Samsung R&D Institute sản xuất pin có độ bền cao hơn với STAR-CCM+ và Battery Design Studio

Sử dụng STAR-CCM+ và Battery Design Studio giúp các tổ chức nghiên cứu cung cấp gói pin lithium-ion battery an toàn và hiệu quả hơn.

Tài liệu đi kèm: Samsung-R-D-Institute-using-Battery-Design-Studio (VN)
                                Samsung-R-D-Institute-using-Battery-Design-Studio (ENG)

Thách thức doanh nghiệp

Sản xuất pin có mật độ năng lượng và độ bền cao hơn

Tăng tuổi thọ pin bằng cách tăng cường hệ thống quản lý nhiệt

Chìa khóa thành công

Sử dụng CFD để kiểm tra sự cân bằng giữa tổn thất áp suất trong các hệ thống mát và sự đồng nhất về nhiệt độ

Sử dụng mô phỏng để giúp pin có thể duy trì ở một phạm vi nhiệt độ hẹp.

Kết quả

Cung cấp gói pin lithium-ion an toàn, hiệu quả hơn

Nâng cao tính khả thi của xe điện

Thiết kế hệ thống nhiệt mới làm mát chất lỏng

Dự đoán độ nhạy cảm của hiệu suất nhiệt để ngăn cản tiếp xúc

Giảm biến đổi nhiệt bên trong pin

Viện R&D Samsung nâng cao tính khả thi của xe điện với các giải pháp Siemens PLM Software

Phát triển một hệ thống quản lý nhiệt tốt hơn

Việc sử dụng pin lithium-ion (Li-ion) đã làm cho chiếc xe điện trở thành hiện thực, vì vậy chúng ta có thể thấy sự chấp nhận rộng rãi của điện di động trong tương lai không xa. Tuy nhiên, đã có hơn một vài sự cố về pin Li-ion trong các phương tiện điện đốt cháy do hệ thống quản lý nhiệt bị lỗi (TMS) hoặc lạm dụng lái xe gập ghềnh. Điều này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc tìm kiếm các phương pháp mới để thiết kế có hiệu quả và chính xác TMS để điều khiển nhiệt độ và tối ưu hóa hiệu suất pin Li-ion.

Để giải quyết các thách thức này, Viện Nghiên cứu và phát triển Samsung ở Bangalore, Ấn Độ, phối hợp với Viện Công nghệ cao Samsung, Hàn Quốc, gần đây giới thiệu một bộ TMS mới, chất lỏng nguội cho các gói pin Li-ion lớn. Họ đã xây dựng mô hình nhiệt/ điện hóa 3D của các gói pin dự kiến. Mô phỏng cho thấy điện trở tiếp xúc có ảnh hưởng lớn nhất đến hiệu suất nhiệt của gói.

Vai trò của động lực học chất lỏng

Xem xét tính chất ba chiều của dòng chảy xung quanh các viên pin và sự thay đổi về không gian liên quan đến quá trình tạo nhiệt, thực tiễn mô phỏng các gói pin bằng mô phỏng động lực học chất lỏng tính toán (CFD) đã phát triển trở thành thiết kế hiệu quả và công cụ tối ưu để giải quyết các vấn đề quản lý nhiệt.

Đối với các gói pin lớn hoạt động với tốc độ xả cao thường được sử dụng trong xe điện (EVs) và xe điện hybrid (HEVs), các nghiên cứu CFD đã chỉ ra rằng làm mát bằng chất lỏng hiệu quả hơn làm mát bằng không khí, cho phép thiết kế pin nhỏ gọn và hiệu quả hơn.

Đóng hộp hình học và thiết lập thử nghiệm

Trong gói pin được trình bày trong hình 1, pin thương mại 18,650- cell Li-NCA/C được sử dụng. Các nguyên tố làm bằng kim loại có tính dẫn điện cao chuyển nhiệt từ các tế bào hình trụ đến kênh làm mát và cuối cùng là chất lỏng làm mát (trong trường hợp này là nước). Một gói thử nghiệm gồm 30 ô đã được chế tạo, với sáu ô liên tiếp và năm ô song song (xem hình 1).

Hình 1: Mô tả hình học của gói thử nghiệm và hệ thống quản lý nhiệt

Mô hình 3D CFD

Một mô tả hoàn chỉnh về sự tạo nhiệt đã thu được bằng cách xây dựng một mô hình điện hóa 3D dựa trên CFD của pin có thể được xác nhận với các kết quả thực nghiệm, sau đó được sử dụng để mô phỏng và đánh giá hiệu suất của TMS trong nhiều điều kiện hoạt động khác nhau.

Dự án này sử dụng hai sản phẩm Siemens PLM Software: phần mềm STAR-CCM+® và phần mềm Battery Design Studio™. STAR-CCM+ được sử dụng để mô phỏng dòng chảy và chuyển nhiệt liên hợp, trong khi Battery Design Studio được sử dụng để có được dữ liệu đầu vào điện hóa. Sự kết hợp này được sử dụng để mô phỏng hiệu suất của pin.

Dự báo nhiệt độ chính xác từ một viên pin đơn

Mô hình 3D TMS được sử dụng để tính toán hiệu suất của pin đại diện. Có thể thấy sự khác biệt nhiệt độ trung bình giữa các viên pin nóng nhất và lạnh nhất là chỉ 5 Kelvin (°K). Quan sát một mẫu chính xác về sự gia tăng nhiệt độ, tác giả nhận ra rằng một hệ số nhiệt độ xác định đúng có thể dự đoán nhiệt độ  của các  viên  pin  khác dựa trên nhiệt độ của một viên pin.

Tốc độ dòng chảy làm mát là rất quan trọng

Trong xe điện, năng lượng để vận hành TMS bắt nguồn từ năng lượng trích ra từ pin . Giảm nhu cầu năng lượng cho TMS làm khô cạn pin, do đó tối ưu hóa tốc độ dòng nước làm mát, đó là điều cần thiết. Mô hình STAR-CCM+ cho thấy rằng nhiều lượng nhiệt được lưu trữ trong pin khi tình trạng tốc độ dòng chảy làm mát thấp hơn, cho thấy vận tốc dòng chảy thấp hơn, ít nhiệt được chuyển vào chất làm mát.

Trong hầu hết các gói pin, sự thay đổi nhiệt độ tối đa được giới hạn ở 3 °K dọc theo dòng chảy. Mô hình thí nghiệm dễ dàng đáp ứng được giới hạn 3 °K và có thể làm mát một cách hiệu quả ngay cả ở vận tốc dòng chảy thấp.

Các vật liệu như graphene được sử dụng trong TMS nhỏ gọn, là một vật liệu mới nhưng đắt tiền. Các kết quả trong hình 2 cho thấy sự gia tăng nhiệt độ trong pin sử dụng thí nghiệm TMS theo cùng thứ tự như các báo cáo trong các tài liệu nghiên cứu sử dụng graphene như một hệ thống quản lý nhiệt dựa trên vật liệu thay đổi pha (PCM). Mặc dù TMS dựa trên PCM là nhỏ gọn, TMS mới này không yêu cầu vật liệu mới lạ và do đó có thể được sản xuất với chi phí thấp hơn.

Hình 2: Sự gia tăng nhiệt độ trong một gói đầu tiên của một loạt các viên pin là hàm số của tốc độ xả thải .9 Celsius (°C) và điện trở tiếp xúc là .0025 (m2.°K)/W.

Mô phỏng cho thấy rằng điện trở tiếp xúc có ảnh hưởng lớn nhất đến hiệu suất nhiệt của gói.

Kết luận

Bằng cách sử dụng mô hình chức năng CFD-based TMS được tạo nên với STAR-CCM+ và Battery Design Studio, kết quả mô phỏng và phép đo thực nghiệm đã được thống nhất, xác nhận mô hình dựa trên thí nghiệm chính xác đến hơn 90%. Các gói pin đại diện được xây dựng bằng cách sử dụng tính đối xứng của tổng số gói đã được mô phỏng thành công, cùng với TMS, làm giảm chi phí tính toán.

Kể từ khi TMS hoạt động hiệu quả và an toàn hơn dưới điều kiện nghiêm ngặt, nó là ứng viên thích hợp cho các gói pin Li-ion lớn được sử dụng trong xe điện.

Mô hình STAR-CCM+ cho thấy rằng nhiều lượng nhiệt được lưu trữ hơn trong các gói pin khi tình trạng vận tốc dòng chảy làm mát thấp hơn, cho thấy vận tốc dòng chảy thấp hơn, ít nhiệt được chuyển vào chất làm mát.

Đối với các gói pin lớn hoạt động với tốc độ xả cao thường được sử dụng trong xe điện (EVs) và xe điện hybrid (HEVs), các nghiên cứu CFD đã chỉ ra rằng làm mát bằng chất lỏng hiệu quả hơn làm mát bằng không khí, cho phép thiết kế pin nhỏ gọn và hiệu quả hơn.

Giải pháp/Dịch vụ

Lĩnh vực kinh doanh chính của khách hàng

Samsung nhấn mạnh sự đổi mới và nghiên cứu phát triển (R&D) bởi nó là điều thiết yếu để kinh doanh. Để đưa vào văn hoá đổi mới toàn cầu và địa phương, Viện Nghiên cứu Samsung đã có một số trung tâm R&D chiến lược phát triển trên toàn cầu, bao gồm ba ở Ấn Độ: Bangalore, Delhi và Noida. Samsung R&D Bangalore là trung tâm R&D lớn nhất của Samsung Electronics.
www.samsung.com/in/about- samsung/samsungelectronics/ india/rnd

Tham khảo web: https://adtsystems.vn/ để biết thêm chi tiết

Theo dõi facebook: https://www.facebook.com/ADTSystemsVietnam/

Chia sẻ bài đăng này
  , , , , , , , , ,


Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *