Zvyšování bezpečnosti bateriových systémů pomocí simulací v softwaru Ansys - 2.část

Tepelný management

V naší technické praxi se velmi často setkáváme s podceňováním ověření správného návrhu tepelného managementu bateriových systémů. V lepším případě se systém chlazení předimenzuje (zbytečně veliké ztráty energie na vlastní spotřebu), případně se jednotlivé bateriové články umístí v nadměrné vzdálenosti od sebe. Takovýto přístup je ale možné si dovolit v určité míře pouze u stacionárních instalací, kde není na prvním místě požadavek omezení rozměrů dané instalace.  V tom horším případě se tepelný management podcení a následně dochází k přehřívání, které i jako lokální problém má v konečném důsledku fatální následky na životnost baterií.   

Naše společnost TechSoft Engineering se výpočty chlazení bateriových systémů zabývá dlouhodobě. Nejčastěji využíváme CFD řešič umožňující výpočet přenosu tepla vedením, prouděním i zářením Ansys Fluent. Tento nástroj nám umožňuje s velikou přesností simulovat chlazení přirozenou či nucenou konvekcí pro libovolné chladicí médium. Máme za sebou celou řadu úspěšných projektů a také s tímto tématem pravidelně vystupujeme na konferencích.

Protože bezpečná funkce bateriových systémů je velmi závislá na teplotě, ať už z hlediska právě jejich životnosti nebo také výkonu, může špatný tepelný management nebo závada článku vést dokonce až k požáru bateriového systému. Všem výše zmíněným problémům jde přitom poměrně efektivně předcházet ověřením a optimalizací pomocí softwaru Ansys Fluent, který umožňuje mimo jiné provádět elektrické, elektrochemické a tepelné simulace bateriových systémů včetně kontroly správné funkce tepelného managementu.

Oblasti simulací tepelného managementu v softwaru Ansys Fluent lze rozdělit do těchto skupin:

1)  Tepelný dominový efekt a šíření tepla (thermal runaway and propagation)

2)  Tepelné zneužití (thermal abuse)

3)  Chlazení bateriových systémů

4)  Vnitřní a vnější zkrat

5)  Životnost baterie

6)  Vniknutí kapalin

Cílem tohoto článku je ale především přiblížení prvních dvou poměrně nových funkcionalit programu Ansys Fluent a to řešení tepelného dominového efektu a tepelného zneužití, tedy simulací nestandardního tepelného namáhání bateriových systémů v softwaru Ansys Fluent.

Základem CFD simulací je obecně řešení elektrochemismu a vývoje tepla v bateriových článcích. Oba dva tyto jevy jsou opět závislé na teplotě a obráceně, proto je třeba je řešit zároveň, zvláště při nadměrném tepelném namáhání. Software Ansys díky svým mimořádným schopnostem dokáže plně obsáhnout kompletní fyzikální chování bateriových systémů od elektrochemismu až po chlazení celých systémů. Elektrochemismus bateriových článků je zde přitom popsán pomocí jejich vybíjecích charakteristik a materiálových vlastností.

Simulace bateriových článků v Ansys Fluent je založena na modelu MSMD (multi-scale multi-domain). Tato metoda uvažuje celý článek jako ortotropní kontinuum, ve kterém jsou řešeny dvě rovnice potenciálu, což umožňuje podrobně popsat distribuci generovaného tepla v článku. Ansys Fluent dále obsahuje tři submodely lišící se komplexností popisu elektrochemismu bateriových článků a jejich použitím:

• Empirický model NTGK (Newman, Tiedemann, Gu and Kim)
• Model náhradního obvodu ECM (Equivalent Circuit Model)
• Newmanův Pseudo-2D model (P2D)

1) Tepelný dominový efekt a šíření tepla

Při zahoření bateriového článku (např. vlivem mechanického poškození atd.) může dojít k dominovému efektu šíření tepla a zahoření dalších článků. Tuto problematiku je možné simulovat v programu Ansys Fluent ze dvou pohledů:

• Šíření tepla v jednom článku
• Šíření tepla v celém bateriovém modulu

Simulace šíření tepla v jednom Li-ion článku při vnitřním zkratu je ukázána na obrázku 1.

Obrázek 1 - Porovnání měření a simulace při vnitřním zkratu Li-ion článku

Rozložení teplot uvnitř bateriového článku v jednotlivých časech simulace je na obrázku 2.

Obrázek 2 - Kontury teplot uvnitř Li-ion článku při vnitřním zkratu během v prvních 32,6 s simulace 

Obrázek 3 zobrazuje šíření tepla uvnitř bateriového modulu sestávajícího se ze 14 článků. . Vnitřní zkrat je uvažován uprostřed prvního článku.

Obrázek 3 - Kaskádní šíření průběhu teplot mezi jednotlivými články při vnitřním zkratu 1. článku 

Na obrázku 4 Je pak zobrazen vývoj tepla v jednotlivých článcích.  

Obrázek 4 - Šíření tepla v bateriovém modulu po zkratu v jednotlivých časech

Cílem simulace může být například návrh takové ochrany, která by kaskádovému šíření tepla zabránila. Obrázek 5 ukazuje rozdíl v šíření tepla v bateriovém modulu před a po přidání hliníkového plechu mezi jednotlivé články pro absorpci nadbytečného tepla. Obvykle se k tomuto používají tzv. Phase shifting materiály. Je zde patrné, že přidání tenčího plechu kaskádovému šíření tepla nezabrání, neboť teploty článků jsou vyšší než 500 °C.  Z porovnání výsledků simulace s měřením je vidět dobrá shoda při zachycení časů a teplot zahoření jednotlivých článků.

Obrázek 5 - Průběh teplot článků bez plechu, s hliníkovým plechem 0,8 mm a 3,2 mm na kaskádové šíření tepla

2) Tepelné zneužití

Zvýšení teploty bateriového článku může způsobit exotermickou reakci uvnitř baterie. Ansys Fluent má k dispozici dva modely simulující toto chování pomocí reakční kinetiky:

• Jednorovnicový model
• NREL čtyřrovnicový model

Obrázek 6 ukazuje výsledky simulace chování bateriového článku pro zatěžování různými teplotami. Z průběhu teplot je možné si všimnout, že k exotermní reakci dojde až při zahřátí článku na 150 °C.

Obrázek 6 - Porovnání výsledků simulace v programu Ansys Fluent a měření pro zatěžování bateriového článku různými teplotami. Z průběhu teplot je vidět, že k exotermní reakci dojde až při zahřátí článku na 150 °C

Průběhy simulovaných veličin při použití čtyřrovnicového NREL modelu poté znázorňuje obrázek 7.

Obrázek 7 - Vliv jednotlivých reakcí uvnitř baterie na její zahřívání. SEI – rozklad pevného rozhraní elektrolytu,

NE – reakce na anodě, PE – reakce na katodě, Electrolyte – rozklad elektrolytu

Jak je vidět z výsledků simulace a měření, i nepatrné zvýšení teploty může vést k exotermické reakci v bateriovém článku. Toto chování je ovšem možné pomocí simulace v softwaru Ansys Fluent bezpečně předpovědět a následně navrhnout potřebná opatření.

Závěr

Závěrem je nutné sdělit, že díky softwaru Ansys Fluent lze ověřit správnou funkci tepelného managementu bateriových systémů ještě ve fázi jejich návrhu a tím zabránit řadě škod vzniklých provozem nesprávně navržených zařízení. Samozřejmostí je také výrazné snížení nákladů na tvorbu neúspěšných prototypů, které se promítnou do zlevnění celého procesu testování a certifikaci konečného výrobku.

Autoři: Petr Pečený, Radek Fajtl, Jiří Teichman