Sfide di progettazione termica delle celle della batteria
Una delle sfide principali nella gestione termica delle batterie è garantire che le temperature siano al di sotto dei limiti massimi di funzionamento. Temperature più elevate possono portare a una riduzione dell’efficienza, a un invecchiamento accelerato e a potenziali rischi per la sicurezza. Gli ingegneri devono conoscere il calore generato da una batteria per progettare adeguatamente i sistemi di raffreddamento.
La comprensione e la previsione del comportamento termico dei moduli della batteria richiede l’integrazione della reiezione del calore di una batteria con le proprietà elettrico-meccaniche della cella della batteria. Collegando le proprietà elettriche di una cella della batteria, si possono ottenere migliori tassi di reiezione del calore della batteria per la progettazione del sistema di raffreddamento.
Soluzione ingegneristica
La simulazione del comportamento termico della batteria può essere migliorata attraverso i dati di test fisici delle celle della batteria. Un tipo di test sulle batterie si chiama Hybrid Pulse Power Characterization (HPPC). Questo test può consentire di calcolare la resistenza interna della batteria. Di seguito è riportato un esempio di un impulso da un set di dati HPPC. L’inresistenza interna di una cella della batteria è proporzionale alla caduta di tensione divisa per la corrente. Twin Builder genera i valori di resistenza da un intero set di dati HPPC, che può includere più livelli di temperatura e di stato di carica (SOC). Questa resistenza viene utilizzata insieme alla corrente e alla tensione del circuito per prevedere la potenza di perdita di calore della cella.
Il software Ansys Twin Builder offre strumenti per simulare e analizzare il comportamento termico di celle e moduli di batterie. Con le sue funzionalità di Battery Wizard, Twin Builder consente agli ingegneri di modellare interazioni termiche complesse e di valutare diversi comportamenti di scarica della batteria. Twin Builder è in grado di utilizzare i dati HPPC per generare rapidamente i valori di reiezione termica.
Utilizzando Twin Builder, gli ingegneri possono condurre studi parametrici per esplorare varie configurazioni di progetto. Ciò consente di identificare le soluzioni che garantiscono una distribuzione uniforme della temperatura e una dissipazione efficiente del calore, migliorando in ultima analisi le prestazioni e la sicurezza della batteria.
Per affrontare le sfide della gestione termica, gli ingegneri possono valutare diversi input utilizzando il software Ansys. Questi input possono includere diverse capacità delle celle, C-Rate e dati HPPC. Le funzionalità di simulazione di Twin Builder consentono di valutare questi diversi input.
Metodo
L’impostazione delle simulazioni di batterie con Ansys Twin Builder in questa discussione prevede diverse fasi. Queste fasi comprendono la mappa dei pensieri, la mappa dei prodotti e l’impostazione del caso Twin Builder.
Mappa concettuale: Una mappa concettuale della cella della batteria viene generata per organizzare e rappresentare idee, concetti o informazioni in modo strutturato. La mappa concettuale qui sotto mostra l’obiettivo dello studio di simulazione e le domande poste per affrontare l’obiettivo. Ogni domanda è seguita da una teoria, un’azione e una previsione per rispondere a ciascuna domanda. I risultati verrebbero aggiunti alla fine di ogni ramo, man mano che vengono generati.
Mappe dei prodotti: Viene generata una mappa del prodotto della cella della batteria nel circuito per elencare e categorizzare le caratteristiche del prodotto. Una mappa del prodotto indica i fattori che corrispondono alle teorie/azioni nella mappa del pensiero.
La mappa sottostante mostra un esempio di file di dati HPPC della batteria e un circuito Twin Builder. Gli elementi di testo in rosso sono fattori variabili o costanti.
La mappa sottostante mostra un esempio di set di dati HPPC della batteria e gli impulsi di tensione manipolati per lo studio. Le voci di testo in rosso sono fattori variabili.
Simulazione Twin Builder: I modelli Twin Builder vengono generati in base agli studi prodotti dalla mappa del pensiero. In questo caso si utilizza un DOE fattoriale frazionario a 7 fattori, a 2 livelli, che dà luogo a 8 trattamenti Twin Builder unici. Le immagini che seguono mostrano la sequenza dei passaggi per il popolamento degli input per il modello di batteria. La prima immagine è dello Strumento di configurazione delle celle all’interno della procedura guidata per le batterie, mentre la seconda è della cella risultante in un circuito.
La sorgente di corrente utilizza un profilo trapezoidale con un’ampiezza di 10 ampere per una durata di 10 secondi dopo un ritardo iniziale di 20 secondi.
I calcoli di simulazione vengono eseguiti per generare i risultati, concentrandosi sulla perdita di calore della cella della batteria, sulla tensione e sulla corrente. I dati di trattamento della perdita di calore vengono analizzati per rispondere alle domande teoriche e confermare o contraddire le previsioni.
Risultati della simulazione della batteria Twin Builder
Analisi grafica: Il grafico sottostante mostra i risultati della perdita di potenza transitoria delle celle della batteria per i trattamenti. Il grafico indica che la profondità della tensione è il fattore più significativo. Quando la caduta di tensione nei dati HPPC è maggiore, la resistenza della batteria è più alta, con conseguente perdita di potenza più elevata. Altri fattori di input causano variazioni minori nella perdita di calore.
I grafici sottostanti mostrano anche che la profondità della tensione HPPC è il fattore più significativo della perdita di potenza della cella. La temperatura di ingresso del circuito, la corrente HPPC e la capacità della batteria Twin Builder sono leggermente significative. Lo spostamento di tensione e l’allungamento del tempo hanno un’influenza trascurabile.
Osservazioni
Profondità della caduta di tensione: Una maggiore profondità di caduta di tensione in un impulso HPPC comporta una maggiore resistenza interna e, quindi, una maggiore perdita di calore.
Temperatura del circuito: La temperatura del circuito influenza leggermente la resistenza, perché le cadute di tensione per gli impulsi a 25C sono maggiori di quelle a 45C. Le cadute di tensione maggiori comportano una resistenza più elevata e una maggiore perdita di calore.
Dati HPPC Corrente: Una corrente più alta specificata nel file HPPC comporta una resistenza minore e, quindi, una minore perdita di calore.
Batteria Wizard Capacità delle celle: La capacità della cella ha avuto un’influenza minore sulla resistenza e, quindi, un’influenza minore sulla perdita di calore.
HPPC SOC: HPPC SOC ha avuto un’influenza minore sulla resistenza e, quindi, un’influenza minore sulla perdita di calore.
Spostamento di tensione: Lo spostamento di tensione ha un’influenza trascurabile sulla resistenza e, quindi, trascurabile sulla perdita di calore.
Allungamento del tempo di tensione: L’allungamento del tempo ha un’influenza trascurabile sulla caduta di tensione dell’impulso e, quindi, trascurabile sulla perdita di calore.
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