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Thermische Herausforderungen beim Batteriemodul-Design
Die Entwicklung von Batteriemodulen für den zyklischen Einsatz stellt die Wärmetechnik vor einige besondere Herausforderungen.
Nutzungszyklen, wie z. B. Fahrzyklen, beinhalten variable Lasten, Geschwindigkeiten und Umgebungsbedingungen, so dass die Batterien unter dynamischer Belastung eine konstante Leistung erbringen müssen. Die Beherrschung des thermischen Verhaltens ist von entscheidender Bedeutung, da schwankende Ströme Wärme erzeugen, die die Zellen schädigen kann. Die Konstrukteure müssen eine optimale Energiedichte, Leistungsabgabe und Sicherheit gewährleisten und gleichzeitig Größe, Gewicht und Kostenvorgaben berücksichtigen. Außerdem müssen die Zellen sorgfältig aufeinander abgestimmt werden, um Ungleichgewichte zu vermeiden, die die Leistung und Lebensdauer beeinträchtigen. Die Vorhersage der langfristigen Verschlechterung unter realen Bedingungen erschwert die Entwicklung zusätzlich. Insgesamt erfordert das Erreichen von Langlebigkeit, Effizienz und Zuverlässigkeit in verschiedenen Fahrszenarien eine sorgfältige Konstruktion und fortschrittliche Kontrollstrategien.
Technische Lösung
Um die Herausforderungen von Batteriemodulen in Fahrzyklen zu bewältigen, setzen Ingenieure verschiedene Lösungen ein. Wärmemanagementsysteme, wie Flüssigkeitskühlung oder Phasenwechselmaterialien, regulieren die Temperatur und verhindern eine Überhitzung. Batteriemanagementsysteme (BMS) überwachen Spannung, Strom und Temperatur, um den Ausgleich der Zellen und einen sicheren Betrieb zu gewährleisten. Fortschrittliche Modellierungs- und Simulationstools helfen bei der Vorhersage von Leistung und Leistungsabfall unter verschiedenen Antriebsbedingungen. Die Auswahl und Abstimmung der Zellen verbessert die Einheitlichkeit und Langlebigkeit. Das strukturelle Design optimiert die Verpackung im Hinblick auf Gewicht, Haltbarkeit und Crash-Sicherheit. Darüber hinaus passen adaptive Steuerungsalgorithmen die Leistungsabgabe in Echtzeit an, um die Effizienz zu verbessern und die Lebensdauer der Batterie in verschiedenen Fahrszenarien zu verlängern.
Die Verwendung von ANSYS Fluent ist ein effektives Werkzeug für die Bewertung von thermischen Batteriesystemlösungen; diese Bewertungen können jedoch einige Herausforderungen mit sich bringen. Die Erstellung genauer Modelle erfordert detaillierte Eingabedaten, einschließlich der Materialeigenschaften und des Zellverhaltens unter verschiedenen Bedingungen, die schwer zu beschaffen sein können. Die Validierung von High-Fidelity-Simulationen in Fluent ist rechenintensiv und zeitaufwändig, wenn man die Nutzungszyklen berücksichtigt. Durch den Einsatz von Modellen reduzierter Ordnung in Ansys Digital Twin können thermische Lösungen für Nutzungszyklen in Echtzeit bewertet werden. Dieser Blog behandelt das Linear Time Invariant (LTI) Reduced Order Model (ROM) für ein Batteriemodul.
Methode
Die Einrichtung der thermischen Simulation von Batteriemodulen mit Ansys Fluent und Digital Twin umfasst in dieser Diskussion mehrere Schritte. Zu diesen Schritten gehören Thought Map, Product Map, Fluent Case Setup und Twin Builder Digital Twin Setup.
Gedankenkarte: Eine Gedankenkarte der Blasformeigenschaften wird erstellt, um Ideen, Konzepte oder Informationen strukturiert zu organisieren und darzustellen. Die nachstehende Gedankenkarte zeigt das Ziel der Simulationsstudie und die Fragen, die zur Erreichung dieses Ziels gestellt wurden. Auf jede Frage folgen eine Theorie, eine Maßnahme und eine Vorhersage zur Beantwortung der jeweiligen Frage. Die Ergebnisse werden am Ende jedes Zweiges hinzugefügt, sobald sie generiert wurden.
Produktkarten: Es wird eine Produktkarte des Blasformvorformlings und der Formen erstellt, um die Produktmerkmale aufzulisten und zu kategorisieren. Eine Produktkarte zeigt einige Faktoren an, die den Theorien/Aktionen in der Gedankenkarte entsprechen.
Fluent Training Simulation: Fluent-Modelle werden zu Trainingszwecken gemäß den von der Thought Map erstellten Studien ausgeführt. Zunächst wird eine stationäre Simulation der kalten Strömung durchgeführt, um eine Lösung für die Kühlmittelströmung in der Kühlplatte mit einer Wärmeabgabe von Null und einem Strom von Null zu erzeugen. Dann werden die Strömungsgleichungen deaktiviert und die Energiegleichung wird aktiviert. Die Bilder unten zeigen die Abfolge der Schritte für das Training des LTI-Modells mit Single Input Multiple Output und mit Multiple Input Multiple Output Modellen reduzierter Ordnung im Fluent Batteriemodell.
Das folgende Bild zeigt die Aktivierung des Battery ROM Tool Kits und die Auswahl des LTI-ROM-Typs aus dem Batteriemodell-Panel.
Das folgende Bild zeigt das unterschiedliche Auswahlverfahren für Single-Input Multiple Output (SIMO) und Multiple-Input Multiple Output (MIMO) ROMs bei der Auswahl des Volume Heat. Tipp: Geben Sie den Wattwert an, bevor Sie auf die Schaltflächen „Als Gruppe hinzufügen“ oder „Einzeln hinzufügen“ klicken.
Die Eingaberegisterkarte Strom für Joule-Wärme ist in beiden Fällen aktiviert; und in beiden Fällen werden Zellen verwendet, die einzeln für den Zellzonenmittelwert hinzugefügt wurden, wie unten gezeigt. Nach dem Einstellen des Transienten-Setups werden die Einstellungen angewendet und das Training aktiviert.
Digitale Zwillingssimulation: Die Digital Twin Funktionalität für Linear Time Invariant ROM in Twin Builder wird über Twin Builder > Toolkit > Thermal Model Identification aufgerufen. Die Bilder unten zeigen die Abfolge der Schritte zur Ausführung des LTI-Modells mit dem Single Input Multiple Output Reduced Order Model (links) und dem Multiple Input Multiple Output Reduced Order Model (rechts) im Twin Builder.
Das generierte Modell wird aus der Komponentenbibliothek in das Schaltplanfenster gezogen. Konstante Eingänge für Wärmelast und Strom werden hinzugefügt und mit dem Modell verbunden. Zwischen dem konstanten Stromblock und dem Joule-Wärmeeingang wird eine quadratische Funktion eingefügt, da die Wärmelast eine Funktion des Stroms zum Quadrat ist. Für das SIMO-ROM entspricht eine konstante Wärmelast der Kopflast des Moduls. Für das MIMO-ROM wird eine konstante Wärmelast mit allen Eingängen verbunden und hat einen Wert, der der Wärmelast pro Zelle entspricht.
Die Twin-Builder-Analyse wird durchgeführt, um die Ergebnisse der instationären Temperatur zu ermitteln. Die Simulationsberechnungen werden ausgeführt, um die Ergebnisse zu generieren, wobei der Schwerpunkt auf der Temperatur und der Simulationszeit liegt. Fluent-Läufe wurden parallel mit 10 Prozessoren durchgeführt, wobei eine Zeitschrittgröße verwendet wurde, die der maximalen Zeitschrittgröße entspricht, die für die Digital Twin-Läufe angegeben wurde. Die Daten der Behandlungen werden analysiert, um die theoretischen Fragen zu beantworten und die Vorhersagen zu bestätigen oder zu widerlegen.
Fluent und Digital Twin Simulationsergebnisse
Grafische Analyse der Trainingszeit: Die folgenden Diagramme zeigen den Zeitaufwand für das Training der ROMs in Fluent. Das Training mit mehreren Eingängen und mehreren Ausgängen (MIMO) dauerte mehr als sechsmal länger als das Training mit einem Eingang und mehreren Ausgängen (SIMO), da es 13 Eingänge im Vergleich zu 2 Eingängen gab.
Grafische Analyse der Simulationszeit: Die folgenden Diagramme zeigen die Zeit, die für die Simulation der Nutzung in Fluent und in Digital Twin benötigt wurde. Das erste Szenario hatte eine konstante Wärmelast, während das zweite und dritte Szenario eine instationäre Wärmelast hatten. Die Laufzeiten von Digital Twin betrugen weniger als 4 Sekunden. Die entsprechenden Fluent-Läufe dauerten Stunden.
Grafische Analyse der Simulationstemperatur: Die folgenden Diagramme zeigen den Temperaturvergleich zwischen den Fluent-Läufen und den entsprechenden SIMO- und MIMO-ROMs mit konstanter Wärmebelastung. Es ist sehr schwierig, einen Unterschied in der Temperatur zu erkennen; der Unterschied in der Simulationszeit ist jedoch groß.
Grafische Analyse der Simulationstemperatur: Die folgenden Diagramme zeigen den Temperaturvergleich zwischen den Fluent-Läufen und den entsprechenden Digital Twin-Läufen mit Vorwärts- und Rückwärtszykluslasten. Es ist sehr schwierig, einen Unterschied in der Temperatur zu erkennen; der Unterschied in der Simulationszeit ist jedoch groß.
Grafische Analyse des Einflusses des Batteriestroms: Die nachstehenden Diagramme zeigen den Temperaturvergleich zwischen den beiden Stromstärken bei Vorwärts- und Rückwärtszyklusbelastung. Am Ende der Zyklen ist ein Temperaturunterschied von einem halben Grad zu erkennen. Die Ausführung jedes Durchlaufs dauerte weniger als 4 Sekunden.
Video
Details zur Einrichtung: Das folgende Video zeigt die wichtigsten Punkte der Einrichtung für SIMO und MIMO mit Fluent und Twin Builder.
Vorteile der Ansys-Lösung
ANSYS bietet fortschrittliche Funktionen für die Simulation thermischer Systeme von Batteriemodulen, die zahlreiche Vorteile bieten, darunter eine verbesserte Designoptimierung, eine höhere Zuverlässigkeit und Kosteneinsparungen. Durch die genaue Vorhersage der Leistung von Batteriemodulen pro Nutzungszyklus können Hersteller Produkte entwickeln, die spezifische Anforderungen effizienter erfüllen.
Letztendlich bieten ANSYS Fluent und Digital Twin eine umfassende, virtuelle Umgebung zur Bewertung von Nutzungszyklen und zur Feinabstimmung von Kühlsystemen.
Ansys Fluent und Digital Twin ermöglichen die Bewertung mehrerer Design-/Eingangsfaktoren wie Strom und konstante oder variable Wärmelast. Ein Batterie-Thermotechniker kann in Digital Twin mehrere Designoptionen bewerten, um das thermische Verhalten in Echtzeit zu verstehen. Über Digital Twin und Fluent hinaus bietet ANSYS Werkzeuge wie LS-Dyna, DesignXplorer, OptiSLang und Mechanical für weitere Entwurfsparametrisierung und -bewertung.
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