 |
مانیتورینگ چرخه درایو باتری لیتیوم یونی 1 بعدی
معرفی
این نرم افزار نشان می دهد که چگونه یک سلول باتری در معرض چرخه رانندگی خودروهای الکتریکی هیبریدی را می توان با استفاده از رابط باتری لیتیوم-یون در COMSOL بررسی کرد.
در شکل 1 ، نمونه ای از یک وسیله نقلیه الکتریکی با سه جزء حیاتی یک سیستم مدیریت باتری ساده شده نمایش داده شده است. هنگامی که خودرو مطابق با یک چرخه رانندگی خاص کار می کند، دما و ولتاژ باتری تغییر می کند و تحت نظارت قرار می گیرد. این به واحد نظارت، معمولاً با کمک برخی از الگوریتم‌ها، وضعیت شارژ (SOC) باتری را می‌گوید و برای مثال درباره خالی یا پر بودن باتری تصمیم می‌گیرد. در این دو حالت واحد کنترل به ترتیب تخلیه و شارژ را متوقف می کند. نظارت بر دمای بالا نیز می تواند واحد کنترل را فعال کند.
شکل 1: خودروی الکتریکی با اجزای کلیدی در سیستم مدیریت باتری به تصویر کشیده شده است. همانطور که فلوچارت سمت راست نشان می دهد، ولتاژ و دمای باتری نظارت می شود و به عنوان ورودی به واحد کنترل عمل می کند.
کاری که رابط باتری لیتیوم یونی می تواند در اینجا انجام دهد، پیش بینی رفتار باتری یا مقایسه بین ویژگی های محاسبه شده و نظارت شده است. بنابراین شبیه‌سازی‌ها در واقع به عنوان یک مرحله پیش‌نظارت باتری یا ابزاری برای درک بهتر رفتار باتری در طول چرخه عمل می‌کنند. مورد دوم امکان پذیر است، زیرا تنظیم مدل شامل ویژگی های فیزیکی است و بنابراین می تواند برخی از خصوصیات را محاسبه کند که اندازه گیری آنها دشوار است، به عنوان مثال:
• | مقاومت داخلی و پلاریزاسیون در هر قسمت از سلول باتری، |
• | SOC سلولی دقیق تر، و |
• | SOC هر ماده الکترود. |
در همان زمان، تنظیم مدل امکان تغییر بسیاری از پارامترهای طراحی باتری را باز می کند. به عنوان مثال، مواد و ضخامت الکترودها را می توان به راحتی تغییر داد تا تأثیر آن بر عملکرد کلی ارزیابی شود.
در این مثال، امکانات نظارت پیشرفته رابط باتری لیتیوم-یون برجسته شده است.
تعریف مدل
این مدل برای یک سلول باتری گرافیتی/LMO تنظیم شده است. مواد از کتابخانه مواد باتری در دسترس هستند و عمدتا تنظیمات پیش فرض انتخاب شده اند. دامنه های مدل عبارتند از:
• | الکترود متخلخل منفی: گرافیت (MCMB Li x C 6 ) ماده فعال و هادی الکترونیکی. |
• | جداکننده. |
• | الکترود متخلخل مثبت: مواد فعال LMO (LiMn 2 O 4 )، هادی الکترونیکی و پرکننده. |
• | الکترولیت: 1.0 M LiPF 6 در EC:DEC (1:1 وزن). |
این مجموعه سلول باتری، بسته به وضعیت شارژ (SOC) سلول، ولتاژ سلولی حدود 4 ولت می دهد.
رابط باتری لیتیوم یونی شامل موارد زیر است:
• | هدایت الکترونیکی در الکترودها، |
• | انتقال بار یونی در الکترودها و الکترولیت/جداکننده، |
• | انتقال مواد در الکترولیت، امکان معرفی اثرات غلظت بر رسانایی یونی و پتانسیل بیش از حد غلظت، و |
• | حمل و نقل مواد در ذرات کروی که الکترودها را تشکیل می دهند، و |
• | سینتیک الکترود باتلر-ولمر با استفاده از منحنی‌های تخلیه تجربی اندازه‌گیری شده برای پتانسیل تعادل. |
داده های چرخه درایو حاوی C-rate در مقابل زمان وارد شده و به عنوان بار فعلی در مدل استفاده می شود. چرخه رانندگی شامل C-rates تا 20 درجه سانتیگراد است و می تواند مانند یک وسیله نقلیه الکتریکی هیبریدی معمولی باشد. در شکل 2 ، چرخه با محاسبه مجدد C-rate به جریان (1C برابر با 12 A) نمایش داده می شود.
شکل 2: چرخه درایو استفاده شده در مدل.
ولتاژ سلول اولیه با استفاده از ویژگی Initial Cell Charge Distribution روی 3.9 V تنظیم شده است.
پارامترهای باتری بیشتر و تعاریف متغیر اضافی مورد استفاده در اینجا در برنامه Lithium-Ion Battery Seed یافت می شود .
نتایج و بحث
در شکل 3 پتانسیل ولتاژ سلول و الکترود نشان داده شده است. ولتاژ سلول بین 3.6 ولت و 4.25 ولت متغیر است، در حالی که ولتاژ مدار باز به طور قابل توجهی کمتر تغییر می کند. از بین دو الکترود، پتانسیل الکترود مثبت کمی بیشتر از الکترود منفی در طول چرخه تغییر می کند، تقریباً 0.3 ولت. برای طول عمر طولانی و ایمنی بهتر، باتری باید فقط در یک بازه ولتاژ خاص کار کند. از آنجایی که حدود ولتاژ بالا و پایین برای این سلول شیمیایی به ترتیب 4.2 ولت و 3.3 ولت است، به نظر می رسد طراحی باتری این نیاز را برآورده می کند.
شکل 3: ولتاژ سلول و ولتاژ سلول مدار باز، همراه با پتانسیل الکترود در طول چرخه درایو.
پلاریزاسیون نشان دهنده مقاومت داخلی است و به طور معمول، قطبش زیاد باعث کاهش طول عمر باتری و افزایش تولید گرما می شود. قطبش در طول پالس در شکل 4 نشان داده شده است . توجه داشته باشید که هنگامی که بار فعلی بین شارژ و دشارژ جابجا می شود، علامت پلاریزاسیون به سرعت تغییر می کند.
شکل 4: پلاریزاسیون کل در طول چرخه درایو.
SOC در شکل 5 نظارت شده است . این نشان می دهد که سلول و مواد به نظر می رسد به پایان رسیده است. SOC سلول به خوبی در 0-100 ٪، الکترود مثبت در 65-80 ٪ (پنجره SOC 17.5-100 ٪) و الکترود منفی در 14-29 ٪ (پنجره SOC 0-98 ٪) است. این باعث می شود فشار کمتری به باتری وارد شود و پایداری سیستم را بهبود بخشد.
شکل 5: SOC سلول و الکترود در بار در طول چرخه درایو.
با توجه به نتایج، این نوع طراحی باتری برای چرخه درایو مناسب به نظر می رسد.
برای مطالعه بیشتر در مورد پلاریزاسیون و قابلیت نرخ، به قابلیت نرخ باتری لیتیوم-یون و مقاومت داخلی باتری لیتیوم-یون مراجعه کنید .
مسیر کتابخانه برنامه: Battery_Design_Module/Batteries,_Lithium-ion/li_battery_drive_cycle
دستورالعمل های مدل سازی
کتابخانه های کاربردی
1 | از منوی File ، Application Libraries را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره Application Libraries ، Battery Design Module>Batteries، Lithium-Ion>li_battery_seed را در درخت انتخاب کنید . |
3 |  روی Open کلیک کنید . |
در این آموزش، مدل باتری را که به تازگی بارگذاری کرده اید در مقابل یک چرخه درایو مشخص اجرا می کنیم. ابتدا برای 100 ثانیه، سپس برای 600 ثانیه.
تعاریف جهانی
یک چرخه رانندگی خودروی الکتریکی هیبریدی، C-rates در مقابل زمان، از یک فایل متنی وارد می‌شود.
درون یابی 1 (int1)
1 | در نوار ابزار صفحه اصلی ، روی  Functions کلیک کنید و Global>Interpolation را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای درون یابی ، قسمت Definition را پیدا کنید . |
3 | از فهرست منبع داده ، فایل را انتخاب کنید . |
4 |  روی Browse کلیک کنید . |
5 | به پوشه Application Libraries مدل بروید و روی فایل li_battery_drive_cycle_data.txt دوبار کلیک کنید . |
6 |  روی Import کلیک کنید . |
7 | زیربخش توابع را پیدا کنید . در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
نام تابع | موقعیت در پرونده |
رانندگی | 1 |
8 | قسمت Units را پیدا کنید . در جدول Argument تنظیمات زیر را وارد کنید: |
بحث و جدل | واحد |
ستون 1 | س |
9 |  روی Plot کلیک کنید . |
تعاریف (COMP1)
متغیرها را از یک فایل متنی بارگیری کنید. علاوه بر این، از نرخ C وارد شده برای ایجاد یک متغیر فعلی استفاده کنید.
متغیرهای 1
1 | در پنجره Model Builder ، گره Component 1 (comp1)>Definitions را گسترش دهید . |
2 | روی Component 1 (comp1)>Definitions کلیک راست کرده و Variables را انتخاب کنید . |
3 | در پنجره تنظیمات برای متغیرها ، بخش متغیرها را پیدا کنید . |
4 |  روی Load from File کلیک کنید . |
5 | به پوشه Application Libraries مدل بروید و روی فایل li_battery_management_variables.txt دوبار کلیک کنید . |
6 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
نام | اصطلاح | واحد | شرح |
من رانندگی می کنم | -liion.I_1C*driving(t) | آ | جریان سیکل درایو |
(متغیر تعریف شده داخلی liion.I_1C مورد استفاده در بالا، جریان ثابت مورد نیاز برای شارژ یا تخلیه کامل باتری در 1 ساعت را مشخص می کند. این متغیر توسط گره Initial Cell Charge Distribution تعریف می شود .)
باتری لیتیوم یونی (LIION)
جریان الکترود 1
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1)>Lithium-Ion Battery (lion) روی Electrode Current 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای جریان الکترود ، بخش جریان الکترود را پیدا کنید . |
3 | در قسمت I s,total text، I_drive را تایپ کنید . |
الکترود متخلخل 1
در گره‌های میان‌افزایی ذرات ویژگی‌های الکترود متخلخل ، فعال کردن مونتاژ سریع در گزینه بعد ذرات مفید است. این گزینه یک روش جایگزین را برای مونتاژ معادله انتشار در بعد ذره فعال می کند، که معمولاً زمان محاسبه را برای مدل های 1 بعدی کاهش می دهد. توجه داشته باشید که همان معادلات انتشار بدون توجه به روش مونتاژ حل می شود. علاوه بر این، چگالی جریان تبادل مرجع را برای سینتیک الکترود در گره‌های واکنش الکترود متخلخل مشخص کنید .
درهم آمیختگی ذرات 1
1 | در پنجره Model Builder ، گره Porous Electrode 1 را گسترش دهید ، سپس روی Particle Intercalation 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره Settings for Particle Intercalation ، کلیک کنید تا قسمت Particle Discretization گسترش یابد . |
3 | کادر بررسی Fast assembly in particle dimension را انتخاب کنید . |
واکنش الکترود متخلخل 1
1 | در پنجره Model Builder ، روی Porous Electrode Reaction 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای واکنش الکترود متخلخل ، بخش سینتیک الکترود را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متن i 0,ref ( T ) i0ref_neg را تایپ کنید . |
درهم آمیختگی ذرات 1
1 | در پنجره Model Builder ، گره Porous Electrode 2 را گسترش دهید ، سپس روی Particle Intercalation 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره Settings for Particle Intercalation ، قسمت Particle Discretization را پیدا کنید . |
3 | کادر بررسی Fast assembly in particle dimension را انتخاب کنید . |
واکنش الکترود متخلخل 1
1 | در پنجره Model Builder ، روی Porous Electrode Reaction 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای واکنش الکترود متخلخل ، بخش سینتیک الکترود را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متن i 0,ref ( T ) i0ref_pos را تایپ کنید . |
مطالعه 1
مرحله 2: وابسته به زمان
1 | در پنجره Model Builder ، در مطالعه 1 ، روی Step 2: Time Dependent کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات مربوط به زمان وابسته ، قسمت تنظیمات مطالعه را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متن زمان خروجی ، range(0,1,100) را تایپ کنید . |
راه حل 1 (sol1)
1 | در نوار ابزار مطالعه ، روی  Show Default Solver کلیک کنید . |
مراحل برداشته شده توسط حل کننده را روی Intermediate تنظیم کنید تا اطمینان حاصل کنید که گذراهای ناگهانی در چرخه درایو توسط حلگر وابسته به زمان حل می شوند. همچنین، کنترل کننده غیرخطی را برای بهبود مدیریت تغییرات بار ناگهانی فعال کنید.
2 | در پنجره Model Builder ، گره Solution 1 (sol1) را گسترش دهید ، سپس روی Time-Dependent Solver 1 کلیک کنید . |
3 | در پنجره تنظیمات برای حل وابسته به زمان ، برای گسترش بخش Time Steping کلیک کنید . |
4 | از لیست مراحل انجام شده توسط حل کننده ، Intermediate را انتخاب کنید . |
5 | چک باکس Nonlinear controller را انتخاب کنید . |
مشکل اکنون برای حل آماده است.
6 | در نوار ابزار مطالعه ،  روی محاسبه کلیک کنید . |
نتایج
گروه طرح پروب 6
نمودار پروب ولتاژ باتری در مقابل زمان به طور خودکار در طول شبیه سازی رسم می شود:
1 | در پنجره Model Builder ، در بخش Results روی Probe Plot Group 6 کلیک کنید . |
2 | در نوار ابزار Probe Plot Group 6 ، روی  Plot کلیک کنید . |
مطالعه 1
مرحله 2: وابسته به زمان
زمان حل کننده را به 600 ثانیه افزایش دهید.
1 | در پنجره Model Builder ، در مطالعه 1 ، روی Step 2: Time Dependent کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات مربوط به زمان وابسته ، قسمت تنظیمات مطالعه را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متنی زمان خروجی ، range(0,1,600) را تایپ کنید . |
4 | در نوار ابزار صفحه اصلی ،  روی محاسبه کلیک کنید . |
نتایج
شکل 2 را برای نشان دادن جریان در طول چرخه درایو ایجاد کنید .
جاری
1 | در نوار ابزار صفحه اصلی ، روی  Add Plot Group کلیک کنید و 1D Plot Group را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره Settings for 1D Plot Group ، Current را در قسمت نوشتار Label تایپ کنید . |
3 | قسمت Plot Settings را پیدا کنید . |
4 | کادر بررسی برچسب محور y را انتخاب کنید . در قسمت متن مرتبط، Current (A) را تایپ کنید . |
جهانی 1
1 | روی Current کلیک راست کرده و Global را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای جهانی ، روی Replace Expression در گوشه سمت راست بالای بخش y-Axis Data کلیک کنید . از منو، Component 1 (comp1)>Definitions>Variables>I_drive – Drive cycle current – A را انتخاب کنید . |
3 | برای گسترش بخش Legends کلیک کنید . تیک Show legends را پاک کنید . |
4 | در نوار ابزار فعلی ، روی  Plot کلیک کنید . |
ولتاژ سلول و الکترود
شکل 3 را برای نمایش پتانسیل های الکترود و ولتاژ سلول ایجاد کنید . برای مقایسه، ولتاژ سلول مدار باز (در بار، گرادیان غلظت در ذرات الکترود محاسبه شده) را در نظر بگیرید.
1 | در نوار ابزار صفحه اصلی ، روی  Add Plot Group کلیک کنید و 1D Plot Group را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره Settings for 1D Plot Group ، Cell and Electrode Voltages را در قسمت Label تایپ کنید . |
3 | قسمت Plot Settings را پیدا کنید . |
4 | کادر بررسی برچسب محور y را انتخاب کنید . در قسمت متن مربوطه، Voltage (V) را تایپ کنید . |
جهانی 1
1 | روی Cell and Electrode Voltages کلیک راست کرده و Global را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای جهانی ، روی Replace Expression در گوشه سمت راست بالای بخش y-Axis Data کلیک کنید . از منو، Component 1 (comp1)>Definitions>Variables>Ecell – Battery cell voltage – V را انتخاب کنید . |
3 | روی Add Expression در گوشه سمت راست بالای بخش y-Axis Data کلیک کنید . از منو، Component 1 (comp1)>Definitions>Variables>Epos – Positive electrode positive – V را انتخاب کنید . |
4 | روی Add Expression در گوشه سمت راست بالای بخش y-Axis Data کلیک کنید . از منو، Component 1 (comp1)>Definitions>Variables>Eneg را انتخاب کنید – پتانسیل الکترود منفی – V . |
5 | روی Add Expression در گوشه سمت راست بالای بخش y-Axis Data کلیک کنید . از منو، Component 1 (comp1)>Definitions>Variables>EOCVcell_load – Open-Circuit Circuit voltage, at load – V را انتخاب کنید . |
6 | قسمت y-Axis Data را پیدا کنید . در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
اصطلاح | واحد | شرح |
Eneg+3.75[V] | V |
7 | قسمت Legends را پیدا کنید . از فهرست Legends ، Manual را انتخاب کنید . |
8 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
افسانه ها |
ولتاژ سلول |
پتانسیل الکترود مثبت |
پتانسیل الکترود منفی +3.75 ولت |
ولتاژ سلول مدار باز در بار |
9 | در نوار ابزار Cell and Electrode Voltages ، روی  Plot کلیک کنید . |
قطبی شدن
شکل 4 را برای رسم پلاریزاسیون کل در طول چرخه درایو ایجاد کنید .
1 | در نوار ابزار صفحه اصلی ، روی  Add Plot Group کلیک کنید و 1D Plot Group را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره Settings for 1D Plot Group ، Polarization را در قسمت نوشتار Label تایپ کنید . |
3 | قسمت Plot Settings را پیدا کنید . |
4 | کادر بررسی برچسب محور y را انتخاب کنید . در فیلد متن مرتبط، Polarization (V) را تایپ کنید . |
جهانی 1
1 | روی Polarization کلیک راست کرده و Global را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای جهانی ، روی Replace Expression در گوشه سمت راست بالای بخش y-Axis Data کلیک کنید . از منو، Component 1 (comp1)>Definitions>Variables>Total_polarization – Total Cell Cell Polarization – V را انتخاب کنید . |
3 | قسمت Legends را پیدا کنید . تیک Show legends را پاک کنید . |
4 | در نوار ابزار Polarization ، روی  Plot کلیک کنید . |
SOC
به منظور بررسی اینکه آیا سلول و الکترودها در پنجره های مجاز SOC خود چرخه می شوند، شکل 5 ایجاد شده است. SOCهای مربوطه را در بارگذاری رسم کنید.
1 | در نوار ابزار صفحه اصلی ، روی  Add Plot Group کلیک کنید و 1D Plot Group را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای گروه طرح 1 بعدی ، SOC را در قسمت نوشتار برچسب تایپ کنید . |
3 | قسمت Plot Settings را پیدا کنید . |
4 | کادر بررسی برچسب محور y را انتخاب کنید . در قسمت متن مرتبط، SOC (%) را تایپ کنید . |
جهانی 1
1 | روی SOC کلیک راست کرده و Global را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای جهانی ، روی Replace Expression در گوشه سمت راست بالای بخش y-Axis Data کلیک کنید . از منو، Component 1 (comp1)>Definitions>Variables>SOCcell_load – State of-charge سلول ، در بارگذاری را انتخاب کنید . |
3 | روی Add Expression در گوشه سمت راست بالای بخش y-Axis Data کلیک کنید . از منو، Component 1 (comp1)>Lithium-ion Battery>Particle intercalation>liion.soc_surface_pce1 – SOC سطح متوسط ، الکترود متخلخل 1 را انتخاب کنید . |
4 | روی Add Expression در گوشه سمت راست بالای بخش y-Axis Data کلیک کنید . از منو، Component 1 (comp1)>Lithium-ion Battery>Particle intercalation>liion.soc_surface_pce2 – میانگین سطح SOC، الکترود متخلخل 2 را انتخاب کنید . |
5 | قسمت y-Axis Data را پیدا کنید . در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
اصطلاح | واحد | شرح |
SOCcell_load*100 | 1 | |
lion.soc_surface_pce1*100 | 1 | |
lion.soc_surface_pce2*100 | 1 |
6 | قسمت Legends را پیدا کنید . از فهرست Legends ، Manual را انتخاب کنید . |
7 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
افسانه ها |
سلول |
الکترود منفی |
الکترود مثبت |
SOC
1 |  روی دکمه Zoom Extents در نوار ابزار Graphics کلیک کنید . |
2 | در پنجره Model Builder ، روی SOC کلیک کنید . |
3 | در پنجره تنظیمات برای گروه طرح 1 بعدی ، قسمت Legend را پیدا کنید . |
4 | از لیست موقعیت ، سمت راست میانی را انتخاب کنید . |
5 | در نوار ابزار SOC ، روی  Plot کلیک کنید . |
