتی باتری در طرح های خود باید فاکتورهای دیگری را نیز در نظر بگیرند. به عنوان مثال، اندازه سیستم مدیریت حرارتی را در نظر بگیرید: در طراحی کلی EV، مدارهای ایمنی و سیستم‌های حذف گاز خطرناک فضا را اشغال می‌کنند و بسته‌های باتری در خودروهای برقی باید به اندازه کافی بزرگ باشند تا کل خودرو را تامین کنند. بنابراین، سیستم مدیریت حرارتی نمی تواند آنقدر بزرگ یا سنگین باشد که با عملکرد سیستم پیشرانه الکتریکی تداخل داشته باشد – اما همچنان باید به اندازه کافی موثر باشد تا به سرعت مقدار گرمایی که یک بسته باتری بزرگتر تولید می کند، حذف کند.

موثرترین سیستم های خنک کننده برای باتری ها کدامند؟
باتری در یک EV معمولاً به روش های زیر خنک می شود:

هوا خنک شد
مایع خنک شده
مواد تغییر فاز (PCM)

آموزش comsol باتری لیتیوم یونی

در حالی که برای هر روش خنک‌کننده مزایا و معایبی وجود دارد، مطالعات نشان می‌دهد که با توجه به اندازه، وزن و توان مورد نیاز خودروهای الکتریکی، خنک‌کننده مایع یک گزینه مناسب برای باتری‌های Li-ion در خودروهای الکتریکی است. خنک‌سازی مستقیم مایع به سلول‌های باتری نیاز دارد که در سیال غوطه‌ور شوند، بنابراین مهم است که مایع خنک‌کننده رسانایی کم (یا بدون) داشته باشد. خنک کننده غیر مستقیم مایع نیازی به تماس سلول های باتری با مایع ندارد. در عوض، مایع خنک‌کننده مایع را می‌توان از طریق لوله‌های فلزی درون سیستم به گردش درآورد، که این امر مستلزم داشتن نوعی حفاظت ضد خوردگی است.

با استفاده از COMSOL ارزیابی نتایج شبیه سازی برای 3 مطالعه هنگامی که مدل با در نظر گرفتن تمام فیزیک تنظیم شد، می توانید آن را در سه مطالعه برای هر رابط فیزیک به ترتیب زیر حل کنید:

جریان سیال
منبع گرما
دمای شبه‌ای
بیایید نگاهی به نتایج مطالعه بیندازیم.

برای مطالعه جریان سیال، می توانید از دمای ورودی ثابت استفاده کنید تا دمای یکنواخت ثابت و خواص سیال خنک کننده در کانال ها وجود داشته باشد. در نمودار زیر، تلفات فشار در کانال ها را مشاهده می کنید که می تواند برای بهینه سازی پمپ جریان باتری استفاده شود. و ماژول طراحی باتری و ماژول انتقال حرارت افزودنی، مهندسان می‌توانند بسته باتری لیتیوم یونی خنک‌شده با مایع را برای مطالعه و بهینه‌سازی فرآیند خنک‌سازی مدل‌سازی کنند.

آموزش کامسول انتقال حرارت ماشین الکتریکی

مدل سازی خنک کننده مایع بسته باتری لیتیوم یونی با COMSOL
برای این نمونه بسته باتری مایع خنک‌شده، یک پروفایل دما در سلول‌ها و باله‌های خنک‌کننده در بسته لیتیوم یون شبیه‌سازی شده است. (در حالی که پره های خنک کننده می توانند وزن بیشتری به سیستم اضافه کنند، به دلیل رسانایی حرارتی بالا کمک زیادی به انتقال حرارت می کنند.) میتوانید جهت مطالعه شبیه سازی پروژه عمران با کامسول در پست قبلی اقدام کنید.

هندسه بسته باتری، که در زیر نشان داده شده است، از سه سلول واحد تکراری و دو کانال اتصال جریان (یکی در ورودی و دیگری در سمت خروجی پره های خنک کننده) تشکیل شده است. هر سلول واحد درون بسته دارای یک باله خنک کننده (هر کدام 2 میلی متر) با کانال های جریان است که در هر طرف یک باتری (هر کدام 2 میلی متر) وجود دارد که ضخامت کلی آن 6 میلی متر است.