Szukaj Logowanie Kontakt
             Aktualności Blog Kalendarz

  ANSYS Logo cropped 164px ANSYS Logo cropped 164px ANSYS Logo cropped 164px

ANSYS Elite Channel Partner ANSYS Logo cropped 164px ANSYS Logo cropped 164px 
    ANSYS Elite Channel Partner

Chevrolet Volt battery pack sm

Od kilkunastu lat zauważalny staje się coraz wyższy udział napędów elektrycznych zasilanych akumulatorowo w urządzeniach wysokich mocy, m.in. w branży motoryzacyjnej (pojazdy elektryczne lub hybrydowe), lotniczej (małe systemy bezzałogowe), a także w urządzeniach typowo przemysłowych, takich jak urządzenia transportu w halach produkcyjnych, elektronarzędzia i wiele innych tego typu aplikacji.

 

Systemy akumulatorowe złożone z setek ogniw, najczęściej litowo – jonowych są bardzo kosztownym projektem badawczym na etapie opracowywania technologii. Zaprojektowanie bezkompromisowego układu zarówno od strony elektrycznej, termicznej, jak i wytrzymałościowej sprowadza się najczęściej do co najmniej kilku kolejnych wersji urządzenia. Niestety, próby optymalizacji metodą prób i błędów są mało efektywne, ze względu na duży stopień komplikacji zjawisk fizycznych i silnych nieliniowości.

Pakiet narzędzi w systemie Ansys pozwala na zasymulowanie pracy urządzenia z zasilaniem akumulatorowym. W niniejszym artykule przedstawiono przykład procesu rozładowywania pakietu ogniw w układzie 9S2P (9 ogniw ułożonych szeregowo w dwóch takich konfiguracjach połączonych równolegle).

Parametry pracy układu przyjęto następująco

  • Układ został obciążony stałą mocą o wartości 400 [W].
  • Pojemność elektryczna całego pakietu wynosiła 8.4[Ah]
  • Warunkiem zatrzymania rozładowywania było osiągniecie napięcia na którymkolwiek ogniwie poniżej 3.2 [V]
  • Chłodzenie odbywało się za pomocą dwóch wentylatorów wytwarzających skok ciśnienia o wartości 4[Pa] każdy, wylot powietrza swobodny - do atmosfery.
  • Temperatura powietrza wynosiła 20 [C]

Do rozwiązania zagadnienia wykorzystano oprogramowanie Ansys Fluent. Narzędzie to, po za standardową funkcjonalnością wykorzystywaną w typowych zagadnieniach przepływu, posiada pewne dodatkowe biblioteki, za pomocą których rozwiązywać można inne zagadnienia fizyczne – takie, w których zastosować można równania bilansu dowolnej wielkości (w tym przypadku potencjału). Moduł służący symulacjom akumulatorów: MSMD (Multi – Scale - Multi – Dimensional) posiada obecnie kilka modeli matematycznych zaimplementowanych w kodzie CFD. W przedstawionym zagadnieniu wykorzystano empiryczny model NTGK [1],[2],[3] uwzględniający korekcję temperaturową.

Ogniwo modelowano jako jedną bryłę, o parametrach materiałowych będących wypadkowymi parametrami warstw wewnętrznych. Literatura dostarcza informacje, jak należy określić parametry termiczne i elektryczne materiału dla tak uproszczonego z punktu widzenia budowy wewnętrznej ogniwa. Charakterystyki rozładowania wprowadza się w postaci odpowiednio sformatowanych plików z pomiarów rozładowania. Metoda przeprowadzenia testów dla poszczególnych modeli matematycznych (NTGK, ECM, P2D) również jest jasno określona w dokumentacji oprogramowania. Wykorzystując narzędzie estymacji parametrów (Curve – fitting: Levenberg - Merquardt), program znajduje stałe modelowe.

Równania przepływu prądu są sprzężone z równaniem energii, dzięki któremu otrzymywany jest m.in. rozkład wydzielanego ciepła w wyniku przemian elektrochemicznych i rezystancji wewnętrznej. Modelując kanały powietrzne i domenę płynu otaczającą ogniwa, rozwiązuje się jednocześnie zagadnienie sprzężonego przepływu ciepła pomiędzy ciałami stałymi a płynem (CHT). Istotne jest w tym przypadku, że przepływ ciepła wskutek konwekcji jest wynikiem takiej symulacji, a nie założeniem pewnej wartości współczynnika wnikania ciepła.

 400W HTC

Rozkład współczynnika wnikania ciepła 

W efekcie otrzymujemy bogatą bazę wyników, takich jak:

  • wyniki elektryczne, takie jak gęstości prądów, poziomy napięć na poszczególnych ogniwach, poziomy naładowania
  • wyniki termiczne, takie jak rozkłady temperatur, współczynników wnikania, źródła ciepła, strumienie ciepła
  • wyniki przepływowe, takie jak pole ciśnień, pole prędkości, sposób opływu i inne

400W 2

 

Pole wektorowe gęstości prądu. Skala logarytmiczna

 

 2 movie1

Linie prądu i temperatura na ściankach w trakcie rozładowywania przy stałej mocy równej 100[W]

 

 

Rozkład temperatury w trakcie rozładowywania

Temperatura na ściankach w trakcie rozładowywania przy stałej mocy równej 400[W]

 

 

400W Soc

Linie prądu (strugi) kolorowane względem prędkości oraz gęstości prądów w trakcie rozładowywania przy mocy równej 400[W].
Informacje o średnim napięciu na ogniwach (Potential) i stanie naładowania (SoC).

 

 

400W T3

Animacja unoszenia ciepła w trakcie rozładowywania. Kolorystyka zgodna z poziomem temperatury płynu.

 

Podsumowując możliwości modułu MSMD należy jasno podkreślić jego ogromny potencjał wśród działów R&D zajmujących się budowaniem systemów akumulatorowych. Funkcjonalność modułu nie jest ograniczona jedynie do symulacji rozładowania, Wykorzystanie nieco bardziej zaawansowanego modelu ECM (Equivalent Circuit Model) pozwala na ładowanie / rozładowywanie pakietu dowolną charakterystyką, np. pomiarową z urządzenia zasilanego takim pakietem. Dodatkowo możliwość parametryzacji dowolnej cechy modelu pozwala na rozwiązanie zagadnienia optymalizacji wewnątrz środowiska Ansys Workbench czy w oparciu o wbudowane narzędzia Ansys Fluent np. modyfikacje związane z obudową pakietu czy sposobem jego chłodzenia. Innym przykładem sprawnej pracy z parametrami może  być obsluga zdarzeń, np. sterowania parametrami pracy wentylatora w zależności od pomiaru temperatury (lub jakiejkolwiek innej cechy) w jakimkolwiek punkcie. Wyniki z obliczeń przepływowych można również wykorzystać w analizach termomechanicznych w Ansys Mechanical. W połączeniu z innymi narzędziami sytemu Ansys można w ten sposób zasymulować większość problemów technicznych, nawet bardzo złożonych. Przedstawione narzędzie jest stale rozwijane i w najbliższych wersjach oczekujemy funkcjonalności korekcji pojemności ze względu na liczbę cykli ładowania / rozładowania.

 

 

 

Bibliografia:

[1] U. S. Kim et al. “Modeling the Dependence of the Discharge Behavior of a Lithium-Ion Battery on the Environmental Temperature”. J. of Electrochemical Soc.. 158 (5). A611-A618. 2011.

[2] U. S. Kim et al. “Effect of electrode configuration on the thermal behavior of a lithium-polymer battery”. Journal of Power Sources. 180 (2). 909-916. 2008.

[3] K. H. Kwon et al. “A Two-dimensional Modeling of a Lithium-polymer battery”. Journal of Power Sources. 163. 151-157. 2006. 

Powiadomienia

Chcesz wiedzieć gdy dodamy nowy artykuł? Wybierz kategorię, która Cię interesuje!

STREFA AKADEMICKA

Oprogramowanie

ANSYS WORKBENCH