باتری

مقدمه

مدل باتری ANSYS Fluent به عنوان یک ماژول اضافه شونده به نرم‌افزار استاندارد ANSYS Fluent ارائه شده ‌است.

این ماژول در کنسول با دستور defined models addon-module در دسترس است.

ماژول های ۷ و ۸ مربوط به شبیه‌سازی باتری هستند و این سند نظریه مدل را توصیف می‌کند که شامل معادلات ریاضی و تفاسیر فیزیکی متغیرهای مستقل و وابسته به کار رفته در مدل‌ها است. ​

هنگامی که مدل باتری را فعال کنید، معادله انرژی به طور خودکار برای حل میدان دما فعال خواهد شد. ​

با توجه به نقش مهم باتری در خودروهای الکتریکی و / یا هیبریدی، چندین مدل برای شبیه‌سازی رفتار گذرای باتری قابل شارژ پیشنهاد شده‌است. این مدل‌ها با پیچیدگی از یک مقاومت – خازن با ابعاد صفر تا یک توزیع جریان پتانسیل چند بعدی تغییر می‌کنند. مدل کلی موجود در نرم‌افزار به عنوان مدل MSMD (‏Multi-Scale Multi physics Battery)‏ شناخته می‌شود.​

دامنه محاسباتی تنها شامل الکترودهای آند و کاتد و کلکتورهای جریان آن‌ها است. لایه جداکننده به صورت یک سطح مشترک بسیار نازک بین دو الکترود مدل‌سازی شده‌است که در آن یک پرش بالقوه ناشی از اتلاف وجود دارد. هندسه باتری شامل یک سلول و زبانه‌های مثبت و منفی سلول شامل یک ناحیه فعال است و زبانه‌ها به عنوان ناحیه غیرفعال هستند. واکنش‌های الکتروشیمیایی تنها در مناطق فعالی که میدان پتانسیل در مناطق فعال و غیرفعال حل می‌شود، جمع می‌شوند. ​

تب مدل

مدل باتری شامل زبانه‌های مختلف است. اولین زبانه در گزینه‌های مدل است. در بخش روش حل، ۴ روش برای انتخاب در دسترس است. ​

​​​​​CHT coupling : روش انتقال حرارت مزدوج خالص برای شبیه‌سازی حالت پایدار یا تولید گرمای گذرا شناخته شده‌است یا توسط روش‌های دیگر به دست آمده‌است. هدف از این شبیه‌سازی پیش‌بینی میدان دمایی ماژول است. ​

این ساده‌ترین روش در ترموکوپل الکتریکی است.

. MSMD: Multi-Scale Multi physics Battery

FMU-CHT coupling: واحد جفت شده ساختگی کارکردی برای کاربرانی که از مدل‌های الکتروشیمیایی ECM های مختلف در مولفه شخص ثالث استفاده کرده‌اند، مناسب است. این روش در نرم‌افزار ANSYS Fluent مورد استفاده قرار می‌گیرد، و با وارد کردن FMU به صورت روان می‌توان به شبیه‌سازی مشترک دست یافت. ​

. Circuit Network:

کاربر می‌خواهد از مدل الکتروشیمیایی برای محاسبه منبع حرارتی باتری مانند مدل ECM استفاده کند. در این نوع محاسبات همراه، منبع حرارتی سلول به طور یکنواخت توزیع شده‌است و می‌تواند از مدل الکتروشیمیایی فرعی به دست آید. و معمولا گذرا است. ​

 مدل های E-Chemistry

 

مدل‌های متعددی برای مطالعه رفتار حرارتی تحت شرایط تخلیه و بار وجود دارد. این دو مدل نظری از الکترودهای متخلخل و شرایط بار متمرکز استفاده می‌کنند. با این حال، این روش برای صنعت عملیات حرارتی ایده‌آل نیست. دیگری استفاده از پارامترهای تجربی برای پیش‌بینی تکامل دما است. رویکرد دوم در حال حاضر به عنوان بهترین جهت تحقیق در نظر گرفته می‌شود. دو مدلی که به طور گسترده در نرم‌افزار تجاری استفاده می‌شوند مدل نیمه تجربی معادل (‏ECM) ‏و مدل نیومن، تیدمان، گو، و کین (‏NTGK) ‏هستند. ​

مدل NTGK با یک منحنی متناسب با داده‌های تجربی تنظیم شده‌است. این مدل برای بدست آوردن گرمای کل از یک واکنش الکتروشیمیایی و پیش‌بینی توزیع دمای سلول باتری استفاده می‌شود. ​

مدل p۲D نیومن مدل به اصطلاح شبه دو بعدی توسعه‌یافته توسط گروه نیومن احتمالا پرمصرف‌ترین مدل باتری لیتیوم – یونی از این نوع است. این مدل از یک مدل یک بعدی در مقیاس کلان تشکیل شده‌است که تکامل غلظت لیتیوم و پتانسیل الکتریکی در الکترولیت را در میان مدل‌های آند، جداکننده، کاتد و میکرو مقیاس برای الکترودها توصیف می‌کند. ​

بعد شبه دوم از این مدل‌های مقیاس میکرو یک بعدی جفت شده ناشی می‌شود که انتشار فاز جامد لیتیوم در ماده فعال متخلخل الکترودها را توصیف می‌کند. این مدل‌های مقیاس کوچک، پخش لیتیوم که در یک ذره کروی در هر موقعیت محلی مدل الکترود متخلخل مقیاس بزرگ رخ می‌دهد را حل می‌کنند. ​

گزینه‌های منبع انرژی

. Enable joule heat passive/active source: در معادله انرژی گرمایی منبع گرمای ژول را در نظر بگیرید

. Enable E-chem heat source: برای شامل کردن منبع حرارتی ناشی از الکتروشیمی در معادله انرژی گرمایی.

کنترل‌های حل

برای کنترل‌های ‌حل، می‌توانید جریان را تحت relaxation factor قرار دهید. ​

در حالت داشتن یک سلول خوشه برای ساده‌سازی، گزینه سلول خوشه در دسترس است و تعداد خوشه‌ها را می توان در جهت آن‌ها اضافه کرد. ​

نکته: این زبانه تنها با روش MSMD در دسترس است.

پارامترهای الکتریکی

شما می‌توانید ظرفیت اسمی (‏ظرفیت سلول باتری)‏ را برای پارامترهای الکتریکی تنظیم کنید. اگر طول عمر را انتخاب کنید، می‌توانید مقدار اسمی DoD (‏عمق تخلیه)‏ را مشخص کنید. برای گزینه‌های حل، اگر انتخاب کنید

. Specified C-Rate, نرخ – C واحد مورد استفاده متخصصان باتری برای اندازه‌گیری سرعتی است که در آن یک باتری به طور کامل شارژ یا دشارژ می‌شود. به عنوان مثال، شارژ در نرخ C ۱ C به این معنی است که باتری از ۰۱۰۰ % در یک ساعت شارژ شده‌است. نرخ C بالاتر از ۱ C به معنی شارژ سریع‌تر است. برای مثال، یک نرخ ۳ C سه برابر سریع‌تر است، بنابراین یک شارژ کامل در ۲۰ دقیقه. به همین ترتیب، یک C – rate پایین‌تر به معنی یک شارژ آهسته‌تر است: C / ۵ (‏یا ۰.۲ C)‏پنج برابر کندتر از ۱ C خواهد بود، که به یک شارژ پنج ساعته می‌رسد. شما می‌توانید مقدار نرخ شارژ C را تنظیم کنید (‏نرخ ساعتی که در آن یک باتری دشارژ می‌شود)‏. در این حالت، جریان کل در زبانه‌های کاتد به عنوان محصول نرخ C و ظرفیت نامی ثابت می‌شود، در حالی که پتانسیل الکتریکی در زبانه‌های آند در صفر نگه‌داشته می‌شود. ​

. Specified system current, می‌توانید مقداری را برای کل جریان (‏اعمال‌شده به زبانه‌های آند)‏تنظیم کنید. در این حالت، پتانسیل الکتریکی در زبانه‌های آند به صفر تنظیم می‌شود.

. specified system voltage. شما می‌توانید مقداری را برای ولتاژ سیستم تنظیم کنید (‏که به زبانه کاتد اعمال می‌شود، زبانه آند دارای ولتاژ ۰ ولت است)‏. ​

. specified system resistance, شما می‌توانید مقدار مقاومت سیستم (‏اعمال‌شده به زبانه آند)‏را تنظیم کنید.

. Set in the boundary condition, می‌توانید شرایط مرزی را به طور مستقیم تنظیم کنید.

تب ناحیه انتقالی

برای این مورد تک سلولی، هیچ ناحیه بوبار وجود ندارد. واکنش‌های الکتروشیمیایی تنها در منطقه فعال رخ می‌دهند. زبانه‌ها معمولا به صورت نواحی غیرفعال مدل می‌شوند که در آن میدان پتانسیل نیز حل می‌شود. ​

تماس­های الکتریکی

تحت زبانه اتصالات الکتریکی، سطح تماس و تنظیمات رابط خارجی را پیکربندی کنید. شرط مرزی جریان یا ولتاژ مربوطه به طور خودکار به آن مرزها اعمال خواهد شد. تحت زبانه اتصالات الکتریکی، شما می‌توانید مقاومت تماس اضافی را برای هر منطقه تعریف کنید.

تب پارامترهای مدل

شکل ۱ MSMD با پارامترهای ECM

برای مدل مدار الکتریکی، می‌توانید ضرایب تابع مقاومت، خازن و ولتاژ مدار باز (‏Voc) ‏را مشخص کنید. اگر می‌خواهید توابع مدل ECM را به شکل چند جمله‌ای مشخص کنید، با استفاده از چند جمله‌ای و پارامترهای ورودی، به علاوه، می‌توانید با استفاده از ضرایب مختلف برای گزینه شارژ و دشارژ، ضرایب پارامترهای شارژ را مشخص کنید. ​

همچنین می‌توانید مقادیر را برای حالت اولیه شارژ و ظرفیت مرجع تنظیم کنید. مقدار پیش‌فرض ۱ برای حالت اولیه شارژ، حالت شارژ کامل سلول باتری را نشان می‌دهد. ​

مقادیر ضریب برای مدل الکتریکی مدار ویژه باتری بوده و باید قبل از انجام شبیه‌سازی مشخص شوند. مقادیر پیش‌فرض از چن گرفته شده‌اند. اگر شما یک باتری با طراحی متفاوت را مدل می‌کنید، باید مجموعه متفاوتی از پارامترهای باتری را مشخص کنید. ​

 

شکل ۲ MSMD با پارامترهای NTGK

 

برای مدل NTGK می‌توانید ضرایب U، ضریب Y، و تصحیح دما را مشخص کنید. مقادیر ضریب برای پارامترهای قطبش مدل NTGK مبتنی بر منحنی‌های تست پلاریزاسیون سلول باتری هستند. به دست آوردن مقادیر ضریب (‏به غیر از مقادیر پیش‌فرض)‏می‌تواند به پیکربندی باتری و ویژگی‌های مواد آن بستگی داشته باشد. مقادیر پیش‌فرض از مقاله کیم گرفته شده‌اند. اگر شما یک باتری با طراحی متفاوت را مدل می‌کنید، باید مجموعه متفاوتی از پارامترهای باتری را فراهم کنید. ​

 

شکل ۳ MSMD با پارامترهای P2D

 

توضیحات کامل و جامع تمام ورودی‌ها در مستندات نرم‌افزار در دسترس است.

پردازشگران سیال و سازه مهر، کارشناس در زمینه شبیه‌سازی باتری

با چندین سال تجربه در شبیه‌سازی مشکلات مختلف در زمینه‌های مختلف CFD با استفاده از نرم‌افزار ANSYS Fluent، شرکت پردازشگران سیال و سازه مهر آماده ارائه خدمات مدل‌سازی، مش بندی و شبیه‌سازی گسترده است. سرویس‌های شبیه‌سازی ما برای شبیه‌سازی‌های مهندسی باتری به صورت زیر دسته‌بندی شده‌اند:

• شبیه‌سازی و تحلیل باتری‌ها با روش‌های مختلف مانند MSMD، NTGK و غیره.
•  شبیه‌سازی CFD حرارتی باتری‌ها در حالت نانو سیال. ​
• خنک کردن باتری‌ها با وجود مواد PCM. ​
• …

شما میتوانید محصولات مرتبط با مقوله شبیه‌سازی باتری را در فروشگاه آموزشی پیدا کنید. ​

خدمات ما به موضوعات ذکر شده محدود نمی‌شود، و پردازشگران سیال و سازه مهر آماده انجام پروژه‌های مختلف و چالش برانگیز در زمینه مدل‌سازی مهندسی باتری است که توسط مشتریان ما سفارش داده شده‌است. ما حتی انجام شبیه‌سازی CFD برای هر طرح انتزاعی یا مفهومی که در ذهن خود دارید را قبول می‌کنیم تا آن‌ها را به واقعیت تبدیل کنیم و حتی به شما کمک کنیم تا به بهترین طراحی برای آنچه که ممکن است تصور کرده باشید برسید.

شما می‌توانید به صورت رایگان از مشاوره متخصص پردازشگران سیال و سازه مهر بهره‌مند شوید و سپس سفارش دهید که پروژه شما شبیه‌سازی و آموزش داده شود. ​

شما با برون سپاری پروژه خود به پردازشگران سیال و سازه مهر به عنوان یک فریلنسر مستقل شبیه‌سازی CFD، نه تنها فایل‌های منبع پروژه مربوطه را دریافت خواهید کرد (‏هندسه، مش، داده های حل، …)‏، بلکه یک ویدئوی آموزشی جامع ارائه خواهد شد که نشان می‌دهد چگونه می‌توانید هندسه، مش، و تنظیمات مورد نیاز (‏پیش‌پردازش، پردازش و پس پردازش) ‏را در نرم‌افزار ANSYS Fluent خودتان ایجاد کرده و تعریف کنید. علاوه بر این، پشتیبانی پس از فنی برای روشن‌شدن مسائل و ابهامات موجود است. ​