Mugikortasunaren sektoreari dagokionez, bateria elektrokimikoak energia biltegiratzeko teknologia dira gaur egun, eta errepide bidezko garraioa deskarbonizatu dezake, IEEEren Garraioa Elektrifikatzeko Kontseilu ospetsuaren State of the Art Battery Technology for Automotive Application txostenak adierazten duen bezala.

Ibilgailu elektrikoen garapena mugatzen duten faktoreetako bat tenperaturak baterien errendimenduan duen inpaktu larria da. Funtzionamendu-tenperatura desegokiak behar baino lehenago zahartzea, gaitasuna galtzea eta ondorio latzak ere eragin ditzake, ihes termiko bat sortzen bada. Baterien narriadura azeleratua saihesteko, BTMSren (Battery Thermal Management System) helburua gelaxkek tenperatura-baldintza egokietan funtzionatzen dutela bermatzea da, normalean 15 eta 35 artean. C, litiozko ioien baterien kasuan (LIB). Hala ere, ohiko gidatze-zikloek oso ingurune energetiko dinamikoa ezartzen diete bateriei, eta horrek tenperaturaren kudeaketa zailtzen du.

Hor du garrantzia modelizazio termikoko estrategiak. Litio-ionezko bateriak beroa isurtzen duten prozesu elektrokimiko konplexuen bidez zuzentzen dira. Horren ondorioz, bateriaren tenperatura denboran zehar banatzen da, eta horri esker dagokion BTMS doitu daiteke. Hala ere, eremu elektrikoa eta eremu termikoak elkarri eragiten dioten hainbat fenomenorekin lotuta daude, eta, beraz, ondoriozko tenperaturaren banaketak eredu elektrikoa elikatu behar du etengabe itxitako begizta batean. Efektu horiek alde batera uzteak BTMSren diseinua gaindimentsionatzea ekar dezake.

Erronka horren esparruan, CIC energiGUNEko Biltegiratze Termikoaren (TES) eremuak, Biltegiratze Elektrokimikoaren (EES) arloarekin lankidetzan, metodologia integral bat garatu du karga-baldintza oso dinamikoetan gelaxka zilindrikoen bero-fluxuaren sorrera zenbatesteko.

Modelizazio termikoko estrategia

Gelaxka elektrokimikoen tenperatura kalkulatzeko teknikak bi modelo erabiltzean datza, bata elektrikoa eta bestea beroa transferitzekoa. Bestela esanda, eredu elektrotermiko akoplatu bat behar da.

• Eredu elektrikoa:

Eredu elektrikoa bateriaren barruko potentzial elektrikoaren banaketaz eta portaeraz arduratzen da. Eredu hau funtsezkoa da bateriaren barruan gertatzen diren erreakzio elektrokimikoak ulertzeko, zuzenean eragiten baitiete bere errendimenduari eta tenperaturari. Korronte-fluxua, barne-erresistentzia eta erreakzio elektrokimikoak bezalako faktoreek bateriaren barruan beroa sortzen laguntzen dute.

Modelizazio-estrategiaren arabera, eredu horiek hiru taldetan sailka daitezke: fisikan oinarritutako eredu elektrokimikoak (kutxa zuriko ereduak ere esaten zaie), kutxa griseko ereduak eta datuetan edo kutxa beltzean oinarritutako ereduak.

Datu handien garaia iristean, litekeena da ikuspegi fisikoak datuetan oinarritutako ikuspegiekin konbinatuta gero eta ohikoagoak izatea. Eredu zehatz batean fisikan eta datuetan oinarritutako tekniken konbinazioak planteatzen dituen arazoak konpontzen dituen bitartean, kudeaketa termikoko aplikazio askok denbora errealean zirkuitu baliokideen ereduetan (ECM) oinarritzen jarraitzen dute. Ereduak eta parametroen balioak optimizatuz gelaxken tentsioak neurtzeko eta aurreikusteko duten gaitasuna oso ondo egokitzen zaio BTMSko kontrol-algoritmoen diseinuari.

• Eredu termikoa:

Eredu termikoa bateriaren barruko beroaren banaketan eta disipazioan oinarritzen da. Beroa gelaxkaren osagaien bidez (modelo kontzentratuak, banatuak edo heterogeneoak) bateriaren barruan transferitzeko moduari buruzko hipotesi fidagarriak funtsezkoak dira haren tenperatura kudeatzeko, eta horrek, aldi berean, eragina du haren errendimenduan, segurtasunean eta bizitza-luzeran.

Tenperatura kalkulatzeko tekniken artean, kondentsadoreetan eta erresistentzia termikoetan oinarritutako modelorik errazenek sistema elektrikoen eta termikoen arteko analogia erabiltzen dute. Parametro globalen ereduak ere esaten zaie, eta batez besteko tenperaturak aurreikustea baino ez dute ahalbidetzen, bateriaren tenperaturaren banaketa espazioan uniformea ez dela izan alde batera utzita. Muga hori gainditzeko, CFD eredu termiko tridimentsionalek (3D) sistema geometriko konplexuak landu ditzakete.

Bi norabideko akoplamendua

Eredu elektriko eta termikoen elkarrekiko konexioa dela eta, nolabaiteko akoplamendua behar da. ECMren (zirkuitu baliokideen ereduak) eta CFDren (hiru dimentsioko eredu termikoak) arteko norabide bakarreko akoplamenduak, adibidez, gelaxkak igorritako bero-fluxuan CFD bero-transferentziaren ereduan tenperatura-aldaketak dituen ondorioak gutxiesten ditu. Ikuspegi hori kalkulu-prozesua sinplifikatzeko erabili ohi da.

CIC energiGUNEren Biltegiratze Termikoaren (TES) eremuak 18650 Li-ion bateria baten gaineko kosimulazio-ikuspegian oinarritutako bi norabideko eredu akoplatu bat baliozkotu du. Eredu hau Matlab-Simulink ® ereduan garatutako 1D lumped (ECM) modelo bat da, Ansys-Fluent ® modeloan CFD 3D eredu termiko batekin, berrelikatzeko begizta bat osatuz.

Simulink ® sistemak diseinatzeko erabiltzen den bloke-diagramen ingurune ezaguna da. Simscape Battery tresna-kaxaren azpian parametrizatutako diseinu-tresnak eta ereduak eskaintzen ditu, bateriak modelatzeko eta BTMS kontrol-algoritmoak probatzeko. Horrek erraztu egiten du zamalanetako proben sekuentzia oso dinamikoa ezartzea, eta horrek esan nahi du ohiko zamalanetako ziklo konstanteek baino funtzionamendu-baldintza errealistagoak dituztela.

Bestalde, Ansys-Fluent-en modelizazio fisikorako gaitasun aurreratuek bero-transferentziako mekanismoen soluzioa barne hartzen dute, hala nola, eroapena, konbekzioa eta erradiazioa zehaztasun handiagoz parametro globalen ereduekin alderatuta, horietan estimazioak behar baitira fenomeno horiek modelizatzeko.

ECM modeloak 3Dko CFD eredu termiko batekin konbinatzea tresna indartsua da BTMSren diseinuan eragina duten agertoki konplexuak irudikatzeko, eta bateriaren bizitza baliagarria eta errendimendua hobeto iragartzea ere ekar dezake.

Proba esperimentalen eta simulazio-modelatuaren arteko etengabeko prozesu iteratiboak BTMSren hurrengo belaunaldia ekarriko du, eta, azken finean, energia biltegiratzeko teknologien aurrerapen iraunkorrari lagunduko dio.