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.
Dlaczego symulacja?
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).
Opis symulacji
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.
Omówienie wyników symulacji chłodzenia
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
Linie prądu i temperatura na ściankach w trakcie rozładowywania przy stałej mocy równej 100[W]
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).
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.