С каждым годом электромобили занимают все большую часть автомобильного рынка, и, если в ближайшем будущем не появятся альтернативные технологии, в них, как и прежде, будут использоваться литий-ионные батареи высокой емкости.
В таком случае потребуется изготовить сотни миллионов литий-ионных батарей, а это, в свою очередь, вызовет немало технических проблем.
Перед массовым производством «зеленых» автомобилей, необходимо будет решить проблемы, связанные с размером, весом, стоимостью и экологичностью аккумуляторных батарей. То же самое касается срока службы батареи и безопасности, на которые могут существенно повлиять температурные условия.
Регулирование температуры ячеек и аккумуляторных блоков в заданном диапазоне может увеличить количество циклов зарядки аккумулятора, что, в свою очередь, повысит надежность работы устройства. Кроме того, эффективное тепловое решение поможет снизить вероятность катастрофического отказа батареи.
Специалисты компании Electronic Cooling Solutions, Inc. уже много лет применяют компьютерное моделирование для расчета тепловых процессов в аккумуляторных батареях.
Моделирование позволяет инженерам проверить работу устройства в таких ситуациях, как быстрое вождение, холодный запуск и быстрая зарядка, а также прогнозировать снижение емкости батареи с увеличением ее срока эксплуатации.
Мониторинг параметров аккумуляторных батарей
Для работы электромобиля требуется большое количество энергии, поэтому аккумулятор является таким важным и дорогим компонентом – цена батареи нередко составляет до 50% от общей стоимости электромобиля.
Существует два основных типа литий-ионных аккумуляторных ячеек: цилиндрические и призматические. Цилиндрические ячейки имеют небольшие размеры (около 2 см в диаметре и 7 см в высоту) – стандартный аккумуляторный блок может содержать тысячи таких элементов. Обычно ячейки собраны в кластеры, называемые модулями. Несколько модулей образуют аккумуляторный блок.
В отличие от большинства электронных интегральных схем и микрочипов, оптимальный диапазон температур для литий-ионных аккумуляторных батарей довольно узкий и варьируется в зависимости от поставщика, режима зарядки и других факторов. Чтобы обеспечить нормальную работу и избежать необратимых повреждений, средняя температура ячеек и разница температур между ними должны находиться в пределах целевого диапазона.
Специалисты Electronic Cooling Solutions разработали надежную и экономичную систему контроля температуры аккумуляторной батареи, создав цифровой двойник батареи.
Цифровой двойник батареи для электромобиля
Специалисты компании использовали ПО для системного моделирования для обработки информации с датчиков в режиме реального времени и разработки модели цифрового двойника литий-ионных аккумуляторных батарей. Это позволило им провести детальный анализ входных данных и условий эксплуатации, включая начальный уровень заряда, температуру, расход охладителя, а также различные режимы заряда и разряда.
При создании цифрового двойника инженеры использовалась модель эквивалентных схем аккумуляторной ячейки, учитывающая все электрохимические процессы. Затем эта модель применялась для анализа тепловыделения в режиме реального времени.
Метод эквивалентных схем основан на характеристиках импеданса аккумуляторной батареи, то есть ее сопротивления переменному току при различных внешних условиях.
После этого проводилось трехмерное компьютерное моделирование нестационарных тепловых процессов, чтобы построить кривые отклика для аккумуляторной батареи. Затем эти кривые отклика использовались для создания модели пониженного порядка (ROM) батареи.
Связывание ROM-модели и модели эквивалентных схем ячейки позволило получить модель цифрового двойника аккумуляторной батареи, сочетающую точность обычного трехмерного моделирования и скорость одномерного расчета на уровне систем.
Специалисты Electronic Cooling Solutions проверили разработанную модель, сравнив результаты с экспериментальными данными. Впоследствии модель использовали для оценки практической реализации проекта, а также оптимизации и устранения неисправностей конструкции.
