Simulation de modules de batterie – Modèles linéaires d’ordre réduit invariants dans le temps

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Défis de la conception thermique des modules de batterie

La conception de modules de batterie pour les cycles d’utilisation présente plusieurs défis uniques en matière d’ingénierie thermique.

Les cycles d’utilisation, tels que les cycles d’entraînement, impliquent des charges, des vitesses et des conditions environnementales variables, ce qui exige des batteries qu’elles offrent des performances constantes dans des conditions de stress dynamiques. La gestion du comportement thermique est essentielle, car les courants fluctuants génèrent de la chaleur qui peut dégrader les cellules. Les concepteurs doivent garantir une densité énergétique, une puissance de sortie et une sécurité optimales, tout en tenant compte des contraintes de taille, de poids et de coût. En outre, les cellules doivent être soigneusement appariées pour éviter les déséquilibres qui affectent les performances et la durée de vie. La prédiction de la dégradation à long terme dans des conditions réelles de cyclage complique encore la conception. Dans l’ensemble, la durabilité, l’efficacité et la fiabilité des différents scénarios de conduite exigent une ingénierie minutieuse et des stratégies de contrôle avancées.

Solution d’ingénierie

Pour résoudre les problèmes posés par les modules de batterie dans les cycles d’entraînement, les ingénieurs ont recours à plusieurs solutions. Les systèmes de gestion thermique, tels que le refroidissement par liquide ou les matériaux à changement de phase, régulent la température et évitent la surchauffe. Les systèmes de gestion des batteries (BMS) surveillent la tension, le courant et la température pour assurer l’équilibrage des cellules et un fonctionnement sûr. Des outils de modélisation et de simulation avancés permettent de prévoir les performances et la dégradation dans diverses conditions d’entraînement. La sélection et l’adaptation des cellules améliorent l’uniformité et la longévité. La conception structurelle optimise l’emballage en termes de poids, de durabilité et de sécurité en cas d’accident. En outre, des algorithmes de contrôle adaptatifs ajustent la fourniture de puissance en temps réel pour améliorer l’efficacité et prolonger la durée de vie de la batterie dans divers scénarios de conduite.

L’utilisation d’ANSYS Fluent est un outil efficace pour évaluer les solutions de systèmes thermiques de batteries ; cependant, ces évaluations peuvent présenter plusieurs défis. La création de modèles précis nécessite des données d’entrée détaillées, y compris les propriétés des matériaux et le comportement des cellules dans diverses conditions, qui peuvent être difficiles à obtenir. La validation de simulations de haute fidélité dans Fluent est un processus intensif en termes de calcul et de temps si l’on tient compte des cycles d’utilisation. En exploitant les modèles d’ordre réduit dans Ansys Digital Twin, les solutions thermiques pour les cycles d’utilisation peuvent être évaluées en temps réel. Ce blog traite du modèle d’ordre réduit (ROM) invariant dans le temps linéaire (LTI) pour un module de batterie.

Méthode

La mise en place d’une simulation thermique de module de batterie avec Ansys Fluent et Digital Twin dans cette discussion implique plusieurs étapes. Ces étapes comprennent la carte de pensée, la carte du produit, la configuration du cas Fluent et la configuration de Twin Builder Digital Twin.

Carte de pensée : Une carte conceptuelle des caractéristiques du moulage par soufflage est générée pour organiser et représenter des idées, des concepts ou des informations de manière structurée. La carte de pensée ci-dessous montre l’objectif de l’étude de simulation et les questions posées pour répondre à l’objectif. Chaque question est suivie d’une théorie, d’une action et d’une prédiction pour y répondre. Les résultats sont également ajoutés au bas de chaque branche au fur et à mesure qu’ils sont générés.

Cartes de produits : Une carte de produit de la paraison et des moules de moulage par soufflage est générée pour répertorier et catégoriser les caractéristiques du produit. Une carte de produit indique certains facteurs qui correspondent aux théories/actions de la carte de pensée.

Simulation de formation Fluent : Les modèles Fluent sont exécutés à des fins de formation selon les études produites par la carte de pensée. Une simulation de flux froid en régime permanent est d’abord réalisée pour générer une solution pour le flux de liquide de refroidissement de la plaque froide avec un dégagement de chaleur de la cellule nul et un courant de tabulation nul. Les équations de flux sont ensuite désactivées et l’équation d’énergie est activée. Les images ci-dessous montrent la séquence des étapes pour l’entraînement du modèle LTI avec Single Input Multiple Output et avec Multiple Input Multiple Output Reduced Order Models dans le modèle Fluent Battery.

L’image suivante montre l’activation du Battery ROM Tool Kit et la sélection du type de ROM LTI à partir du panneau Battery Model.

L’image suivante montre la procédure de sélection différente pour les ROM à entrée unique et sortie multiple (SIMO) par rapport aux ROM à entrée multiple et sortie multiple (MIMO) lors de la sélection du Volume Heat. Conseil : spécifiez la valeur en watts avant de cliquer sur les boutons « Add as a Group » (Ajouter en tant que groupe) ou « Add Individually » (Ajouter individuellement).

L’onglet Input Current for Joule Heat est activé dans les deux cas ; et les deux cas utilisent des cellules ajoutées individuellement pour la Cell Zone Average comme indiqué ci-dessous. Après avoir défini la configuration transitoire, les paramètres sont appliqués et l’entraînement à l’exécution est activé.

Digital Twin Simulation : La fonctionnalité Digital Twin pour ROM invariant dans le temps linéaire dans Twin Builder est accessible via Twin Builder &gt ; Toolkit &gt ; Thermal Model Identification. Les images ci-dessous montrent la séquence des étapes pour exécuter le modèle LTI avec le modèle d’ordre réduit à entrée unique et sortie multiple (à gauche) et le modèle d’ordre réduit à entrée multiple et sortie multiple (à droite) dans Twin Builder.

Le modèle généré est glissé de la bibliothèque de composants dans la fenêtre de schéma. Des entrées constantes pour la charge thermique et le courant sont ajoutées et connectées au modèle. Une fonction carrée est ajoutée entre le bloc constant de courant et l’entrée de chaleur joule car la charge thermique est une fonction du courant au carré. Pour la ROM SIMO, une charge thermique constante correspond à la charge de tête du module. Pour la ROM MIMO, une charge thermique constante est connectée à toutes les entrées et a une valeur égale à la charge thermique par cellule.

L’analyse Twin Builder est effectuée pour générer les résultats de la température transitoire. Les calculs de simulation sont exécutés pour générer les résultats, en se concentrant sur la température et le temps de simulation. Les exécutions Fluent ont été réalisées en parallèle avec 10 processeurs et ont utilisé une taille de pas de temps égale à la taille de pas de temps maximale spécifiée pour les exécutions Digital Twin. Les données de traitement sont analysées pour répondre aux questions théoriques et confirmer ou infirmer les prédictions.

Résultats des simulations Fluent et Digital Twin

Analyse graphique du temps de formation : Les graphiques ci-dessous montrent le temps passé à former les ROMs dans Fluent. L’entraînement MIMO (Multiple Input Multiple Outlet) a pris plus de six fois plus de temps que l’entraînement SIMO (Single Input Multiple Output) parce qu’il y avait 13 entrées par rapport à 2.

Analyse graphique du temps de simulation : Les graphiques ci-dessous montrent le temps passé à simuler l’utilisation dans Fluent et dans Digital Twin. Le premier scénario avait une charge thermique constante, tandis que les deuxième et troisième scénarios avaient des charges thermiques transitoires. Les temps d’exécution de Digital Twin étaient inférieurs à 4 secondes. Les exécutions Fluent correspondantes ont pris des heures.

Analyse graphique de la température de simulation : Les graphiques ci-dessous montrent la comparaison de la température entre les exécutions Fluent et les ROM SIMO et MIMO correspondantes avec une charge thermique constante. Il est très difficile de voir une différence de température ; cependant, la différence de temps de simulation est importante.

Analyse graphique de la température de simulation : Les graphiques ci-dessous montrent la comparaison des températures entre les simulations Fluent et les simulations Digital Twin correspondantes avec des charges de cycle avant et arrière. Il est très difficile de voir une différence de température ; cependant, la différence de temps de simulation est importante.

Analyse graphique de l’influence du courant de la batterie : Les graphiques ci-dessous montrent la comparaison de température entre les deux niveaux de courant avec des charges de cycle avant et arrière. Une différence de température d’un demi-degré est visible à la fin des cycles. Chaque cycle a été exécuté en moins de 4 secondes.

Vidéo

Détails de l’installation : La vidéo suivante présente les points forts de la configuration pour SIMO et MIMO en utilisant Fluent et Twin Builder.

Avantages de la solution Ansys

ANSYS offre des capacités avancées pour simuler les systèmes thermiques des modules de batterie qui offrent de nombreux avantages, notamment une meilleure optimisation de la conception, une fiabilité accrue et des économies. En prédisant avec précision les performances des modules de batterie en fonction des cycles d’utilisation, les fabricants peuvent concevoir des produits qui répondent à des exigences spécifiques de manière plus efficace.

En fin de compte, ANSYS Fluent et Digital Twin fournissent un environnement virtuel complet pour évaluer les cycles d’utilisation et pour affiner les systèmes de refroidissement.

Ansys Fluent et Digital Twin permettent d’évaluer de multiples facteurs de conception/d’entrée tels que le courant et la charge thermique constante ou variable. Un ingénieur en thermique de batterie peut évaluer plusieurs options de conception dans Digital Twin pour comprendre le comportement thermique en temps réel. Outre Digital Twin et Fluent, ANSYS propose des outils tels que LS-Dyna, DesignXplorer, OptiSLang et Mechanical pour une paramétrisation et une évaluation plus poussées de la conception.

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