Participe do fórum para Designers!
Sua experiência é vital para a comunidade. Junte-se a nós e contribua com seu conhecimento!
Participe do fórum agoraCompartilhe, aprenda e cresça com os melhores profissionais do setor.
Desafios do projeto térmico do módulo de bateria
O projeto de módulos de bateria para ciclos de uso apresenta vários desafios exclusivos de engenharia térmica.
Os ciclos de uso, como os ciclos de acionamento, envolvem cargas, velocidades e condições ambientais variáveis, exigindo que as baterias ofereçam desempenho consistente sob estresse dinâmico. O gerenciamento do comportamento térmico é fundamental, pois as correntes flutuantes geram calor que pode degradar as células. Os projetistas devem garantir a densidade de energia, a potência e a segurança ideais, ao mesmo tempo em que equilibram as restrições de tamanho, peso e custo. Além disso, as células devem ser cuidadosamente combinadas para evitar desequilíbrios que afetem o desempenho e a vida útil. Prever a degradação a longo prazo em ciclos reais complica ainda mais o projeto. De modo geral, obter durabilidade, eficiência e confiabilidade em diversos cenários de condução exige uma engenharia cuidadosa e estratégias de controle avançadas.
Solução de engenharia
Para enfrentar os desafios do módulo de bateria nos ciclos de acionamento, os engenheiros empregam várias soluções. Os sistemas de gerenciamento térmico, como resfriamento líquido ou materiais de mudança de fase, regulam a temperatura e evitam o superaquecimento. Os sistemas de gerenciamento de baterias (BMS) monitoram a tensão, a corrente e a temperatura para garantir o equilíbrio das células e a operação segura. Ferramentas avançadas de modelagem e simulação ajudam a prever o desempenho e a degradação sob várias condições de acionamento. A seleção e a combinação de células melhoram a uniformidade e a longevidade. O design estrutural otimiza a embalagem para peso, durabilidade e segurança contra colisões. Além disso, os algoritmos de controle adaptativo ajustam o fornecimento de energia em tempo real para aumentar a eficiência e prolongar a vida útil da bateria em diversos cenários de condução.
O uso do ANSYS Fluent é uma ferramenta eficaz para avaliar soluções de sistemas térmicos de baterias; no entanto, essas avaliações podem apresentar vários desafios. A criação de modelos precisos requer dados de entrada detalhados, incluindo propriedades do material e comportamento da célula sob várias condições, que podem ser difíceis de obter. A validação de simulações de alta fidelidade no Fluent é computacionalmente intensiva e consome muito tempo quando se consideram os ciclos de uso. Ao aproveitar os modelos de ordem reduzida no Ansys Digital Twin, as soluções térmicas para ciclos de uso podem ser avaliadas em tempo real. Este blog aborda o Modelo de Ordem Reduzida (ROM) Linear Time Invariant (LTI) para um módulo de bateria.
Método
A configuração da simulação térmica do módulo de bateria com o Ansys Fluent e o Digital Twin nesta discussão envolve várias etapas. Essas etapas incluem o mapa do pensamento, o mapa do produto, a configuração do caso do Fluent e a configuração do Twin Builder Digital Twin.
Mapa de pensamento: Um mapa mental das características de moldagem por sopro é gerado para organizar e representar ideias, conceitos ou informações de forma estruturada. O mapa mental abaixo mostra o objetivo do estudo de simulação e as perguntas feitas para abordar o objetivo. Cada pergunta é seguida por uma teoria, uma ação e uma previsão para responder a cada pergunta. Os resultados também seriam adicionados à parte inferior de cada ramo à medida que fossem gerados.
Mapas de produtos: Um mapa do produto da parison de moldagem por sopro e dos moldes é gerado para listar e categorizar os recursos do produto. Um mapa do produto indica alguns fatores que correspondem a teorias/ações no mapa mental.
Simulação de Treinamento Fluent: Os modelos do Fluent são executados para fins de treinamento de acordo com os estudos produzidos pelo mapa mental. Uma simulação de fluxo frio em estado estacionário é executada primeiro para gerar uma solução para o fluxo de refrigerante da placa fria com liberação de calor de célula zero e corrente de tabulação zero. Em seguida, as equações de fluxo são desativadas e a equação de energia é ativada. As imagens abaixo mostram a sequência de etapas para o treinamento do modelo LTI com Single Input Multiple Output e com Multiple Input Multiple Output Reduced Order Models no Fluent Battery Model.
A imagem a seguir mostra a ativação do Battery ROM Tool Kit e a seleção do tipo de ROM LTI no painel Battery Model.
A imagem a seguir mostra o procedimento de seleção diferente para ROMs de entrada única e saída múltipla (SIMO) e ROMs de entrada múltipla e saída múltipla (MIMO) ao selecionar o Volume Heat. Dica: especifique o valor da potência antes de clicar nos botões “Add as a Group” (Adicionar como um grupo) ou “Add Individually” (Adicionar individualmente).
A guia Input Current for Joule Heat (Entrada de corrente para calor Joule) é ativada em ambos os casos; e ambos os casos usam células adicionadas individualmente para a Cell Zone Average (Média da zona de células), conforme mostrado abaixo. Depois de definir a configuração de transientes, as configurações são aplicadas e o treinamento de execução é ativado.
Simulação de gêmeos digitais: A funcionalidade Digital Twin para ROM linear invariante no tempo no Twin Builder é acessada via Twin Builder > Toolkit > Thermal Model Identification. As imagens abaixo mostram a sequência de etapas para executar o modelo LTI com o modelo de ordem reduzida de entrada única e saída múltipla (esquerda) e o modelo de ordem reduzida de entrada múltipla e saída múltipla (direita) no Twin Builder.
O modelo gerado é arrastado da biblioteca de componentes para a janela do esquema. Entradas constantes para carga térmica e corrente são adicionadas e conectadas ao modelo. Uma função quadrada é adicionada entre o bloco constante de corrente e a entrada de calor joule porque a carga de calor é uma função da corrente ao quadrado. Para o SIMO ROM, uma carga de calor constante corresponde à carga principal do módulo. Para o ROM MIMO, uma carga de calor constante é conectada a todas as entradas e tem um valor igual à carga de calor por célula.
A análise do Twin Builder é realizada para gerar os resultados da temperatura transiente. Os cálculos de simulação são executados para gerar os resultados, com foco na temperatura e no tempo de simulação. As execuções do Fluent foram realizadas em paralelo com 10 processadores e usaram um tamanho de passo de tempo igual ao tamanho máximo de passo de tempo especificado para as execuções do Digital Twin. Os dados dos tratamentos são analisados para responder às perguntas teóricas e confirmar ou contradizer as previsões.
Resultados da simulação do Fluent e do Digital Twin
Análise gráfica do tempo de treinamento: Os gráficos abaixo mostram o tempo gasto no treinamento dos ROMs no Fluent. O treinamento Multiple Input Multiple Outlet (MIMO) levou mais de seis vezes mais tempo do que o treinamento Single Input Multiple Output (SIMO) porque havia 13 entradas em comparação com 2.
Análise gráfica do tempo de simulação: Os gráficos abaixo mostram o tempo gasto na simulação do uso no Fluent e no Digital Twin. O primeiro cenário tinha carga de calor constante, enquanto o segundo e o terceiro cenários tinham cargas de calor transitórias. Os tempos de execução do Digital Twin foram inferiores a 4 segundos. As execuções correspondentes do Fluent levaram horas para serem executadas.
Análise gráfica da temperatura da simulação: Os gráficos abaixo exibem a comparação de temperatura entre as execuções do Fluent e os ROMs SIMO e MIMO correspondentes com carga de calor constante. É muito difícil ver uma diferença na temperatura; no entanto, a diferença de tempo de simulação é grande.
Análise gráfica da temperatura da simulação: Os gráficos abaixo exibem a comparação de temperatura entre as execuções do Fluent e as execuções correspondentes do Digital Twin com cargas de ciclo direto e reverso. É muito difícil ver uma diferença na temperatura; no entanto, a diferença de tempo de simulação é grande.
Análise gráfica da influência da corrente da bateria: Os gráficos abaixo exibem a comparação de temperatura entre os dois níveis de corrente com cargas de ciclo direto e reverso. Uma diferença de meio grau na temperatura pode ser vista no final dos ciclos. Cada ciclo levou menos de 4 segundos para ser executado.
Vídeo
Detalhes da configuração: O vídeo a seguir mostra os destaques da configuração para SIMO e MIMO usando o Fluent e o Twin Builder.
Benefícios da solução Ansys
A ANSYS oferece recursos avançados para a simulação de sistemas térmicos de módulos de bateria que oferecem inúmeros benefícios, incluindo otimização aprimorada do projeto, maior confiabilidade e economia de custos. Ao prever com precisão o desempenho do módulo de bateria por ciclos de uso, os fabricantes podem projetar produtos que atendam a requisitos específicos com mais eficiência.
Em última análise, o ANSYS Fluent e o Digital Twin fornecem um ambiente virtual abrangente para avaliar os ciclos de uso e ajustar os sistemas de resfriamento.
O Ansys Fluent e o Digital Twin permitem a avaliação de vários fatores de projeto/entrada, como corrente e carga térmica constante ou variável. Um engenheiro térmico de bateria pode avaliar várias opções de projeto no Digital Twin para entender o comportamento térmico em tempo real. Além do Digital Twin e do Fluent, a ANSYS oferece ferramentas como LS-Dyna, DesignXplorer, OptiSLang e Mechanical para parametrização e avaliação adicionais do projeto.
Participe do fórum para Designers!
Sua experiência é vital para a comunidade. Junte-se a nós e contribua com seu conhecimento!
Participe do fórum agoraCompartilhe, aprenda e cresça com os melhores profissionais do setor.