دانلود پایان نامه مدلسازی دینامیکی و خصوصیات حرارتی باتری های لیتیوم یونی

1. مقدمه 2. مروری بر مقالات 3. رویکردهای تجربی و اکتساب داده ها 4. یک سیستم دینامیکی باتری ترمو مکانیکی کوپل شده جدید 5. اعتبارسنجی مدل باتری ترمو مکانیکی 6. ادغام مدل باتری با یک موتور BLDC 7. نتیجه گیری

چکیده – باتری های لیتیوم یونی، با فراهم کردن بستری برای ایجاد یک جامعه بی سیم، به هم متصل و عاری از سوخت فسیلی، انقلابی در زندگی روزمره ما بوجود آورده اند. علاوه بر آن، تقاضا برای باتری های یون لیتیومی افزایش چشمگیری پیدا کرده است، زیرا صنعت خودرو یک دنده در حرکت به سمت خودروهای الکتریکی، جلوتر رفته است. برای بهینه سازی توان و انرژی قابل تحویل توسط یک باتری، پیش بینی رفتار سلول تحت شرایط بارگذاری مختلف، ضروری است. با این حال، سلول های الکتروشیمیایی، سیستم های ذخیره انرژی پیچیده با دینامیک های ولتاژ غیرخطی می باشند. نیاز به مدل سازی دینامیکی دقیق سیستم باتری برای پیش بینی رفتار در زمان های مختلف هنگام تخلیه، داریم. مطالعه انجام شده در این تحقیق، یک مدل شهودی برای سلول های الکتروشیمیایی براساس یک شباهت مکانیکی را توسعه می دهد. این شباهت مکانیکی براساس سیستم فنر-جسم-میرا کننده سه درجه آزادی است که به مختصات های مودال تجزیه می شود که نماینده تخلیه کلی و همچنین انتقال جرم و اثر دو لایه ای سلول الکتروشیمیایی است. این سیستم دینامیکی برای تخمین ولتاژ ترمینال سلول ها، ولتاژ مدار باز و انتقال جرم و اثرات لایه مرزی، مورد استفاده قرار می گیرد. پارامترهای مودال با کمینه سازی خطای بین پاسخ های زمانی تجربی و شبیه سازی، تعیین می شوند. همچنین، این پارامترهای برآورد شده با یک مدل حرارتی تلفیق می شوند تا پروفایل های دمایی باتری های یون لیتیوم، پیش بینی شود. برای استخراج پاسخ های ولتاژ و دمایی دینامیکی، تست های «مشخصه یابی توان پالس هیبریدی» (HPPC) با افزودن ترموکوپل هایی جهت سنجش دما، انجام می شوند. مدل تزویج شده، پاسخ های ولتاژ و دما در نرخ های تخلیه مختلف را در محدوده 2.15% و 0.40% انحراف معیار خطا، برآورد کرد. علاوه برآن، برای اعتباریابی کارایی مدل باتری دینامیکی توسعه یافته در یک سیستم واقعی، یک بسته باتری ساخته می شود و به یک موتور DC بدون جاروبک (BLDC) و یک بار الکتریکی، متصل می شود. علاوه بر آن، بخاطر جهت قطب منحصربفردی که یک موتور BLDC دارد، یک بار دینامیکی پالسی (نوسانی) برروی بسته باتری سیستم، اعمال می کند. تست HPPC برروی پیل استفاده شده در بسته باتری انجام شد تا پارامترهای مدل کالیبره شوند. پس از کالیبره کردن مدل باتری، آزمایشات چرخش انجام می شود به نحوی که یک بسته باتری برای هدایت یک موتور BLDC رومیزی با یک ترمز مغناطیسی-روانه شناسی به عنوان یک بار برنامه پذیر در سرعت های اجرای مختلف، استفاده می شود. ولتاژ و جریان باتری و درایور موتور BLDC ثبت می شوند. در عین حال، سرعت و گشتاور موتور نیز ثبت می شوند. این داده ها با ولتآژ پیش بینی شده بسته باتری با استفاده از مدل همسانی مکانیکی، مقایسه شدند. این مدل، پاسخ ولتاژ یک بسته باتری را در انحراف معیار خطای 0.0385%، تخمین زد.

Lithium-ion batteries have revolutionized our everyday lives by laying the foundation for a wireless, interconnected and fossil-fuel-free society. Additionally, the demand for Li-ion batteries has seen a dramatic increase, as the automotive industry shifts up a gear in its transition to electric vehicles. To optimize the power and energy that can be delivered by a battery, it is necessary to predict the behavior of the cell under different loading conditions. However, electrochemical cells are complicated energy storage systems with nonlinear voltage dynamics. There is a need for accurate dynamic modeling of the battery system to predict behavior over time when discharging. The study conducted in this work develops an intuitive model for electrochemical cells based on a mechanical analogy. The mechanical analogy is based on a three degree of freedom spring-mass-damper system which is decomposed into modal coordinates that represent the overall discharge as well as the mass transport and the double layer effect of the electrochemical cell. The dynamic system is used to estimate the cells terminal voltage, open-circuit voltage and the mass transfer and boundary layer effects. The modal parameters are determined by minimizing the error between the experimental and simulated time responses. Also, these estimated parameters are coupled with a thermal model to predict the temperature profiles of the lithium-ion batteries. To capture the dynamic voltage and temperature responses, hybrid pulse power characterization (HPPC) tests are conducted with added thermocouples to measure temperature. The coupled model estimated the voltage and temperature responses at various discharge rates within 2.15% and 0.40% standard deviation of the error. Additionally, to validate the functionality of the developed dynamic battery model in a real system, a battery pack is constructed and integrated with a brushless DC motor (BLDC) and a load. Moreover, because of the unique pole orientation that a BLDC motor possesses, it puts a pulsing dynamic load on the battery pack of the system. HPPC testing was conducted on the cell that is used in the battery pack to calibrate the model parameters. After the battery model is calibrated, the rotation experiment is conducted at which a battery pack is used to drive a benchtop BLDC motor with a magnetorheological brake as a programable load at varying running speeds. The voltage and current of the battery and the BLDC motor driver are recorded. Meanwhile, the speed and the torque of the motor are recorded. These data are compared to the predicted voltage of the battery pack using the mechanical analogy model. The model estimated the voltage response of a battery pack within 0.0385% standard deviation of the error.