خنک کاری باتری به کمک PCM، شبیه سازی با انسیس فلوئنت

خنک کاری باتری (مدیریت حرارتی) به کمک مواد تغییر فاز دهنده (PCM)، شبیه سازی بان انسیس فلوئنت

شرح پروژه (باتری)

هدف از این مسأله، شبیه سازی عددی فرایند خنک کاری باتری با به‌کارگیری مواد تغییر فاز دهنده (PCM) با استفاده از نرم افزار انسیس فلوئنت (ANSYS Fluent) است.

شبیه سازی حاضر در دو مرحله انجام می‌شود. در مرحله اول، فقط یک باتری لیتیومی مدل سازی می‌شود و در مرحله دوم، از دو لایه ماده تغییر فاز دهنده (PCM) در دو طرف باتری استفاده می‌شود.

هدف از این کار، بررسی میزان اثربخشی مواد تغییر فاز دهنده (PCM) در فرآیند خنک‌سازی باتری است.

هندسه مدل را به صورت سه بعدی با استفاده از نرم افزار سالیدورک (Solidworks) طراحی کردیم و سپس به نرم افزار دیزاین مدلر (Design Modeler) فراخوانی کردیم. هندسه این شبیه سازی را در دو مرحله متفاوت با دو ساختار متفاوت ترسیم کردیم.

باتری طراحی شده در مدل‌سازی اولیه، 11.3 میلی‌متر ضخامت دارد و طول و عرض آن، به ترتیب 335 میلی‌متر و 167 میلی‌متر است. در مدل‌سازی دوم، دو لایه به ضخامت 12 میلی‌متر به دو طرف بدنه باتری اضافه می‌کنیم.

سپس مش‌بندی مدل را با استفاده از نرم افزار انسیس مشینگ (ANSYS Meshing) انجام می‌دهیم. مش‌بندی از نوع بدون سازمان (Structured) است. تعداد سلول ایجاد شده برای حالت اول و دوم به ترتیب 93090 و 276660 است.

علاوه براین، با توجه به ماهیت مسأله حاضر، مدل وابسته به زمان است و حلگر گذرا (transient) استفاده شده است.

روش‌های استفاده شده

وقتی که باتری شروع به کار می‌کند، جریان الکتریکی در داخل آن برقرار می‌شود. جریان الکتریکی داخل باتری می‌تواند گرما ایجاد کند و دمای باتری را افزایش بدهد. در این شبیه سازی، یک منبع حرارتی حجمی در ناحیه باتری تعریف می‌کنیم تا میزان تولید گرما در داخل باتری را مشخص کنیم.

گرمای تولید شده در باتری برابر با R*I² است؛ بنابراین R برابر با مقاومت داخلی باتری و I برابر با شدت جریان داخل باتری است. این مدل‌سازی فرض می‌کند که مقاومت داخلی باتری برابر با 10 میلی‌اهم و شدت جریان برابر با 86 آمپر است.

درنتیجه، مقدار گرمای تولید شده در داخل باتری تقریباً برابر با 120000 W/m³ است. در این شبیه سازی، از مدل انجماد و ذوب (Solidification and Melting) برای تعریف مواد تغییر فاز دهنده (PCM) استفاده شده است.

برای تعریف مواد تغییر فاز دهنده (PCM) باید توجه داشت که حداکثر دمایی که در آن دمای فاز جامد غالب است (solidus temperature) معادل 307 کلوین و حداقل دمایی که در آن فاز مایع غالب است (liquidus temperature) معادل 309 کلوین است.

همچنین گرمای ذوب حلال خالص (pure solvent melting heat) 240000 j/kg تعریف شده است. علاوه براین، مدل آرام (laminar) و معادله انرژی (energy equation) برای حل معادلات سیال و محاسبه توزیع دما فعال هستند.

نتایج

در پایان فرآیند حل، کانتورهای (contour) دو بعدی و سه بعدی دما را در هر دو مرحله شبیه سازی به دست می‌آوریم. در پایان شبیه سازی، کانتورهای دما را در هر دو مرحله با هم مقایسه می‌کنیم.

همچنین نمودار میانگین تغییرات دمای باتری را برحسب زمان برای دو حالت با مواد تغییر فاز دهنده (PCM) و بدون مواد تغییر فاز دهنده (PCM) به دست می‌آوریم. این نمودار را در یک ساعت ارائه می‌کنیم.

نتایج نشان می‌دهد که اعمال یک پوشش ماده تغییر فاز دهنده (PCM) برروی بدنه باتری، باتری را خنک می‌کند و نرخ رشد دما را کاهش می‌دهد.

همچنین کانتورهای دو بعدی و سه بعدی مربوط به کسر حجمی مایع (liquid fraction) از ماده تغییر فاز دهنده (PCM) در مرحله دوم شبیه سازی به دست آمده تا تأثیر آن بر انتقال حرارت با بدنه باتری نشان داده شود.