يتم تقديم هذه المقالة الدعائية إليك بواسطة COMSOL.
تعتبر الهند سوقًا سريع النمو للسيارات الكهربائية (EVs) ، حيث توقعت إحدى الدراسات أن أكثر من 30 بالمائة من السيارات المباعة في الهند ستكون كهربائية بحلول عام 2030 (المرجع 1). تعد حزم البطاريات التي تشغل المركبات الكهربائية أحد المحركات الرئيسية لثورة التنقل الكهربائي في الهند. من أجل مراقبة وإدارة أداء حزمة البطارية وسلامتها ، عادة ما تكون الحزم مجهزة بنظام إدارة البطارية (BMS). A BMS هو نظام إلكتروني يراقب جهد البطارية ودرجة الحرارة وتدفق سائل التبريد والصحة ويتوقع عددًا من معلمات الأداء الأخرى ، مثل التباين الحالي وتوليد الحرارة ، مما يساعد على استخراج الأداء الأمثل من حزمة البطارية.
دور المحاكاة في تطوير أنظمة إدارة دقيقة
Exicom Tele-Systems الجندي. Ltd. بتصميم وتطوير ونشر حلول الطاقة ، بما في ذلك أحدث تقنيات بطاريات Li-ion. حتى الآن ، نشرت حلول بطاريات Li-ion التي يبلغ مجموعها أكثر من 1.8 جيجاوات ساعة – من بين أعلى الحلول في العالم من قبل شركة واحدة. تقدم Exicom أيضًا حلول شحن و BMS للمركبات الكهربائية ذات العجلتين والمركبات الكهربائية الخفيفة ، والتي تقود نمو التنقل الكهربائي في الهند. تُقدَّر حلول BMS المبتكرة من Exicom لأدائها وحياتها.
في مركز البحث والتطوير التابع لشركة Exicom في جوروجرام بالهند ، طور فريق التكنولوجيا بقيادة الدكتور بارميندر سينغ نظام إدارة المباني الذي يمكن استخدامه لمراقبة وإدارة بطاريات Li-ion بدقة في التطبيقات عبر نطاق جهد واسع (يصل إلى 1000 فولت). هذا BMS هو أيضًا حيادي للكيمياء ؛ يمكن استخدامه مع بطاريات Li-ion لمجموعة من المواد الكيميائية مثل الليثيوم الفوسفات ، أو فوسفات الحديد الليثيوم (LFP) ، وأكسيد الكوبالت والنيكل والنيكل الليثيوم (NMC) وأكسيد الألومنيوم كوبالت النيكل الليثيوم (NCA).
لكي يفي قطاع النقل الهندي بأهدافه الطموحة في مجال الكهربة ، يجب على الشركات المصنعة الإسراع في تطوير المكونات الأساسية ، مثل أنظمة إدارة البطاريات (BMS).
تعتمد دقة نظام إدارة المباني على جودة ودقة المدخلات المستخدمة لبرمجة أو معايرة النظام. على سبيل المثال ، يتضمن نظام إدارة المباني عددًا من أجهزة الاستشعار الحرارية الموزعة عبر حزمة البطارية. من أجل مراقبة توزيع درجة حرارة حزمة البطارية بدقة والتنبؤ بالأداء المقابل ، من الضروري وضع المستشعرات في المواقع الصحيحة. يتطلب هذا فهماً مفصلاً للملف الحراري لكل خلية بطارية بالإضافة إلى كيفية اختلاف الحرارة في جميع أنحاء العبوة. هذا هو المكان الذي تلعب فيه COMSOL Multiphysics جزءًا لا يتجزأ ، من خلال السماح بالحسابات الدقيقة وترتيب المدخلات ، مثل معلومات ملف تعريف الحرارة ، المطلوبة لتطوير BMS بدقة جراحية.
توقع ومنع الهروب الحراري المحتمل
استخدم فريق الدكتور سينغ في Exicom نظام COMSOL Multiphysics لإجراء عدد من التحليلات على السلوك الحراري لخلايا البطارية. كما استخدموا المحاكاة لتحليل الدوائر القصيرة الخارجية المحتملة ، والتي يمكن أن تسبب هروبًا حراريًا – وهي عملية تسخين ذاتي غير خاضعة للرقابة يمكن أن تلحق الضرر بالمعدات أو حتى تسبب الحرائق. بدأ فريق Exicom بتحليل الحرارة المتولدة في الخلايا الأسطوانية بعوامل شكل مختلفة ووسع هذا النموذج إلى مستوى العبوة باستخدام ملف تعريف الحرارة المتولد للخلايا. قال الدكتور سينغ: “كنا مهتمين بشكل خاص بتحسين تدرج درجة الحرارة عبر عبوات البطاريات المبردة بالهواء”.
يتم عرض نتائج النمذجة الحرارية على مستوى الخلية للخلايا الأسطوانية أثناء تفريغ 1 درجة مئوية في الشكل 1. يوضح التصور الموجود على اليسار في الشكل 1 توزيع درجة الحرارة ، حيث يتم ملاحظة درجة الحرارة القصوى في منتصف الخلية. يوضح التصور الموجود على اليمين التوزيع المحيطي لدرجة الحرارة ، حيث توجد درجة الحرارة القصوى في المادة النشطة للخلية.
عند التحقق من صحة نتائج المحاكاة بالنتائج التجريبية ، لوحظ أنها تقع ضمن حدود الخطأ البالغة ± 5 بالمائة في ملف تعريف الشحن والتفريغ القياسي. تم تمديد النموذج بعد ذلك لتفريغ 2C عند 100 في المائة من حالة الشحن (SOC) وفقًا لمعيار UL1642 ، والذي تم تحديده لاختبار ماس كهربائى خارجي.
تم تقصير المحطات الموجبة والسالبة للخلية عبر مقاومة 80 ± 20 متر مكعب. تم التحقق من صحة النموذج الحراري القائم على النهج المجمع لبرنامج COMSOL مقابل البيانات التجريبية لملفات تعريف الشحن والتفريغ للخلية. قاموا أيضًا بتطوير:
- نماذج دورية وخفوت السعة التقويمية للخلايا الأسطوانية بناءً على ميزات التحسين المتوفرة في COMSOL
- نموذج ثنائي الأبعاد زائف عالي الدقة (P2D) للخلايا الأسطوانية باستخدام المعلمات الكهروكيميائية المستخرجة
ووجدوا أن الطريقة المجمعة مكنتهم من إنشاء نماذج باستخدام أقل عدد ممكن من المعلمات – مثل هندسة الخلية ، وسمك القطب ، والتوصيل الحراري ، والسعة الحرارية ، ودورة القيادة ، والجهد الكهربائي للدائرة المفتوحة (OCV) – جدول SOC – التي يسهل الوصول إليها. متوفرة. متوفر لدى مصنعي حزم البطاريات.
لا يعد استخراج هذه المعلمات تجريبيًا عملية تستغرق وقتًا طويلاً فحسب ، بل إنها أيضًا عرضة للأخطاء بسبب الظروف التجريبية المتغيرة. على سبيل المثال ، تتقلب درجة الحرارة المحيطة ، لذلك يتطلب استخراج ملف تعريف دقيق للحرارة للخلية إجراء سلسلة واسعة من الاختبارات في درجات حرارة محيطة مختلفة. باستخدام المحاكاة ، تمكن الدكتور سينغ والفريق من إجراء هذه التجارب بسهولة كبيرة. كانوا قادرين على دراسة ملامح الشحن والتفريغ بكفاءة ، والسلوك الحراري بمعدلات شحن وتفريغ مختلفة ، والهروب الحراري بسبب دوائر قصيرة خارجية أو داخلية لكيمياء الخلايا المختلفة. كما تمكنوا من تحديد النقاط الفعالة في حزمة البطارية وتحديد تصنيف الخلية بناءً على تحليل تلاشي السعة بدقة عالية. كان لهذه النتائج تطبيقات مباشرة في تقليل وقت دورة تطوير BMS ، حيث أشارت النقاط الساخنة إلى أفضل المواضع لنشر المستشعرات الحرارية داخل BMS من أجل العمل بكفاءة أكبر. وفقًا للدكتور سينغ ، “تعد COMSOL أداة عناصر محدودة سهلة التعلم وقابلة للتكيف لتصميم البطارية والنمذجة الحرارية.”
الشكل 4. تعرض واجهة مستخدم COMSOL Multiphysics نموذجًا للبطارية.
النطاق المستقبلي: توسيع محاكاة البطارية للتنبؤ بالشيخوخة
بالإضافة إلى المحاكاة الحرارية ، قام الدكتور سينغ بتوسيع استخدام المحاكاة للتحقيق في ظاهرة أخرى مهمة: تقادم البطارية. خلال عمر البطارية ، تتدهور حالتها الصحية (SOH) بشكل تدريجي بسبب التغيرات الفيزيائية والكيميائية التي لا رجعة فيها ، مثل نمو طبقة الطور البيني للكهرباء الصلبة (SEI) ، والتي يمكن أن تؤدي إلى فقدان المسامية في خلية البطارية ، وهو ما يمكن أن يؤدي بدوره إلى زيادة الاستقطاب والمقاومة الداخلية. فحص المجال المغناطيسي (MFP) هو طريقة غير باضعة لمراقبة SOH للبطارية. بهدف إظهار إمكانات طريقة MFP ، طور الدكتور سينغ نموذجًا متعدد الفيزياء في COMSOL لتقييم استجابة المجال المغناطيسي ، واستقطاب البطارية ، والمقاومة الداخلية لبطارية Li-ion (المرجع 2). لاحظ الفريق أن الاختلاف في مسامية القطب الكهربائي له تأثير كبير على استجابة المجال المغناطيسي. على الرغم من أن هذا البحث في مراحله الأولية حاليًا ، إلا أن التطبيقات المحتملة بعيدة المدى. قال الدكتور سينغ: “نتوقع أن يسمح إجراء مزيد من التحقيق في هذه الظاهرة بتطوير ونشر ميزات المراقبة لشيخوخة البطارية بالإضافة إلى آليات حماية أفضل ضدها في نظام إدارة المباني نفسها”.
الشكل 5. هندسة الخلية ثلاثية الأبعاد (يسار). تباين استجابة المجال المغناطيسي وسلوك الاستقطاب أثناء التفريغ عند قيم مسامية أنود 0.12 و 0.36 (يمين).
يعمل فريق Exicom حاليًا على النمذجة الكهروكيميائية P2D للتحليل الحراري وتلاشي السعة على مستوى الخلية. وتعتزم توسيع النموذج بمعادلات طاردة للحرارة إضافية عند الأقطاب الكهربائية وطبقة SEI للحصول على دقة أفضل أثناء الهروب الحراري. كما يخططون أيضًا لاستخدام نموذج الخبو الناتج عن السعة المجمعة للتحليل التنبئي الدوري والتقويم. في المستقبل ، يخططون أيضًا لتنفيذ نموذج طلب مخفض لـ SOC و SOH وتصدير النموذج إلى MATLAB لإنشاء الكود حتى مستوى ASIC.
مع التحول المتسارع إلى التنقل الكهربائي في الهند وفي جميع أنحاء العالم ، من المتوقع أن يزداد البحث في تكنولوجيا البطاريات بشكل كبير في السنوات القادمة. تقدم برامج المحاكاة مثل COMSOL بداية أساسية حاسمة للشركات في مجال التنقل الكهربائي التي ترغب في تقديم حلول أكثر فاعلية وتحسين وقت تسويق منتجاتها.
مراجع
- سين ، “30٪ من المركبات في الهند ستكون كهربائية بحلول عام 2030: دراسة” ، تايمز أوف إنديا ، 17 يونيو 2022 ؛ https://timesofindia.indiatimes.com/city/mumbai/30-vehicles-in-india-will-be-electric-by-2030-study/articleshow/92265373.cms.
- سينغ وآخرون ، “معلمة شيخوخة بطارية Li-Ion: تحليل سلوك المسامية باستخدام مجس المجال المغناطيسي ،” ملخصات اجتماعات ECS، المجلد. MA2021-02 ، 2021 ، لا. 3 ، ص. 294 ، 2021.
MATLAB هي علامة تجارية مسجلة لشركة The MathWorks، Inc.
