Join the forum for Designers!
Your expertise is vital to the community. Join us and contribute your knowledge!
Join the Forum NowShare, learn and grow with the best professionals in the industry.
Batarya Modülü Termal Tasarım Zorlukları
Kullanım döngüleri için batarya modüllerinin tasarlanması, çeşitli benzersiz termal mühendislik zorluklarını beraberinde getirir.
Tahrik döngüleri gibi kullanım döngüleri değişken yükler, hızlar ve çevresel koşullar içerir ve akülerin dinamik stres altında tutarlı performans sunmasını gerektirir. Dalgalanan akımlar hücreleri bozabilecek ısı ürettiğinden termal davranışı yönetmek kritik önem taşır. Tasarımcılar boyut, ağırlık ve maliyet kısıtlamalarını dengelerken optimum enerji yoğunluğu, güç çıkışı ve güvenlik sağlamalıdır. Ayrıca, performansı ve kullanım ömrünü etkileyen dengesizliklerden kaçınmak için hücreler dikkatlice eşleştirilmelidir. Gerçek dünya döngüsü altında uzun vadeli bozulmayı tahmin etmek tasarımı daha da karmaşık hale getirir. Genel olarak, çeşitli sürüş senaryolarında dayanıklılık, verimlilik ve güvenilirlik elde etmek dikkatli mühendislik ve gelişmiş kontrol stratejileri gerektirir.
Mühendislik Çözümü
Tahrik döngülerindeki batarya modülü zorluklarını ele almak için mühendisler çeşitli çözümler kullanmaktadır. Sıvı soğutma veya faz değişim malzemeleri gibi termal yönetim sistemleri sıcaklığı düzenler ve aşırı ısınmayı önler. Batarya yönetim sistemleri (BMS) hücre dengelemesini ve güvenli çalışmayı sağlamak için voltaj, akım ve sıcaklığı izler. Gelişmiş modelleme ve simülasyon araçları, çeşitli tahrik koşulları altında performansı ve bozulmayı tahmin etmeye yardımcı olur. Hücre seçimi ve eşleştirme, homojenliği ve uzun ömürlülüğü artırır. Yapısal tasarım, ağırlık, dayanıklılık ve çarpışma güvenliği için ambalajı optimize eder. Ayrıca, uyarlanabilir kontrol algoritmaları, verimliliği artırmak ve çeşitli sürüş senaryolarında pil ömrünü uzatmak için güç dağıtımını gerçek zamanlı olarak ayarlar.
ANSYS Fluent kullanımı, batarya termal sistem çözümlerini değerlendirmek için etkili bir araçtır; ancak bu değerlendirmeler çeşitli zorluklar ortaya çıkarabilir. Doğru modeller oluşturmak, malzeme özellikleri ve çeşitli koşullar altında hücre davranışı dahil olmak üzere ayrıntılı girdi verileri gerektirir ve bu verileri elde etmek zor olabilir. Fluent’te yüksek doğruluklu simülasyonları doğrulamak, kullanım döngüleri göz önüne alındığında hesaplama açısından yoğun ve zaman alıcıdır. Ansys Digital Twin’deki Azaltılmış Sıra Modellerinden yararlanarak kullanım döngüleri için termal çözümler gerçek zamanlı olarak değerlendirilebilir. Bu blogda bir batarya modülü için Doğrusal Zaman Değişmez (LTI) İndirgenmiş Düzen Modeli (ROM) ele alınmaktadır.
Yöntem
Bu tartışmada Ansys Fluent ve Digital Twin ile batarya modülü termal simülasyonunun kurulması birkaç adım içermektedir. Bu adımlar düşünce haritası, ürün haritası, Fluent vaka kurulumu ve Twin Builder Digital Twin kurulumunu içerir.
Düşünce Haritası: Fikirleri, kavramları veya bilgileri yapılandırılmış bir şekilde düzenlemek ve temsil etmek için şişirme kalıplama özelliklerinin bir düşünce haritası oluşturulur. Aşağıdaki düşünce haritası simülasyon çalışmasının hedefini ve bu hedefi ele almak için sorulan soruları göstermektedir. Her soruyu bir teori, eylem ve her soruyu ele alan bir tahmin takip etmektedir. Sonuçlar üretildikçe her bir dalın altına da eklenecektir.
Ürün Haritaları: Ürün özelliklerini listelemek ve kategorize etmek için şişirme parisonu ve kalıplarının bir ürün haritası oluşturulur. Bir ürün haritası, düşünce haritasındaki teorilere/eylemlere karşılık gelen bazı faktörleri gösterir.
Fluent Eğitim Simülasyonu: Fluent modelleri, düşünce haritası tarafından üretilen çalışmalara göre eğitim amacıyla yürütülür. Sıfır hücre ısı salınımı ve sıfır sekme akımı ile soğuk plaka soğutma sıvısı akışı için bir çözüm üretmek üzere önce bir kararlı durum soğuk akış simülasyonu gerçekleştirilir. Ardından akış denklemleri devre dışı bırakılır ve enerji denklemi etkinleştirilir. Aşağıdaki görseller, LTI modelinin Fluent Battery Modelinde Tek Girişli Çok Çıkışlı ve Çok Girişli Çok Çıkışlı Azaltılmış Düzen Modelleri ile eğitilmesi için adımların sırasını göstermektedir.
Aşağıdaki görüntüde Battery ROM Araç Kitinin etkinleştirilmesi ve Battery Model panelinden LTI ROM tipinin seçilmesi gösterilmektedir.
Aşağıdaki resim, Birim Isısı seçilirken Tek Girişli Çoklu Çıkış (SIMO) ve Çok Girişli Çoklu Çıkış (MIMO) ROM’ları için farklı seçim prosedürünü göstermektedir. İpucu: “Grup Olarak Ekle” veya “Tek Tek Ekle” düğmelerine tıklamadan önce watt Değerini belirtin.
Joule Isısı için Giriş Sekmesi Akımı her iki durumda da etkinleştirilir; ve her iki durumda da aşağıda gösterildiği gibi Hücre Bölgesi Ortalaması için ayrı ayrı eklenen hücreler kullanılır. Geçici Kurulum ayarlandıktan sonra ayarlar Uygulanır ve Çalıştırma Eğitimi etkinleştirilir.
Dijital İkiz Simülasyonu: Twin Builder’da Doğrusal Zamanla Değişmeyen ROM için Digital Twin işlevselliğine Twin Builder > Toolkit > Thermal Model Identification üzerinden erişilir. Aşağıdaki görüntüler, Twin Builder’da LTI modelinin Tek Girişli Çok Çıkışlı Azaltılmış Düzen Modeli (solda) ve Çok Girişli Çok Çıkışlı Azaltılmış Düzen Modeli (sağda) ile yürütülmesine ilişkin adımların sırasını göstermektedir.
Oluşturulan model bileşen kütüphanesinden şematik pencereye sürüklenir. Isı yükü ve akım için sabit girişler eklenir ve modele bağlanır. Isı yükü akımın karesinin bir fonksiyonu olduğu için akım sabit bloğu ile joule ısı girişi arasına bir kare fonksiyonu eklenir. SIMO ROM için sabit bir ısı yükü modülün kafa yüküne karşılık gelir. MIMO ROM için sabit bir ısı yükü tüm girişlere bağlanır ve hücre başına ısı yüküne eşit bir değere sahiptir.
Geçici sıcaklık sonuçlarını oluşturmak için Twin Builder analizi gerçekleştirilir. Simülasyon hesaplamaları, sıcaklık ve simülasyon süresine odaklanarak sonuçları oluşturmak için yürütülür. Fluent çalıştırmaları 10 işlemci ile paralel olarak gerçekleştirilmiş ve Digital Twin çalıştırmaları için belirtilen maksimum zaman adımı boyutuna eşit bir zaman adımı boyutu kullanılmıştır. Tedavi verileri, teori sorularını yanıtlamak ve tahminleri doğrulamak veya çelişmek için analiz edilir.
Fluent ve Dijital İkiz Simülasyon Sonuçları
Eğitim Süresinin Grafiksel Analizi: Aşağıdaki grafikler ROM’ları Fluent’te eğitmek için harcanan zamanı göstermektedir. Çoklu Giriş Çoklu Çıkış eğitimi (MIMO), Tek Giriş Çoklu Çıkış (SIMO) eğitiminden altı kat daha uzun sürmüştür çünkü 2 girişe kıyasla 13 giriş vardır.
Simülasyon Süresinin Grafiksel Analizi: Aşağıdaki grafikler Fluent ve Digital Twin’de kullanım simülasyonu için harcanan zamanı göstermektedir. İlk senaryo sabit ısı yüküne sahipken, ikinci ve üçüncü senaryolar geçici ısı yüklerine sahiptir. Digital Twin çalışma süreleri 4 saniyeden azdı. İlgili Fluent çalıştırmalarının çalışması saatler sürdü.
Simülasyon Sıcaklığının Grafiksel Analizi: Aşağıdaki grafikler Fluent çalıştırmaları ile sabit ısı yüküne sahip ilgili SIMO ve MIMO ROM’ları arasındaki sıcaklık karşılaştırmasını göstermektedir. Sıcaklıkta bir fark görmek çok zordur; ancak simülasyon süresi farkı büyüktür.
Simülasyon Sıcaklığının Grafiksel Analizi: Aşağıdaki grafikler, Fluent çalıştırmaları ile ileri ve geri çevrim yükleriyle karşılık gelen Digital Twin çalıştırmaları arasındaki sıcaklık karşılaştırmasını göstermektedir. Sıcaklıkta bir fark görmek çok zordur; ancak simülasyon süresi farkı büyüktür.
Akü Akımı Etkisinin Grafiksel Analizi: Aşağıdaki grafikler, ileri ve geri çevrim yükleri ile iki akım seviyesi arasındaki sıcaklık karşılaştırmasını göstermektedir. Döngülerin sonunda sıcaklıkta yarım derecelik bir fark görülebilir. Her bir çalıştırmanın gerçekleştirilmesi 4 saniyeden az sürdü.
Video
Kurulum Detayları: Aşağıdaki video, Fluent ve Twin Builder kullanarak hem SIMO hem de MIMO için kurulumun önemli noktalarını anlatıyor.
Ansys Çözümünün Faydaları
ANSYS, batarya modülü termal sistemlerini simüle etmek için gelişmiş tasarım optimizasyonu, gelişmiş güvenilirlik ve maliyet tasarrufu dahil olmak üzere çok sayıda fayda sağlayan gelişmiş yetenekler sunar. Üreticiler, kullanım döngüleri başına batarya modülü performansını doğru bir şekilde tahmin ederek, belirli gereksinimleri daha verimli bir şekilde karşılayan ürünler tasarlayabilirler.
Sonuç olarak ANSYS Fluent ve Digital Twin, kullanım döngülerini değerlendirmek ve soğutma sistemlerine ince ayar yapmak için kapsamlı, sanal bir ortam sağlar.
Ansys Fluent ve Digital Twin, akım ve sabit veya değişken ısı yükü gibi çoklu tasarım/girdi faktörlerinin değerlendirilmesini sağlar. Bir batarya termal mühendisi, termal davranışı gerçek zamanlı olarak anlamak için Digital Twin’de birden fazla tasarım seçeneğini değerlendirebilir. ANSYS, Digital Twin ve Fluent’in ötesinde, daha fazla tasarım parametrizasyonu ve değerlendirmesi için LS-Dyna, DesignXplorer, OptiSLang ve Mechanical gibi araçlar sağlar.
Join the forum for Designers!
Your expertise is vital to the community. Join us and contribute your knowledge!
Join the Forum NowShare, learn and grow with the best professionals in the industry.