Система управления температурой батареи — MATLAB & Simulink
Система управления температурой батареи поддерживает безопасную и эффективную работу батарей, регулируя их температурные условия. Высокие температуры аккумуляторов могут ускорить их старение и создать угрозу безопасности, в то время как низкие температуры могут привести к снижению емкости аккумуляторов и ухудшению характеристик зарядки/разрядки.
Система управления температурным режимом батареи регулирует рабочую температуру батареи, либо рассеивая тепло, когда оно слишком горячее, либо выделяя тепло, когда оно слишком холодно. Инженеры используют активные, пассивные или гибридные решения для теплопередачи для регулирования температуры батареи в этих системах. Активные решения обычно имеют вентилятор или насос, подающий рабочую жидкость, например воздух, воду или какую-либо другую жидкость, для снижения или повышения температуры батареи. В пассивном решении либо радиаторы, либо трубы с теплопроводными материалами отводят тепло от батареи.
Создание программных тепловых моделей аккумуляторов, имитирующих процесс теплопередачи, может помочь инженерам анализировать компромиссы в проектных параметрах, оценивать производительность и реализовывать алгоритмы управления. Инженеры могут использовать MATLAB ® и Simulink ® для разработки систем управления тепловым режимом батареи, которые обеспечивают оптимальную производительность аккумуляторной батареи в различных условиях эксплуатации.
Проведение теплового анализа в Simulink новой и устаревшей модели литий-ионного аккумуляторного блока для проектирования аккумуляторных блоков, которые соответствуют критериям гарантии по истечении срока службы (EOL) с точки зрения мощности, производительности и упаковки.
С помощью MATLAB и Simulink вы можете:
- Детально моделировать тепловое поведение батареи
- Создание моделей систем охлаждения/обогрева с использованием различных рабочих сред, включая газы, жидкости и хладагенты, изменяющие фазу
- Выполнение выбора компонентов и размеров компонентов с помощью моделирования и симуляции
- Исследуйте пространство проектирования с различными параметрами компонентов и оптимизируйте производительность системы управления температурным режимом батареи
- Моделирование экстремальных температурных условий для разработки сценариев «что, если»
- Разработка логики диспетчерского управления и стратегий управления с обратной связью для модуляции температуры
- Проведение сценарных исследований для оценки теплового воздействия различных вариантов конструкции
- Сокращение затрат за счет проведения меньшего количества дорогостоящих и трудоемких тестов с серийным аккумуляторным оборудованием
- Автоматически генерировать готовый к производству встроенный код для управления температурным режимом батареи и соответствовать отраслевым стандартам
Захват температурного режима батареи
Используя Simscape™ и Simscape Battery™, вы можете создавать модели, начиная с уровня элемента батареи, а затем добавлять эффекты температуры окружающей среды, материалы теплового интерфейса и соединения охлаждающей пластины, чтобы создать более репрезентативную модель.
Теплопередачу можно рассматривать с точки зрения от ячейки к ячейке, от ячейки к пластине и от ячейки к окружающей среде путем определения тепловых путей к окружающей среде, хладагенту и расположению охлаждающей пластины. Simscape Battery предоставляет готовые блоки охлаждающих пластин, которые поддерживают различные конфигурации потока, включая параллельные каналы, U-образные прямоугольные каналы и краевое охлаждение.
Блок параллельных каналов в Simscape Battery
Блок U-образных каналов в Simscape Battery
Блок Edge Cooling в Simscape Battery
Разброс температур, возникающий в результате динамического взаимодействия между аккумулятором и потоком хладагента, может быть точно зафиксирован путем дискретизации этих охлаждающих пластин в элементы.
Тепловая модель на уровне пакета может быть построена путем сборки ячеек в модули с тепловыми эффектами и размещения модулей внутри пакета. Модели аккумуляторных батарей, созданные в Simscape, используют электрические и тепловые сети, которые отражают реальную систему и масштабируются по мере увеличения количества ячеек.
Вы можете выполнить анализ тепловых характеристик аккумуляторных батарей с разным уровнем старения, чтобы соответствовать критериям гарантии по истечении срока службы (EOL).
Подробное 1D тепловое моделирование одного элемента батареи с помощью Simscape с использованием библиотеки Thermal Elements
Определение теплового пути охлаждающей жидкости для модуля батареи с помощью Simscape Battery
Подключение охлаждающей пластины к аккумуляторному модулю и параллельной сборке
Моделирование систем охлаждения/обогрева
Блоки Simscape и Simscape Fluids™ можно использовать в газовой, жидкостной и тепловой областях для моделирования активных, пассивных или гибридных решений для охлаждения/обогрева. . Вы также можете изучить архитектуру систем охлаждения/обогрева, нарисовав схемы для размещения труб, клапанов, теплообменников и резервуаров. В случае системы жидкостного контура вы можете смоделировать расширительный бак, в котором хранится резервная жидкость; охлаждающие пластины, которые направляют рабочую жидкость вблизи аккумуляторных элементов; система циркуляции с приводом от двигателя с насосом, проточным трактом и клапанами; и различные типы теплообменников, такие как проводные нагреватели или радиаторы.
После того, как вы создали модель системы охлаждения/обогрева, вы можете запустить моделирование, уточнить конструкцию, изучив размеры компонентов и параметры системы, а также удовлетворить такие требования, как рассеивание тепла и энергопотребление.
Модель активной жидкостной системы охлаждения/обогрева аккумуляторов в электромобиле (EV), созданная с использованием Simulink и Simscape
Средства управления проектированием для управления Методы PID для управления системой циркуляции, такие как управление потоком сырья (клапан), управление массовым расходом (насосом) и управление выбором пути теплообмена. С Simscape Battery вы можете использовать предварительно созданные блоки, такие как управление охлаждающей жидкостью батареи и управление нагревателем батареи, для создания алгоритмов управления температурным режимом батареи. С помощью Stateflow вы также можете разработать логику диспетчерского управления для переключения между различными режимами работы, такими как нагрев или охлаждение, в зависимости от температуры окружающей среды и температуры батареи.
Simulink-модель системы управления охлаждающей жидкостью, которая вычисляет скорость потока на основе температур между элементами батареи, а также температуры окружающей среды
Создание кода и выполнение аппаратного тестирования в цикле (HIL) Embedded Coder
® и HDL Coder™ позволяют автоматически генерировать удобочитаемый, оптимизированный код C/C++ или HDL для развертывания программного обеспечения системы управления температурой батареи на встроенных микроконтроллерах или целевых устройствах FPGA/SOC. Вы также можете сгенерировать код для модели объекта и выполнить аппаратное тестирование в контуре (HIL). Simscape Battery включает в себя блоки, которые действуют как интерфейсы между батареей и схемой контроля ячейки. Используя эти блоки с аппаратным обеспечением в реальном времени, вы можете подключить симуляцию батареи к реальному оборудованию для балансировки батареи. HIL-тестирование аккумуляторных систем (22:57) позволяет заменить трудоемкие и дорогостоящие аппаратные тесты машиной в режиме реального времени для тестирования системы управления температурным режимом аккумулятора.
Это снижает риск повреждения оборудования батареи в потенциально опасных условиях испытаний, позволяя тестировать систему управления температурным режимом батареи в широком диапазоне условий эксплуатации, включая экстремальные температуры, снижение производительности и неисправности.См. также: модели аккумуляторов, система управления батареями, состояние заряда аккумулятора, программное обеспечение для моделирования, моделирование и симуляция, Simulink для электрификации, настройка ПИД, дизайн аккумуляторной батареи
Система контроля температуры батареи — Дистанционный мониторинг AKCP
Почему важно контролировать температуру батареи? Неисправности в аккумуляторе и подключенных к нему цепях могут повлиять на температуру аккумулятора. Распространенными неисправностями, которые приводят к повышению температуры батареи, являются замыкание на землю, короткое замыкание элементов, плохая вентиляция или неадекватное охлаждение, а также потеря регулирования зарядки.
Мониторинг температуры батареи может выявить эти неисправности и предупредить заранее, прежде чем произойдет тепловой разгон.
Если температура батареи не контролируется и не регулируется должным образом, это может привести к необратимому повреждению. В лучшем случае произойдет некоторое механическое искажение или изменение химического состава, что приведет к дорогостоящей замене батареи. В худшем случае аккумуляторная батарея может разорваться, взорваться, вытечь химические вещества или вызвать пожар.
Где следить за температурой батареи? Повышенная температура аккумулятора обычно проявляется на отрицательной клемме аккумулятора. При нормальных рабочих условиях, таких как зарядка и нагрузка от батареи, температура не должна повышаться более чем на 3°C по сравнению с температурой окружающей среды. Можно использовать два датчика температуры, один из которых расположен на отрицательной клемме аккумулятора, а другой контролирует температуру окружающей среды.
Затем разницу между двумя датчиками можно использовать для указания на потенциальные проблемы со здоровьем батареи или сбои в подключенных цепях.
Проще говоря, аккумулятор — это накопитель энергии. Он содержит химические вещества, и ток является результатом реакций, происходящих между этими химическими веществами. Как и во всех химических реакциях, с повышением температуры увеличивается и скорость реакции. Эта повышенная скорость химической реакции может в определенной степени повысить производительность батареи. Если температура станет слишком высокой, это может привести к необратимому повреждению химических веществ (электролитов), что сократит срок службы батареи и количество циклов зарядки. В худшем случае происходит тепловой разгон.
При более низких температурах химические реакции в батарее замедляются. Внутреннее сопротивление батареи увеличивается, а ее способность вырабатывать большой ток по требованию уменьшается.
Это одна из причин, по которой в холодные дни автомобильный аккумулятор может иметь проблемы с выработкой тока, достаточного для эффективного запуска двигателя. При экстремально низких температурах электролиты внутри батареи могут даже замерзнуть, в результате чего батарея полностью перестанет функционировать.
В этом документе мы сосредоточимся в первую очередь на мониторинге температуры батареи на наличие высоких температур, так как это индикатор неисправности батареи и плохого состояния.
Что такое тепловой разгон и почему я должен о нем беспокоиться? Термический разгон возникает, когда тепло, генерируемое химической реакцией, не может рассеиваться достаточно быстро и еще больше подпитывает реакцию. Эта цепная реакция вызывает дальнейшее повышение температуры аккумулятора и разрушает элемент аккумулятора. Опасность возгорания и взрыва является более серьезной, чем повреждение батареи, которую затем необходимо заменить. Если батарея не может отводить тепло достаточно быстро, температура может быстро достичь точки кипения и даже выше.
Физические компоненты батареи могут расплавиться, могут выделяться взрывоопасные газы, может выбрасываться аккумуляторная кислота. При температуре около 160°C пластиковые компоненты батареи расплавятся.
Свинцово-кислотные аккумуляторы подвергаются экзотермической реакции во время зарядки. Это означает, что в результате химических реакций выделяется тепло. В нормальных условиях это тепло рассеивается. Но если батарея перезаряжена, зарядный ток может вывести воду из батареи. При разложении воды выделяется водород и кислород. Этот газ может пройти через положительную пластину. Если это так, то он реагирует, чтобы вернуться в воду. При этом выделяется тепло. Выделяющееся тепло вызывает повышение температуры батареи, что ускоряет скорость реакции. По мере увеличения скорости реакции ячейка батареи получает больше зарядного тока, что приводит к большему выделению газа, и поэтому процесс продолжается. Система мониторинга температуры батареи может проверять и предупреждать, если эта ситуация развивается.
Для эффективной и безопасной зарядки аккумулятора необходимо точно контролировать напряжение заряда. Идеальное напряжение заряда изменяется в зависимости от температуры. Использование датчика температуры аккумулятора в качестве входного сигнала для вашей системы зарядки позволяет принимать решения, регулирующие напряжение зарядки. По мере повышения температуры аккумулятора напряжение заряда должно уменьшаться.
На приведенном ниже графике показана регулировка напряжения в зависимости от температуры батареи. Без температурной компенсации при низких температурах батареи зарядное напряжение было бы слишком низким. Это приводит к недозарядке аккумулятора. В свинцово-кислотных батареях недозарядка приводит к повреждению из-за сульфатации. При высоких температурах напряжение заряда слишком велико. Это приводит к деградации положительной пластины внутри батареи. Оба эти условия приводят к сокращению срока службы батареи и снижению производительности.
Простая ручная система контроля температуры батареи предполагает, что кто-то физически проверяет группу батарей один или два раза в неделю. Это может сделать инфракрасная термометрическая пушка, и вы можете записать данные в электронную таблицу. Помните, что вы ищете не более 3°C разницы между температурой батареи и окружающей среды.
Датчик температуры клемм аккумуляторной батареи
В наши дни автоматизации, почему бы не установить постоянную систему круглосуточного контроля температуры аккумуляторной батареи? Самым простым является датчик температуры, установленный на отрицательной клемме аккумулятора. У вас будет график температуры, а с добавлением датчика температуры окружающей среды эти два параметра можно отобразить на одном графике и показать ∆T. Более продвинутые системы мониторинга аккумуляторов могут отслеживать температуру отдельных элементов, ток заряда, напряжение, а также ток и напряжение нагрузки.