با گسترش روزافزون خودروهای الکتریکی و هیبریدی، مدیریت حرارتی باتری‌ها به یکی از مهم‌ترین چالش‌های طراحی سامانه‌های ذخیره‌سازی انرژی تبدیل شده است. عملکرد، ایمنی، طول عمر و بازدهی باتری‌های لیتیوم-یونی به شدت تحت تأثیر دمای کاری آن‌ها قرار دارد. افزایش بیش از حد دما می‌تواند موجب کاهش ظرفیت، تسریع فرآیند فرسودگی، افت راندمان و حتی بروز خطرات ایمنی شود. از این رو توسعه مدل‌های دقیق برای تحلیل رفتار حرارتی و طراحی سیستم‌های خنک‌کننده اهمیت فراوانی پیدا کرده است.

در این شبیه‌سازی، یک پک باتری خودرویی با هدف بررسی عملکرد سیستم مدیریت حرارتی مدل‌سازی شده است. ساختار مدل به گونه‌ای طراحی شده که بتواند رفتار الکتریکی و حرارتی مجموعه‌ای از سلول‌های باتری را به صورت همزمان تحلیل کند. این مدل با استفاده از قابلیت‌های Simscape Electrical در محیط Matlab توسعه یافته و امکان ارزیابی تأثیر نرخ جریان سیال خنک‌کننده بر دمای سلول‌ها را فراهم می‌کند.

معرفی ساختار پک باتری

پک باتری مورد استفاده در این شبیه‌سازی از چندین ماژول باتری تشکیل شده است. هر ماژول خود شامل مجموعه‌ای از سلول‌های متصل به صورت سری و موازی است. تمامی سلول‌ها با استفاده از بلوک Battery (Table-Based) در Simscape Electrical مدل‌سازی شده‌اند. این بلوک امکان تعریف ویژگی‌های الکتریکی و حرارتی باتری را بر اساس داده‌های تجربی فراهم می‌کند و می‌تواند تغییرات عملکرد سلول را در شرایط مختلف دمایی و سطح شارژ شبیه‌سازی نماید.

در شرایط اولیه این مدل، تمامی سلول‌ها دارای دمای اولیه و مقدار یکسانی از وضعیت شارژ یا State of Charge هستند. پک باتری از چهار ماژول تشکیل شده که سه ماژول اول دارای ساختار مشابه بوده و ماژول چهارم از نظر تعداد سلول‌های سری و مشخصات خنک‌کاری با سایر ماژول‌ها تفاوت دارد. این چهار ماژول به صورت سری به یکدیگر متصل شده‌اند تا یک پک باتری کامل را تشکیل دهند.

شرایط محیطی اولیه در این شبیه‌سازی برابر با 25 درجه سانتی‌گراد در نظر گرفته شده است. همچنین یک زیرسیستم کنترلی برای مدیریت جریان سیال خنک‌کننده طراحی شده که وظیفه تنظیم نرخ جریان خنک‌کننده را بر اساس وضعیت حرارتی پک باتری بر عهده دارد.

ساختار ماژول‌های باتری

برای ایجاد یک ماژول باتری در این مدل ابتدا تعداد سلول‌های متصل به صورت سری و موازی مشخص می‌شود. سپس نوع سلول مورد استفاده تعیین می‌گردد. مدل قابلیت پشتیبانی از چهار نوع مختلف سلول را فراهم می‌کند:

• سلول‌های پاکتی (Pouch)
• سلول‌های قوطه‌ای (Can)
• سلول‌های استوانه‌ای فشرده (Compact Cylindrical)
• سلول‌های استوانه‌ای معمولی (Regular Cylindrical)

در این شبیه‌سازی از سلول‌های نوع پاکتی استفاده شده است. ماژول‌های A، B و C شامل پنج سلول سری و دو شاخه موازی هستند. در مقابل، ماژول D شامل شش سلول سری و دو شاخه موازی است که باعث ایجاد تفاوت در رفتار حرارتی و الکتریکی آن نسبت به سایر ماژول‌ها می‌شود.

پورت‌های ورودی و خروجی ماژول

هر ماژول باتری دارای مجموعه‌ای از پورت‌های ورودی و خروجی است که امکان تبادل اطلاعات و انرژی را فراهم می‌کنند. خروجی SOC اطلاعات مربوط به وضعیت شارژ هر سلول را ارائه می‌دهد. خروجی Temp نیز دمای سلول‌های موجود در ماژول را نمایش می‌دهد.

پورت حرارتی Amb برای تعریف دمای محیط مورد استفاده قرار می‌گیرد. همچنین پورت‌های الکتریکی pos و neg به ترتیب ترمینال مثبت و منفی ماژول را تشکیل می‌دهند. علاوه بر این، دو ورودی FlwR و FlwT جهت کنترل نرخ جریان سیال خنک‌کننده و دمای ورودی آن به ماژول در نظر گرفته شده‌اند.

پارامترهای اصلی مدل باتری

برای دستیابی به یک مدل دقیق، مجموعه‌ای از پارامترهای الکتریکی، حرارتی و هندسی در ساختار ماژول تعریف شده‌اند. یکی از مهم‌ترین این پارامترها بردار دما است که نقاط مرجع تغییرات مشخصات سلول را در دماهای مختلف مشخص می‌کند.

ظرفیت نامی سلول نیز به صورت تابعی از دما تعریف شده است. علاوه بر آن، بردار مقادیر وضعیت شارژ محدوده تغییرات SOC را بین صفر تا یک مشخص می‌کند تا ویژگی‌های الکتریکی سلول در سطوح مختلف شارژ قابل محاسبه باشند.

ولتاژ مدار باز سلول، مقاومت اهمی، مقاومت پلاریزاسیون و ثابت زمانی از جمله پارامترهای مهم الکتریکی هستند که به صورت جداول وابسته به دما و وضعیت شارژ تعریف شده‌اند. این روش باعث می‌شود مدل رفتار واقعی باتری را با دقت بالاتری بازسازی کند.

در بخش حرارتی نیز پارامترهایی نظیر جرم حرارتی سلول، ضریب هدایت حرارتی، ضریب انتقال حرارت به محیط و مقاومت حرارتی مسیر خنک‌کاری مورد استفاده قرار گرفته‌اند. این پارامترها نقش تعیین‌کننده‌ای در نحوه انتشار و دفع حرارت تولیدشده در سلول‌ها دارند.

مدل‌سازی سیستم خنک‌کاری

یکی از بخش‌های کلیدی این شبیه‌سازی، مدل‌سازی سیستم خنک‌کاری پک باتری است. برای این منظور نرخ جریان سیال خنک‌کننده به عنوان یکی از متغیرهای اصلی کنترل تعریف شده است. عملکرد سیستم خنک‌کننده به کمک یک جدول سه‌بعدی مدل‌سازی می‌شود که نرخ انتقال حرارت بین سلول‌ها و سیال خنک‌کننده را مشخص می‌کند.

این جدول بر اساس دما، نرخ جریان خنک‌کننده و تعداد سلول‌های موجود در ماژول ایجاد می‌شود. مقادیر این جدول معمولاً از تحلیل‌های پیشرفته مانند دینامیک سیالات محاسباتی یا CFD استخراج می‌شوند. به همین دلیل مدل قادر است تأثیر طراحی واقعی صفحات خنک‌کننده و مسیرهای عبور سیال را نیز در نظر بگیرد.

ورودی FlwR مقدار جریان خنک‌کننده را مشخص می‌کند. این پارامتر عددی بین صفر و یک است. مقدار صفر به معنای عدم جریان سیال و مقدار یک نشان‌دهنده بیشترین نرخ جریان تعریف‌شده در سیستم است.

ورودی FlwT نیز اختلاف دمای سیال خنک‌کننده نسبت به دمای محیط را مشخص می‌کند. به کمک این پارامتر می‌توان شرایط مختلف کاری سیستم خنک‌کاری را بررسی و اثر دمای ورودی سیال بر عملکرد حرارتی پک باتری را تحلیل کرد.

ساختار پک باتری کامل

در این مدل، چهار ماژول باتری به صورت سری به یکدیگر متصل شده‌اند. سه ماژول اول دارای ساختار مشابه هستند، در حالی که ماژول چهارم از نظر تعداد سلول‌های سری و راندمان خنک‌کاری تفاوت دارد. این تفاوت باعث می‌شود توزیع دما در سطح پک باتری یکنواخت نباشد و نیاز به سیستم کنترل حرارتی هوشمند بیشتر احساس شود.

اتصال الکتریکی میان ماژول‌ها از طریق کابل‌هایی انجام شده که به صورت مقاومت مدل‌سازی شده‌اند. این مقاومت‌ها افت ولتاژ و تولید حرارت ناشی از اتصالات را در شبیه‌سازی لحاظ می‌کنند.

همچنین هر ماژول نرخ جریان خنک‌کننده متفاوتی دریافت می‌کند. وظیفه توزیع جریان سیال میان ماژول‌ها بر عهده بلوک Flow Divide است که در زیرسیستم Battery Pack قرار دارد.

منطق کنترل خنک‌کننده

برای مدیریت هوشمند دمای پک باتری، یک زیرسیستم کنترلی ویژه طراحی شده است. این زیرسیستم به صورت پیوسته کمترین و بیشترین دمای موجود در پک را پایش می‌کند. سپس اختلاف دمای میان گرم‌ترین و سردترین سلول‌ها را محاسبه می‌نماید.

علاوه بر این، اختلاف میان بیشترین دمای سلول‌ها و دمای محیط نیز مورد بررسی قرار می‌گیرد. کنترل‌کننده بزرگ‌ترین مقدار از این دو اختلاف را به عنوان معیار تصمیم‌گیری انتخاب می‌کند.

اگر این اختلاف دما به 10 درجه سانتی‌گراد یا بیشتر برسد، مقدار FlwR برابر یک قرار می‌گیرد و سیستم خنک‌کاری با حداکثر ظرفیت فعال می‌شود. در مقادیر کمتر از 10 درجه سانتی‌گراد، نرخ جریان به صورت خطی کاهش می‌یابد تا زمانی که اختلاف دما تقریباً به صفر برسد. در این حالت نیاز چندانی به خنک‌کاری وجود ندارد و جریان سیال به حداقل مقدار خود می‌رسد.

در این شبیه‌سازی دمای ورودی سیال خنک‌کننده ثابت در نظر گرفته شده است و از طریق متغیر coolantTemp تعریف می‌شود.

نتایج شبیه‌سازی

برای ارزیابی عملکرد سیستم مدیریت حرارتی، یک پروفایل رانندگی به مدت 600 ثانیه روی پک باتری اعمال شده است. در طول این بازه زمانی، جریان‌های مختلفی از باتری عبور کرده و باعث تولید حرارت در سلول‌ها می‌شوند.

نتایج به دست آمده از Simscape Logging نشان می‌دهد که با افزایش بار الکتریکی و افزایش دمای پک باتری، سیستم کنترل خنک‌کننده به صورت خودکار نرخ جریان سیال را افزایش می‌دهد. این افزایش جریان موجب انتقال مؤثرتر حرارت از سلول‌ها به سیال خنک‌کننده شده و دمای باتری را در محدوده مطلوب نگه می‌دارد.

همچنین نتایج نشان می‌دهد که راهبرد کنترل طراحی‌شده قادر است اختلاف دمای بین سلول‌های مختلف را کاهش داده و یکنواختی حرارتی بهتری در سطح پک ایجاد کند. این موضوع نقش مهمی در افزایش طول عمر سلول‌ها، بهبود عملکرد الکتریکی و افزایش ایمنی سیستم ذخیره‌سازی انرژی دارد.

جمع‌بندی

این شبیه‌سازی یک چارچوب جامع برای تحلیل رفتار حرارتی پک‌های باتری لیتیوم-یونی در کاربردهای خودرویی ارائه می‌دهد. استفاده از مدل‌های مبتنی بر داده برای سلول‌ها، در کنار سیستم خنک‌کاری قابل کنترل، امکان بررسی دقیق اثر شرایط کاری مختلف بر دمای باتری را فراهم می‌کند. نتایج حاصل از این مدل می‌تواند در طراحی سامانه‌های مدیریت حرارتی، انتخاب استراتژی‌های خنک‌کاری و بهینه‌سازی ساختار پک باتری مورد استفاده قرار گیرد. به کمک چنین شبیه‌سازی‌هایی می‌توان پیش از ساخت نمونه فیزیکی، عملکرد حرارتی سامانه را ارزیابی کرده و تصمیمات مهندسی دقیق‌تری اتخاذ نمود.