طراحی پک باتری در دهه اخیر از یک فعالیت مهندسی ساده به یک حوزه چندرشتهای پیچیده تبدیل شده است. رشد سریع وسایل نقلیه برقی، سامانههای ذخیرهسازی انرژی، تجهیزات قابل حمل و زیرساختهای هوشمند باعث شده است که باتریها به قلب فناوریهای نوین تبدیل شوند. در چنین شرایطی، طراحی پک باتری دیگر نمیتواند بر پایه تجربه یا روشهای سنتی انجام شود. رفتار الکتریکی، حرارتی و مکانیکی باتریها بهقدری پیچیده است که بدون ابزارهای دقیق شبیهسازی، تصمیمگیری طراحی عملاً غیرممکن میشود. این مقاله به بررسی نقش ابزارهای دیجیتال در طراحی پک باتری و معرفی چهار نرمافزار کلیدی در این حوزه میپردازد: Batemo Pack Designer، EnPower، ANSYS و COMSOL.
چرا شبیهسازی در طراحی پک باتری ضروری است؟
پک باتری یک سیستم چندبعدی است که رفتار آن تحت تأثیر عوامل مختلفی مانند جریان، دما، مقاومت داخلی، چیدمان سلولها، سیستم خنککاری و بارهای مکانیکی قرار دارد. کوچکترین خطا در طراحی میتواند منجر به مشکلاتی مانند افزایش دما، کاهش عمر، افت توان یا حتی runaway حرارتی شود. از سوی دیگر، ساخت نمونه اولیه و انجام تستهای فیزیکی بسیار پرهزینه و زمانبر است. شبیهسازی این امکان را فراهم میکند که رفتار پک در شرایط واقعی پیش از ساخت نمونه اولیه بررسی شود و طراحی بهینه گردد.
شبیهسازی نهتنها هزینهها را کاهش میدهد، بلکه سرعت توسعه محصول را افزایش میدهد و ریسکهای طراحی را به حداقل میرساند. در بسیاری از پروژههای صنعتی، شبیهسازی دقیق توانسته است از شکستهای پرهزینه جلوگیری کند و مسیر توسعه محصول را کوتاهتر کند. در ادامه با چند ابزار شبیه سازی که در طراحی باتری و پک نیز بکار می روند، آشنا می شویم.
شبیهسازی الکتریکی–حرارتی با دقت بالا؛
Batemo Pack Designer
Batemo Pack Designer یکی از دقیقترین ابزارهای شبیهسازی پک باتری است که بر پایه مدلهای فیزیکی توسعه یافته است. این مدلها رفتار سلولهای لیتیومیون را در شرایط مختلف دما، جریان و SOC بازتولید میکنند. دقت بالای مدلها باعث شده است که Batemo به یکی از ابزارهای محبوب در شرکتهای خودروسازی و تولیدکنندگان پک باتری تبدیل شود.
ورودیهای Batemo شامل مدل سلول، پیکربندی پک، پروفایل بار و شرایط حرارتی است. خروجیهای آن شامل ولتاژ پک، جریان سلولها، توزیع دما، نقاط داغ، مقاومت داخلی و تحلیل عمر است. یکی از ویژگیهای مهم Batemo، امکان خروجیگیری برای MATLAB/Simulink است که آن را برای توسعه BMS بسیار مناسب میکند.
یکی از تحلیلهای کلیدی در Batemo، بررسی اثر مقاومت داخلی بر رفتار پک است. افزایش مقاومت داخلی باعث افزایش افت ولتاژ و تولید حرارت میشود. در یک پروژه صنعتی، پک باتری در تست حرارتی دچار افزایش دما شد. شبیهسازی با Batemo نشان داد که مقاومت داخلی سلولها در دمای بالا افزایش مییابد و این افزایش باعث تولید حرارت بیشتر میشود. با تغییر سلول و اصلاح سیستم خنککاری، مشکل برطرف شد. این تجربه نشان میدهد که شبیهسازی دقیق میتواند از شکستهای پرهزینه جلوگیری کند.
همانطور که در شمای سایت Batemo مشاهده می کنید این پایگاه امکانات شبیه سازی کاملی در تمام ابعاد کاربرد باتریها ارائه می دهد.
انتخاب سلول و طراحی اولیه پک؛
EnPower
انتخاب سلول یکی از مهمترین مراحل طراحی پک باتری است. این انتخاب تعیین میکند که پک از نظر توان، انرژی، عمر، ایمنی و هزینه در چه سطحی قرار خواهد گرفت. EnPower یک نرمافزار تحت وب است که امکان انتخاب سلول، طراحی اولیه پک و شبیهسازی سریع عملکرد آن را فراهم میکند. این نرمافزار یک پایگاه داده گسترده از سلولهای لیتیومیون دارد و امکان مقایسه دقیق آنها را فراهم میسازد.
ورودیهای EnPower شامل انتخاب سلول، پیکربندی پک، پروفایل بار و شرایط محیطی است. خروجیهای آن شامل ولتاژ پک، جریان سلولها، افت ولتاژ، توان خروجی و دمای سلولها است. یکی از ویژگیهای مهم EnPower، امکان شبیهسازی عملکرد سلول در پروفایلهای بار مختلف است.
در یک پروژهESS، سلولی انتخاب شده بود که در توان بالا لحظهای عملکرد خوبی داشت، اما در اعمال توان بالا پیوسته دچار افزایش دما میشد. شبیهسازی با EnPower نشان داد که این سلول برای ESS مناسب نیست. با تغییر سلول، مشکل برطرف شد. البته شایان ذکر است این پایگاه شبیه سازی نه تنها برای باتری بلکه در موارد دیگر نیز مورد کاربرد است و برخلاف Batemo تماما برای باتری ها بکار نمی رود.
تحلیل مکانیکی و استحکام پک باتری؛
ANSYS
در طراحی پک باتری، تحلیل مکانیکی یکی از بخشهایی است که معمولاً کمتر مورد توجه قرار میگیرد، اما در پروژههای واقعی، یکی از اصلیترین دلایل شکست پکها، مشکلات مکانیکی است. لرزش، ضربه، تغییر شکل، انبساط حرارتی و فشار داخلی سلولها میتوانند عملکرد پک را مختل کنند یا حتی باعث خرابیهای خطرناک شوند.
ANSYS یکی از قدرتمندترین ابزارهای تحلیل مکانیکی و حرارتی است. این نرمافزار امکان تحلیل تنش، تغییر شکل، ارتعاش، ضربه و انتقال حرارت را فراهم میکند. ورودیهای ANSYS شامل مدل سهبعدی پک، خواص مواد، شرایط مرزی حرارتی و بارهای مکانیکی است. خروجیهای آن شامل توزیع تنش، تغییر شکل، نقاط بحرانی و توزیع دما است. البته این نرم افزار نیز صرفا کاربرد باتری ندارد.
در یک پروژه خودرو برقی، براکت نگهدارنده ماژولها در فرکانس خاصی دچار رزونانس میشد. تحلیل با ANSYS نشان داد که این رزونانس باعث افزایش تنش و شکست براکت میشود. با اصلاح طراحی، مشکل برطرف شد.
تحلیل حرارتی و CFD؛
COMSOL Multiphysics
مدیریت حرارتی یکی از مهمترین چالشها در طراحی پک باتری است. افزایش دما میتواند باعث کاهش عمر، افزایش مقاومت داخلی، کاهش توان و حتی runaway حرارتی شود. COMSOL Multiphysics یکی از قدرتمندترین ابزارهای تحلیل حرارتی و CFD است که امکان شبیهسازی دقیق سیستمهای خنککاری را فراهم میکند.
البته این ابزار کاربرد وسیعی در دیگر صنایع دارد و با توجه به اهمیت باتری لیتیومی، زیر ساختهای برای باتری نیز توسعه داده شده است.
ورودیهای COMSOL شامل مدل سهبعدی پک، خواص مواد، شرایط مرزی حرارتی و جریان هوا یا مایع است. خروجیهای آن شامل توزیع دما، جریان هوا یا مایع، نقاط داغ و نرخ انتقال حرارت است.
ابزارهای طراحی هندسی پک؛
CAD
طراحی هندسی پک یکی از اولین و مهمترین مراحل طراحی است. چیدمان سلولها، ساختار ماژولها، مسیرهای خنککاری و استحکام مکانیکی همگی به طراحی هندسی بستگی دارند. ابزارهای CAD مانند SolidWorks و CATIA امکان طراحی دقیق هندسه پک را فراهم میکنند. البته این ابزار نیز در مهندسی جز ابزار عمومی قرار دارد و مهندسین در طراحی های باتری نیز استفاده می کنند.
در این مقاله به این مسئله که طراحی پک باتری یک فرآیند چندفیزیکی پیچیده است و نیازمند ابزارهای دقیق شبیهسازی و تحلیل است پرداخته شد.
به برخی از ابزار شبیه سازی که در طراحی باتری و پک مورد استفاده قرار می گیرد به طور گذرا اشاره شد. از مهمترین ابزار در این حوزه به Batemo Pack Designer، EnPower، ANSYS و COMSOL اشاره شد و اینکه هرکدام نقش مهمی در فرآیند طراحی می توانند داشته باشند. استفاده از آنها میتواند ریسکهای طراحی را کاهش دهد، هزینهها را کم کند و سرعت توسعه محصول را افزایش دهد. در نهایت، ترکیب این ابزارها با تجربه مهندسی و تحلیلهای دقیق میتواند منجر به طراحی پکهایی شود که ایمنتر، کارآمدتر و قابل اعتمادتر هستند.
منابع:
Batemo GmbH – Official Product Documentation
MathWorks – Batemo Cell Models for Simulink
ANSYS Battery Simulation Resources
COMSOL Multiphysics Battery Design Module
SolidWorks & CATIA Battery Pack Design Case Studies
Battery Industry Technical Reports & Whitepapers
بیشتر بخوانید:
