Symulacja modułu akumulatorowego – liniowe, niezmienne w czasie modele zredukowanego rzędu

Join the forum for Designers!

Your expertise is vital to the community. Join us and contribute your knowledge!

Share, learn and grow with the best professionals in the industry.

Wyzwania związane z projektowaniem termicznym modułu baterii

Projektowanie modułów akumulatorowych pod kątem cykli użytkowania wiąże się z kilkoma wyjątkowymi wyzwaniami inżynierii termicznej.

Cykle użytkowania, takie jak cykle napędowe, wiążą się ze zmiennymi obciążeniami, prędkościami i warunkami środowiskowymi, wymagając od akumulatorów zapewnienia stałej wydajności w warunkach dynamicznego obciążenia. Zarządzanie zachowaniem termicznym ma kluczowe znaczenie, ponieważ zmienne prądy generują ciepło, które może powodować degradację ogniw. Projektanci muszą zapewnić optymalną gęstość energii, moc wyjściową i bezpieczeństwo, jednocześnie równoważąc ograniczenia dotyczące rozmiaru, wagi i kosztów. Ponadto ogniwa muszą być starannie dopasowane, aby uniknąć nierównowagi, która wpływa na wydajność i żywotność. Przewidywanie długoterminowej degradacji w warunkach rzeczywistej pracy cyklicznej dodatkowo komplikuje projektowanie. Ogólnie rzecz biorąc, osiągnięcie trwałości, wydajności i niezawodności w różnych scenariuszach jazdy wymaga starannej inżynierii i zaawansowanych strategii sterowania.

Rozwiązanie inżynieryjne

Aby sprostać wyzwaniom związanym z modułami akumulatorowymi w cyklach napędowych, inżynierowie stosują kilka rozwiązań. Systemy zarządzania temperaturą, takie jak chłodzenie cieczą lub materiały zmiennofazowe, regulują temperaturę i zapobiegają przegrzaniu. Systemy zarządzania baterią (BMS) monitorują napięcie, prąd i temperaturę, aby zapewnić równowagę ogniw i bezpieczną pracę. Zaawansowane narzędzia do modelowania i symulacji pomagają przewidzieć wydajność i degradację w różnych warunkach pracy. Wybór i dopasowanie ogniw poprawia jednorodność i żywotność. Projekt strukturalny optymalizuje opakowanie pod kątem wagi, trwałości i bezpieczeństwa kolizji. Dodatkowo, adaptacyjne algorytmy sterowania dostosowują dostarczanie mocy w czasie rzeczywistym, aby zwiększyć wydajność i wydłużyć żywotność akumulatora w różnych scenariuszach jazdy.

Korzystanie z ANSYS Fluent jest skutecznym narzędziem do oceny rozwiązań systemów termicznych akumulatorów; jednak oceny te mogą stanowić kilka wyzwań. Tworzenie dokładnych modeli wymaga szczegółowych danych wejściowych, w tym właściwości materiałów i zachowania ogniw w różnych warunkach, co może być trudne do uzyskania. Weryfikacja symulacji o wysokiej wierności w programie Fluent jest intensywna obliczeniowo i czasochłonna, biorąc pod uwagę cykle użytkowania. Wykorzystując modele zredukowanego rzędu w Ansys Digital Twin, rozwiązania termiczne dla cykli użytkowania można oceniać w czasie rzeczywistym. Ten blog dotyczy liniowego niezmiennika czasowego (LTI) modelu zredukowanego rzędu (ROM) dla modułu baterii.

Metoda

Konfiguracja symulacji termicznej modułu baterii za pomocą Ansys Fluent i Digital Twin w tym omówieniu obejmuje kilka kroków. Kroki te obejmują mapę myśli, mapę produktu, konfigurację obudowy Fluent i konfigurację Twin Builder Digital Twin.

Mapa myśli: Mapa myśli dotycząca charakterystyki formowania z rozdmuchiwaniem jest generowana w celu uporządkowania i przedstawienia pomysłów, koncepcji lub informacji w ustrukturyzowany sposób. Poniższa mapa myśli przedstawia cel badania symulacyjnego i pytania zadane w celu osiągnięcia tego celu. Po każdym pytaniu następuje teoria, działanie i przewidywania dotyczące każdego pytania. Wyniki będą również dodawane na dole każdej gałęzi w miarę ich generowania.

Mapy produktów: Generowana jest mapa produktu dla parisonu rozdmuchowego i form w celu wyszczególnienia i kategoryzacji cech produktu. Mapa produktu wskazuje pewne czynniki, które odpowiadają teoriom/działaniom na mapie myśli.

Fluent Training Simulation: Modele Fluent są wykonywane do celów szkoleniowych zgodnie z badaniami opracowanymi przez mapę myśli. Najpierw przeprowadzana jest symulacja przepływu zimnego w stanie ustalonym, aby wygenerować rozwiązanie dla przepływu chłodziwa z zimną płytą przy zerowym uwalnianiu ciepła z ogniwa i zerowym prądzie zakładki. Następnie równania przepływu są dezaktywowane, a równanie energii jest aktywowane. Poniższe ilustracje przedstawiają sekwencję kroków szkolenia modelu LTI z pojedynczym wejściem i wieloma wyjściami oraz z modelami zredukowanego rzędu z wieloma wejściami i wieloma wyjściami w modelu Fluent Battery.

Poniższy obraz przedstawia aktywację Battery ROM Tool Kit i wybór typu LTI ROM z panelu Battery Model.

Poniższy obraz przedstawia inną procedurę wyboru dla pamięci ROM z pojedynczym wejściem i wieloma wyjściami (SIMO) w porównaniu do pamięci ROM z wieloma wejściami i wieloma wyjściami (MIMO) podczas wybierania Volume Heat. Wskazówka: Określ wartość mocy przed kliknięciem przycisku „Dodaj jako grupę” lub „Dodaj pojedynczo”.

W obu przypadkach aktywowana jest karta wejściowa Prąd dla ciepła Joule’a; i w obu przypadkach używane są komórki dodane indywidualnie dla średniej strefy komórek, jak pokazano poniżej. Po skonfigurowaniu ustawień przejściowych ustawienia są stosowane i aktywowany jest trening pracy.

Digital Twin Simulation: Dostęp do funkcji Digital Twin dla liniowego niezmiennika czasowego ROM w Twin Builder można uzyskać poprzez Twin Builder > Toolkit > Thermal Model Identification. Poniższe obrazy przedstawiają sekwencję kroków do wykonania modelu LTI z modelem o zredukowanej kolejności z jednym wejściem i wieloma wyjściami (po lewej) i modelem o zredukowanej kolejności z wieloma wejściami i wieloma wyjściami (po prawej) w Twin Builder.

Wygenerowany model jest przeciągany z biblioteki komponentów do okna schematu. Stałe wejścia dla obciążenia cieplnego i prądu są dodawane i podłączane do modelu. Funkcja kwadratu jest dodawana między blokiem stałej prądu a wejściem ciepła dżula, ponieważ obciążenie cieplne jest funkcją kwadratu prądu. Dla SIMO ROM stałe obciążenie cieplne odpowiada obciążeniu głowicy modułu. W przypadku MIMO ROM stałe obciążenie cieplne jest podłączone do wszystkich wejść i ma wartość równą obciążeniu cieplnemu na komórkę.

Analiza Twin Builder jest wykonywana w celu wygenerowania wyników temperatury przejściowej. Obliczenia symulacyjne są wykonywane w celu wygenerowania wyników, koncentrując się na temperaturze i czasie symulacji. Symulacje Fluent przeprowadzono równolegle na 10 procesorach, z krokiem czasowym równym maksymalnemu krokowi czasowemu określonemu dla symulacji Digital Twin. Dane są analizowane w celu udzielenia odpowiedzi na pytania teoretyczne i potwierdzenia lub zaprzeczenia przewidywaniom.

Wyniki symulacji Fluent i Digital Twin

Graficzna analiza czasu szkolenia: Poniższe wykresy przedstawiają czas poświęcony na szkolenie ROM-ów w Fluent. Szkolenie Multiple Input Multiple Outlet (MIMO) trwało ponad sześć razy dłużej niż szkolenie Single Input Multiple Output (SIMO), ponieważ było 13 wejść w porównaniu do 2.

Graficzna analiza czasu symulacji: Poniższe wykresy przedstawiają czas poświęcony na symulację użytkowania w programach Fluent i Digital Twin. Pierwszy scenariusz miał stałe obciążenie cieplne, podczas gdy drugi i trzeci scenariusz miały przejściowe obciążenia cieplne. Czasy uruchomienia Digital Twin były krótsze niż 4 sekundy. Odpowiednie przebiegi w programie Fluent trwały kilka godzin.

Graficzna analiza temperatury symulacji: Poniższe wykresy przedstawiają porównanie temperatur między przebiegami Fluent i odpowiadającymi im SIMO i MIMO ROM przy stałym obciążeniu cieplnym. Bardzo trudno jest dostrzec różnicę w temperaturze, jednak różnica w czasie symulacji jest duża.

Graficzna analiza temperatury symulacji: Poniższe wykresy przedstawiają porównanie temperatur między symulacjami Fluent i odpowiadającymi im symulacjami Digital Twin z obciążeniami w cyklu do przodu i do tyłu. Bardzo trudno jest dostrzec różnicę w temperaturze, jednak różnica w czasie symulacji jest duża.

Graficzna analiza wpływu prądu akumulatora: Poniższe wykresy przedstawiają porównanie temperatury między dwoma poziomami prądu przy obciążeniu w cyklu do przodu i do tyłu. Pod koniec cykli można zaobserwować półstopniową różnicę temperatur. Każdy cykl trwał mniej niż 4 sekundy.

Wideo

Szczegóły konfiguracji: Poniższy film przedstawia najważniejsze kroki konfiguracji zarówno SIMO, jak i MIMO przy użyciu Fluent i Twin Builder.

Korzyści z rozwiązania Ansys

ANSYS oferuje zaawansowane możliwości symulacji systemów termicznych modułów akumulatorowych, które oferują liczne korzyści, w tym lepszą optymalizację projektu, zwiększoną niezawodność i oszczędność kosztów. Dzięki dokładnemu przewidywaniu wydajności modułu baterii w poszczególnych cyklach użytkowania, producenci mogą projektować produkty, które spełniają określone wymagania w bardziej efektywny sposób.

ANSYS Fluent i Digital Twin zapewniają kompleksowe, wirtualne środowisko do oceny cykli użytkowania i dostrajania systemów chłodzenia.

Ansys Fluent i Digital Twin umożliwiają ocenę wielu czynników projektowych/wejściowych, takich jak prąd i stałe lub zmienne obciążenie cieplne. Inżynier zajmujący się termiką akumulatorów może ocenić wiele opcji projektowych w Digital Twin, aby zrozumieć zachowanie termiczne w czasie rzeczywistym. Oprócz Digital Twin i Fluent, ANSYS zapewnia narzędzia takie jak LS-Dyna, DesignXplorer, OptiSLang i Mechanical do dalszej parametryzacji i oceny projektu.

Join the forum for Designers!

Your expertise is vital to the community. Join us and contribute your knowledge!

Share, learn and grow with the best professionals in the industry.