Bu sponsorlu makale size tarafından getirildi KOMBOL.
Hindistan, elektrikli araçlar (EV’ler) için hızla büyüyen bir pazardır ve bir çalışma, Hindistan’da satılan araçların yüzde 30’undan fazlasının 2030 yılına kadar elektrikli olacağını tahmin etmektedir (Ref. 1). EV’lere güç sağlayan pil paketleri, Hindistan’daki elektrikli mobilite devriminin ana itici güçlerinden biridir. Pil takımı performansını ve güvenliğini izlemek ve yönetmek için, paketler genellikle bir pil yönetim sistemi (BMS) ile donatılır. Bir BMS, bir pilin voltajını, sıcaklığını, soğutma sıvısı akışını ve sağlığını izleyen ve akım değişimi ve ısı üretimi gibi bir dizi başka performans parametresini tahmin ederek bir pil paketinden optimum performans elde etmeye yardımcı olan elektronik bir sistemdir.
Doğru BMS Geliştirmede Simülasyonun Rolü
Exicom Tele-Systems Pvt. Ltd., en yeni Li-ion pil teknolojileri dahil olmak üzere enerji çözümleri tasarlar, geliştirir ve dağıtır. Bugüne kadar, toplamda 1,8 GWh’den fazla olan Li-ion pil çözümlerini kullandı – tek bir şirket tarafından dünyanın en yüksekleri arasında. Exicom ayrıca elektrikli iki tekerlekli araçlar ve hafif elektrikli araçlar için Hindistan’da elektrikli mobilitenin büyümesini sağlayan şarj çözümleri ve BMS sunuyor. Exicom’un yenilikçi BMS çözümleri, performansları ve ömürleri nedeniyle ödüllendirilir.
Exicom’un Hindistan, Gurugram’daki Ar-Ge merkezinde, Dr. Parmender Singh liderliğindeki teknoloji ekibi, geniş bir voltaj aralığındaki (1000 V’a kadar) uygulamalarda Li-ion pilleri hassas bir şekilde izlemek ve yönetmek için kullanılabilecek bir BMS geliştirdi. Bu BMS aynı zamanda kimya agnostiktir; lityum ferrofosfat veya lityum demir fosfat (LFP), lityum nikel manganez kobalt oksit (NMC) ve lityum nikel kobalt alüminyum oksit (NCA) gibi bir dizi kimyaya sahip Li-ion pillerle kullanılabilir.
Hindistan’ın ulaşım sektörünün iddialı elektrifikasyon hedeflerine ulaşması için üreticilerin pil yönetim sistemleri (BMS) gibi temel bileşenlerin gelişimini hızlandırması gerekiyor.
BMS’nin kesinliği, sistemin programlanması veya kalibre edilmesi için kullanılan girdilerin kalitesine ve doğruluğuna bağlıdır. Örneğin, BMS, pil paketi boyunca dağıtılmış bir dizi termal sensör içerir. Bir pil paketinin sıcaklık dağılımını doğru bir şekilde izlemek ve buna karşılık gelen performansı tahmin etmek için sensörlerin doğru konumlara yerleştirilmesi zorunludur. Bu, her pil hücresinin ısı profilinin yanı sıra ısının paket boyunca nasıl değiştiğinin ayrıntılı olarak anlaşılmasını gerektirir. Bu, COMSOL Multiphysics’in cerrahi hassasiyetle bir BMS geliştirmek için gerekli olan ısı profili bilgisi gibi girdilerin doğru hesaplanmasına ve harmanlanmasına izin vererek ayrılmaz bir rol oynadığı yerdir.
Potansiyel Termal Kaçağı Öngörme ve Önleme
Dr. Singh’in Exicom’daki ekibi, pil hücrelerinin termal davranışı üzerinde bir dizi analiz gerçekleştirmek için COMSOL Multiphysics’i kullandı. Ayrıca, ekipmana zarar verebilecek ve hatta yangına neden olabilecek kontrolsüz bir kendi kendine ısınma süreci olan termal kaçaklara neden olabilecek olası harici kısa devreleri analiz etmek için simülasyon kullandılar. Exicom ekibi, farklı form faktörlerine sahip silindirik hücrelerde üretilen ısıyı analiz ederek işe başladı ve hücreler için üretilen ısı profilini kullanarak bu modeli paket düzeyine kadar genişletti. Dr. Singh, “Özellikle hava soğutmalı pil paketleri için paket genelinde sıcaklık gradyanını iyileştirmekle ilgileniyorduk” dedi.
1C boşaltma sırasında silindirik hücreler için hücre seviyesinde termal modelleme sonuçları Şekil 1’de gösterilmektedir. Şekil 1’de soldaki görselleştirme, hücrenin ortasında maksimum sıcaklığın gözlendiği sıcaklık dağılımını göstermektedir. Sağdaki görselleştirme, hücrenin aktif maddesinde maksimum sıcaklığın bulunduğu sıcaklığın kontur dağılımını gösterir.
Simülasyon sonuçları, deneysel bulgularla doğrulandığında, standart şarj-deşarj profilinde yüzde ±5’lik hata sınırları içinde olduğu gözlendi. Model daha sonra, harici kısa devre testi için tanımlanan UL1642 Standardına göre yüzde 100 şarj durumunda (SOC) 2C deşarj için daha da genişletildi.
Hücrenin pozitif ve negatif terminalleri, 80 ±20 mΩ’luk bir dirençle kısa devre edildi. COMSOL yazılımının toplu yaklaşıma dayalı termal modeli, hücrenin şarj-deşarj profilleri için deneysel verilere karşı doğrulanmıştır. Ayrıca şunları geliştirdiler:
- COMSOL’de bulunan optimizasyon özelliklerine dayalı olarak silindirik hücreler için döngüsel ve takvimsel kapasite-fade modelleri
- Çıkartılmış elektrokimyasal parametreler kullanan silindirik hücreler için yüksek doğrulukta sözde iki boyutlu (P2D) bir model
Toplanmış yaklaşımın, halihazırda kolayca bulunabilen hücre geometrisi, elektrot kalınlığı, termal iletkenlik, ısı kapasitesi, sürücü çevrimi ve açık devre voltajı (OCV)-SOC tablosu gibi) minimum sayıda parametre kullanarak modeller oluşturmalarını sağladığını keşfettiler. pil takımı üreticilerinden temin edilebilir.
Bu parametreleri deneysel olarak çıkarmak yalnızca zaman alan bir süreç değil, aynı zamanda değişken deneysel koşullar nedeniyle hatalara da eğilimlidir. Örneğin, ortam sıcaklığı dalgalanır, bu nedenle bir hücrenin doğru bir ısı profilini çıkarmak, farklı ortam sıcaklıklarında kapsamlı bir dizi test yapılmasını gerektirir. Ancak Dr. Singh ve ekibi, simülasyonu kullanarak bu deneyleri büyük bir kolaylıkla gerçekleştirmeyi başardı. Farklı hücre kimyaları için şarj ve deşarj profillerini, farklı şarj ve deşarj oranlarındaki termal davranışı ve harici veya dahili kısa devrelerden kaynaklanan termal kaçakları verimli bir şekilde inceleyebildiler. Ayrıca pil paketindeki sıcak noktaları tanımlayabildiler ve kapasite zayıflama analizine dayalı olarak hücre derecelendirmesini yüksek doğrulukla belirleyebildiler. Sıcak noktalar, en verimli şekilde çalışması için BMS içindeki termal sensörleri yerleştirmek için en iyi konumları gösterdiğinden, bu sonuçların BMS’nin geliştirme döngü süresini azaltmada doğrudan uygulamaları vardı. Dr. Singh’e göre, “COMSOL, pil tasarımı ve termal modelleme için öğrenmesi kolay ve uyarlanabilir bir sonlu eleman aracıdır.”
Şekil 4. Bir pil modelini gösteren COMSOL Multiphysics kullanıcı arabirimi.
Gelecek Kapsamı: Yaşlanmayı Tahmin Etmek İçin Pil Simülasyonlarını Genişletmek
Termal simülasyonlara ek olarak Dr. Singh, başka bir önemli olguyu araştırmak için simülasyonların kullanımını genişletti: pil eskimesi. Bir pilin kullanım ömrü boyunca, bir pil hücresinde gözenekliliğin kaybolmasına yol açabilen katı elektrolit ara faz (SEI) tabakasının büyümesi gibi geri dönüşü olmayan fiziksel ve kimyasal değişiklikler nedeniyle pilin sağlık durumu (SOH) giderek kötüleşir. bu da polarizasyonda ve iç dirençte bir artışa yol açabilir. Manyetik alan araştırması (MFP), bir pilin SOH’sini izlemek için invazif olmayan bir yöntemdir. MFP yönteminin potansiyelini göstermek amacıyla Dr. Singh, COMSOL’de manyetik alan yanıtını, pil polarizasyonunu ve Li-ion pilin iç direncini değerlendirmek için bir çoklu fizik modeli geliştirdi (Ref. 2). Ekip, elektrot gözenekliliğindeki değişimin manyetik alan yanıtı üzerinde önemli bir etkiye sahip olduğunu gözlemledi. Bu araştırma şu anda hazırlık aşamasında olmasına rağmen, potansiyel uygulamalar çok geniş kapsamlıdır. Dr. Singh, “Bu fenomenle ilgili daha fazla araştırmanın, pil yaşlanması için izleme özelliklerinin geliştirilmesine ve dağıtılmasına ve ayrıca BMS’nin kendisinde buna karşı daha iyi koruma mekanizmalarına izin vermesini bekliyoruz” dedi.
Şekil 5. 3B tasarımlı hücre geometrisi (solda). 0,12 ve 0,36 anot gözeneklilik değerlerinde (sağda) deşarj sırasında manyetik alan yanıtının ve polarizasyon davranışının değişimi.
Exicom ekibi şu anda hücre seviyesinde termal ve kapasite sönümleme analizi için elektrokimyasal P2D modelleme üzerinde çalışıyor. Termal kaçak sırasında daha iyi doğruluk için elektrotlarda ve SEI katmanında ek termal ekzotermik denklemlerle modeli daha da genişletmeyi amaçlamaktadır. Ayrıca döngüsel ve takvimsel tahmine dayalı analiz için toplu kapasite sönümleme modelini kullanmayı planlıyorlar. Gelecekte ayrıca, SOC ve SOH için indirgenmiş bir sipariş modeli uygulamayı ve ASIC düzeyine kadar kod üretimi için modeli MATLAB’a aktarmayı planlıyorlar.
Hindistan’da ve dünya çapında elektrikli mobiliteye geçişin hızlanmasıyla birlikte, pil teknolojisine ilişkin araştırmaların önümüzdeki yıllarda önemli ölçüde artması bekleniyor. COMSOL gibi simülasyon yazılımları, elektrikli mobilite alanında daha etkili çözümler sağlamak ve ürünlerini pazara sunma süresini iyileştirmek isteyen şirketlere çok önemli bir avantaj sunuyor.
Referanslar
- S. Sen, “Hindistan’daki araçların %30’u 2030’a kadar elektrikli olacak: Study,” The Times of India, 17 Haziran 2022; https://timesofindia.indiatimes.com/city/mumbai/30-vehicles-in-india-will-be-electric-by-2030-study/articleshow/92265373.cms.
- P. Singh ve diğerleri, “Li-Ion Pil Eskime Parametresi: Manyetik Alan Probu Kullanılarak Porozite Davranış Analizi” ECS Toplantı Özetleri, cilt MA2021-02, 2021, hayır. 3, s. 294, 2021.
MATLAB, MathWorks, Inc.’in tescilli ticari markasıdır.