محاكاة وحدة البطارية – طرز ترتيب متزايدة الوقت الخطي

انضم إلى منتدى المصممين

خبرتك ضرورية للمجتمع. انضم إلينا وساهم بمعرفتك

شارك وتعلّم وتقدّم مع أفضل المحترفين في هذا المجال

تحديات التصميم الحراري لمجلة البطارية

يمثل تصميم وحدات البطارية لدورات الاستخدام العديد من تحديات الهندسة الحرارية الفريدة.

تتضمن دورات الاستخدام ، مثل دورات محرك الأقراص ، أحمالًا متغيرة وسرعات وظروف بيئية ، تتطلب بطاريات تقديم أداء ثابت تحت الضغط الديناميكي. تعتبر إدارة السلوك الحراري أمرًا بالغ الأهمية ، حيث أن التيارات المتقلب تولد الحرارة التي يمكن أن تحلل الخلايا. يجب على المصممين ضمان كثافة الطاقة المثلى ، وإخراج الطاقة ، والسلامة ، مع موازنة الحجم والوزن والقيود في التكلفة. بالإضافة إلى ذلك ، يجب مطابقة الخلايا بعناية لتجنب الاختلالات التي تؤثر على الأداء والعمر. إن التنبؤ بالتدهور على المدى الطويل في ظل ركوب الدراجات في العالم الحقيقي يعقد التصميم. بشكل عام ، يتطلب تحقيق المتانة والكفاءة والموثوقية عبر سيناريوهات القيادة المتنوعة استراتيجيات هندسية ومراقبة متقدمة.

الحل الهندسي

لمعالجة تحديات وحدة البطارية في دورات القيادة ، يستخدم المهندسون العديد من الحلول. أنظمة الإدارة الحرارية ، مثل تبريد السائل أو مواد تغيير الطور ، تنظم درجة الحرارة ومنع ارتفاع درجة الحرارة. تراقب أنظمة إدارة البطاريات (BMS) الجهد والتيار ودرجة الحرارة لضمان موازنة الخلايا والتشغيل الآمن. تساعد أدوات النمذجة والمحاكاة المتقدمة في التنبؤ بالأداء والتدهور في ظل ظروف محرك مختلفة. اختيار الخلايا والمطابقة تحسين التوحيد وطول العمر. التصميم الهيكلي يعمل على تحسين التغليف للوزن والمتانة وسلامة التعطل. بالإضافة إلى ذلك ، تقوم خوارزميات التحكم التكيفية بضبط توصيل الطاقة في الوقت الفعلي لتعزيز الكفاءة وتوسيع عمر البطارية عبر سيناريوهات القيادة المتنوعة.

يعد استخدام ANSYS Fluent أداة فعالة لتقييم حلول النظام الحراري للبطارية ؛ ومع ذلك ، يمكن أن تمثل هذه التقييمات العديد من التحديات. يتطلب إنشاء نماذج دقيقة بيانات إدخال مفصلة ، بما في ذلك خصائص المواد وسلوك الخلية في ظل ظروف مختلفة ، والتي قد يكون من الصعب الحصول عليها. إن التحقق من عمليات المحاكاة عالية الدقة في Fluent مكثفة من الناحية الحسابية وتستغرق وقتًا طويلاً عند النظر في دورات الاستخدام. من خلال الاستفادة من نماذج الطلبات المخفضة في الحلول الحرارية التوأم الرقمية لـ ANSYS لدورات الاستخدام يمكن تقييمها في الوقت الفعلي. تتناول هذه المدونة طراز الترتيب الخطي المتزامن (LTI) المنخفض (ROM) لوحدة البطارية.

طريقة

يتضمن إعداد وحدة البطارية المحاكاة الحرارية مع التوأم ANSYS Fluent و Digital Twin في هذه المناقشة عدة خطوات. تتضمن هذه الخطوات خريطة الفكر وخريطة المنتج وإعداد الحالات بطلاقة وإعداد Twin Builder Digital Twin.

خريطة الفكر: يتم إنشاء خريطة فكرية لخصائص صب الضرب لتنظيم وتمثيل الأفكار أو المفاهيم أو المعلومات بطريقة منظمة. توضح خريطة الفكر أدناه هدف دراسة المحاكاة والأسئلة التي يتم طرحها لمعالجة الهدف. يتبع كل سؤال نظرية وعمل وتنبؤ لمعالجة كل سؤال. ستضاف النتائج أيضًا إلى أسفل كل فرع عند توليدها.

خرائط المنتج: يتم إنشاء خريطة منتج لبلد تصالب باريسون والقوالب لسرد وتصنيف ميزات المنتج. تشير خريطة المنتج إلى بعض العوامل التي تتوافق مع النظريات/الإجراءات في خريطة الفكر.

محاكاة التدريب بطلاقة: يتم تنفيذ النماذج بطلاقة لأغراض التدريب لكل الدراسات التي تنتجها خريطة الفكر. يتم إجراء محاكاة تدفق البرد في الحالة المستقرة أولاً لإنشاء محلول لتدفق سائل تبريد اللوحة الباردة مع إطلاق حرارة الخلية صفريًا وعلامة تبويب الصفر. ثم يتم إلغاء تنشيط معادلات التدفق ، ويتم تنشيط معادلة الطاقة. تُظهر الصور أدناه تسلسل خطوات لتدريب طراز LTI بإدخال إدخال مفرد مع إدخال متعددة مع عدة نماذج ترتيب مخفضة للإدخال المتعددة في طراز البطارية بطلاقة.

تعرض الصورة التالية تنشيط مجموعة أدوات ROM للبطارية واختيار نوع LTI ROM من لوحة طراز البطارية.

تعرض الصورة التالية إجراء التحديد المختلفة لإخراج المخرجات المتعددة (SIMO) المفرد مقابل ROMs متعددة الإخراج (MIMO) المتعددة عند تحديد حرارة الصوت. نصيحة: حدد قيمة القوة الكهربائية قبل النقر فوق الأزرار “إضافة كمجموعة” أو “إضافة بشكل فردي”.

يتم تنشيط علامة تبويب الإدخال الحالية لـ Joule Heat في كلتا الحالتين ؛ وكلا الحالتين تستخدم الخلايا المضافة بشكل فردي لمتوسط ​​منطقة الخلية كما هو موضح أدناه. بعد إعداد الإعداد العابر ، يتم تطبيق الإعدادات ، ويتم تنشيط التدريب.

محاكاة التوأم الرقمية: يتم الوصول إلى وظيفة التوأم الرقمية للوقت الخطي ROM في Twin Builder عبر Twin Builder> Toolkit> تحديد النموذج الحراري. تُظهر الصور أدناه تسلسل خطوات تنفيذ نموذج LTI مع نموذج ترتيب مخفض للإدخال المفرد (يسار) ونموذج ترتيب إخراج متعدد الإدخال متعدد (يمين) في منشئ التوأم.

يتم سحب النموذج الذي تم إنشاؤه من مكتبة المكون إلى النافذة التخطيطي. تتم إضافة مدخلات ثابتة للحمل الحراري والتيار وتوصيله بالنموذج. تتم إضافة وظيفة مربعة بين الكتلة الثابتة الحالية ومدخل حرارة Joule لأن الحمل الحراري هو دالة للتيار التربيعي. بالنسبة إلى Simo ROM ، يتوافق الحمل الحراري الثابت مع حمل الرأس للوحدة. بالنسبة إلى MIMO ROM ، يتم توصيل الحمل الحراري الثابت بجميع المدخلات وله قيمة مساوية للحمل الحراري لكل خلية.

يتم إجراء تحليل منشئ التوأم لتوليد نتائج درجة الحرارة العابرة. يتم تنفيذ حسابات المحاكاة لإنشاء النتائج ، مع التركيز على درجة الحرارة ووقت المحاكاة. تم إجراء عمليات تشغيل بطلاقة بالتوازي مع 10 معالجات واستخدمت حجم خطوة زمنية يساوي الحد الأقصى لحجم الخطوة الزمنية المحددة للتشغيل التوأم الرقمي. يتم تحليل بيانات العلاجات للإجابة على أسئلة النظرية وتأكيد أو تناقض التنبؤات.

نتائج محاكاة التوأم المتقنة والرقمية

التحليل الرسومي لوقت التدريب: تعرض المخططات أدناه الوقت الذي تقضيه في تدريب ROM في FLUENT. استغرق التدريب المتعدد المخرج المتعدد (MIMO) أكثر من ست مرات من تدريب الإدخال المتعدد (SIMO) المفرد لأنه كان هناك 13 مدخلًا مقارنة بـ 2.

التحليل الرسومي لوقت المحاكاة: تعرض المخططات أدناه الوقت الذي تقضيه في محاكاة الاستخدام في التوأم الرقمي والرقم. كان للسيناريو الأول حمولة حرارية ثابتة ، في حين أن السيناريوهات الثانية والثالثة كان لها أحمال حرارة عابرة. كانت أوقات التشغيل التوأم الرقمية أقل من 4 ثوان. استغرق تشغيل Fluent المقابل ساعات للركض.

التحليل الرسومي لدرجة حرارة المحاكاة: تعرض المخططات أدناه مقارنة درجة الحرارة بين عمليات التشغيل Fluent و ROMS SIMO و MIMO المقابلة مع حمل حراري ثابت. من الصعب للغاية رؤية فرق في درجة الحرارة ؛ ومع ذلك ، فإن فرق وقت المحاكاة كبير.

التحليل الرسومي لدرجة حرارة المحاكاة: تعرض المخططات أدناه مقارنة درجة الحرارة بين عمليات التشغيل Fluent وتشغيل التوأم الرقمي المقابل مع أحمال الدورة الأمامية والخلفية. من الصعب للغاية رؤية فرق في درجة الحرارة ؛ ومع ذلك ، فإن فرق وقت المحاكاة كبير.

التحليل الرسومي للتأثير الحالي للبطارية: تعرض المخططات أدناه مقارنة درجة الحرارة بين المستويين الحاليين مع أحمال الدورة الأمامية والعكسية. يمكن رؤية اختلاف نصف درجة في درجة الحرارة في نهاية الدورات. استغرق كل تشغيل أقل من 4 ثوان لتنفيذ.

فيديو

تفاصيل الإعداد: خطوات الفيديو التالية من خلال أبرز المعالم في الإعداد لكل من Simo و Mimo باستخدام البناء Fluent و Twin.

فوائد حل ANSYS

يوفر ANSYS إمكانات متقدمة لمحاكاة الأنظمة الحرارية لمحاكاة وحدة البطارية التي توفر العديد من الفوائد ، بما في ذلك تحسين التصميم المحسن ، وتحسين الموثوقية ، وتوفير التكاليف. من خلال التنبؤ بدقة أداء وحدة البطارية في دورات الاستخدام ، يمكن للمصنعين تصميم المنتجات التي تلبي متطلبات محددة بشكل أكثر كفاءة.

في نهاية المطاف ، يوفر التوأم ANSYS Fluent و Digital بيئة افتراضية شاملة لتقييم دورات الاستخدام وأنظمة التبريد بشكل جيد.

ANSYS FLUENT والتوأم الرقمي يتيح تقييم عوامل التصميم/الإدخال المتعددة مثل الحمل الحراري الحالي والثابت أو المتغير. يمكن للمهندس الحراري للبطارية تقييم خيارات التصميم المتعددة في التوأم الرقمي لفهم السلوك الحراري في الوقت الفعلي. ما وراء التوأم الرقمي والطلاء ، يوفر ANSYS أدوات مثل LS-Dyna و DesignExplorer و Optislang و Mechanical لمزيد من التصميم المعامل والتقييم.

انضم إلى منتدى المصممين

خبرتك ضرورية للمجتمع. انضم إلينا وساهم بمعرفتك

شارك وتعلّم وتقدّم مع أفضل المحترفين في هذا المجال