Hệ thống Web được phát triển trên nền Joomla 3.xx bởi Đinh Quyết Đào tạo ANSYS, Đào tạo Cơ khí, Đào tạo SolidWorks Đinh Văn Quyết Học SolidWorks Monmin đồ chơi an toàn đồ chơi giáo dục Đồ chơi tự kỷ Giáo dục sớm Montessori MONMIN Mấu leo núi Xà đu đa năng Đồ chơi tự kỷ< a href="https://www.monmin.net/">Giáo dục sớm Montessori

Mô phỏng trong quản lý hệ thống Pin xe điện

Bởi Benjamin Ahrenholz, Trưởng phòng CAE, Volkswagen Motorsport GmbH, Hannover, Đức

Các ngành công nghiệp điện khí hóa bao gồm các ứng dụng về độ linh động điện và phát điện phân tán đòi hỏi nguồn pin lớn. Đây cũng là điều hiển nhiên đối với các ứng dụng giao thông đang phát triển nhanh chóng như ô tô và máy bay không người lái. Điều này thúc đẩy nhiều ngành công nghiệp sản xuất nhiều loại pin đạt được ưu thế vượt trội về lưu trữ năng lượng và phát triển nhiều máy bay điện hơn. Đây không phải là loại pin đơn lẻ mà là các bộ phận phức tạp của một hệ thống lớn hơn, hoạt động tối ưu để đảm bảo việc sử dụng năng lượng an toàn và hiệu quả. Hệ thống quản lý pin (BMS) bao gồm cả phần cứng và phần mềm nhúng để theo dõi và kiểm soát pin nạp, cung cấp nguồn năng lượng đáng tin cậy cho các ứng dụng phức tạp. Gói giải pháp ANSYS cho phần mềm nhúng với tính năng phân tích chức năng cho phép BMS phát triển với khả năng vận hành pin an toàn, hiệu quả và đáng tin cậy.

Quản lý hệ thống pin

“Sự kết hợp nhiều công cụ mô phỏng này rất cần thiết để tạo ra nguyên mẫu cho BMS bởi trong tương lai sẽ có ngày càng nhiều hệ thống phụ thuộc vào năng lượng pin.”

Theo số liệu thống kê của Statista, trong thị trường ô tô nói chung, xe điện (EVs) dự kiến sẽ tăng từ 1% vào năm 2017 lên 14% vào năm 2025. Các nhà sản xuất ô tô lớn đang phát triển các loại phương tiện có thể cạnh tranh trong thị trường đang phát triển này. Ngày càng có nhiều phương tiện sử dụng động cơ điện với các ắc quy lớn để cung cấp năng lượng cho động cơ, hệ thống điều hòa không khí, sưởi ấm và hệ thống giải trí trong ô tô. Do đó, việc theo dõi và duy trì hoạt động của hệ thống ắc quy sẽ là công việc rất quan trọng. Các kỹ sư đang phát triển hệ thống quản lý pin (BMS) để đảm bảo hệ thống pin này vận hành trơn tru hơn. Điều này đòi hỏi phải sử dụng các công cụ phần mềm tiên tiến, hiện đại.

CHỨC NĂNG CHÍNH CỦA BMS

BMS là một trung tâm phức tạp của chiếc xe điện, được điều khiển dựa trên phần mềm. Hệ thống này có trách nhiệm theo dõi nhiệt độ và điện áp pin, đảm bảo các điều kiện hoạt động hiệu quả; giám sát trạng thái kết nối hệ thống; đo dòng điện; tính toán tình trạng nạp (SOC: State of Charge) và tình trạng sức khỏe (SOH: State of Health); cân bằng đầu vào và đầu ra điện giữa các pin; và thiết lập kết nối giữa pin và hệ thống truyền động hoặc hệ thống sạc; và thực hiện các chức năng khác.

Nhìn chung, BMS đảm bảo xe chạy bằng pin vận hành trơn tru và an toàn ở điều kiện hiệu suất tối ưu. Hệ thống này cấp năng lượng tới những nơi sử dụng hiệu quả nhất và thông báo trước cho người vận hành các vấn đề tiềm ẩn. Trong trường hợp xấu nhất, BMS có thể ngắt kết nối trực tiếp với pin trong hệ thống để ngăn ngừa thiệt hại hoặc sự cố nghiêm trọng có thể gây nguy hiểm cho hành khách trên xe.

Thiết kế một trung tâm điều khiển như vậy là một đề xuất đầy thách thức. Gói giải pháp ANSYS giúp các kỹ sư thiết kế BMS trong suốt quá trình phát triển và quản lý hệ thống này trong môi trường hoạt động theo thời gian thực. Gói giải pháp ANSYS quản lý pin bao gồm các mô phỏng dựa trên tính chất vật lý để phát triển chế độ hiển thị hệ thống pin, trong đó có ANSYS Twin Builder, ANSYS medini analyze và mã nhúng ANSYS SCADE.

TÍNH NĂNG ANSYS MEDINI ANALYZE VÀ MÃ NHÚNG SCADE ĐẢM BẢO ĐỘ AN TOÀN CHO PIN

Mô hình hóa với ANSYS Twin Builder

Tính năng ANSYS medini analyze thực hiện các quy trình phân tích an toàn quan trọng theo quy định phù hợp với các tiêu chuẩn khác nhau trong mỗi ngành (bao gồm công cụ phân tích nguy hiểm và khả năng vận hành [HAZOP], phân tích cây sai phạm [FTA], phân tích tác động sai phạm [FMEA], phân tích chuẩn đoán và tác động sai phạm [FMEDA]. Đối với hệ thống ô tô, công cụ này kiểm tra xem phần mềm BMS có đáp ứng tiêu chuẩn an toàn chức năng ISO 26262 đối với phương tiện giao thông đường bộ hay không.

Phân tích an toàn bắt đầu từ việc xác định và thể hiện các chức năng và sự cố của BMS. Khi đã phát hiện ra sai hỏng, phân tích nguy hiểm và rủi ro (HARA) được thực hiện để xác định các sự cố nguy hiểm và tác động của chúng đối với độ an toàn bằng cách xác định mức độ toàn vẹn an toàn của ô tô (ASIL) cũng như các mục tiêu và yêu cầu an toàn tương ứng. Một số chức năng của BMS đòi hỏi quy trình phát triển nghiêm ngặt, lên đến ASIL D, mức an toàn cao nhất trong ISO 26262.

Đòi hỏi này dẫn đến các nhu cầu an toàn rất khắt khe đối với phần mềm.

Một BMS thường có cấu trúc gồm 3 phần:

  • Một bộ pin (ngăn xếp pin) chứa một số pin riêng lẻ
  • Hộp công tắc
  • Bộ điều khiển điện tử (SCU), bao gồm bộ điều khiển phần mềm để theo dõi điện áp, dòng điện và nhiệt độ của pin.

Có thể tạo và xác minh tự động phần mềm nhúng trong ECU bằng bộ công cụ ANSYS SCADE. Dòng sản phẩm SCADE cung cấp môi trường phát triển dựa trên mô hình cho các phần mềm nhúng quan trọng, chẳng hạn như hệ thống điều khiển chuyến bay và động cơ. SCADE Suite giúp giảm đáng kể chi phí chứng nhận dự án bằng cách đơn giản hóa thiết kế ứng dụng kiểm soát quan trọng và tự động xác minh, tạo mã đủ điều kiện/ được chứng nhận và tạo tài liệu. Công cụ này tạo ra phần mềm nhúng được chứng nhận theo các tiêu chuẩn công nghiệp khác nhau, bao gồm DO-178C cấp A đối với ngành hàng không vũ trụ, ISO 26262:2011 cấp ASIL D đối với ngành ô tô, và IEC 61508 2010 cấp SIL 3 đối với độ an toàn chức năng của hệ thống điện tử.

Mô phỏng phần mềm với SCADE Rapid Prototyper

MÔ PHỎNG MULTIPHYSICS TỐI ƯU HÓA PIN

Các loại pin phổ biến nhất hiện có đều dựa trên công nghệ Li-on nhưng các nhà nghiên cứu vẫn không ngừng khám phá các vật liệu khác giúp tiết kiệm năng lượng hơn, không bị quá tải nhiệt và dễ cháy.

Sau khi khám phá được một hệ thống, các nhà khoa học phải tiến hành tìm hiểu về các quy trình cơ bản của mỗi hệ thống vật liệu. Do mỗi vật liệu có đặc tính nhiệt, cấu trúc, điện từ, và điện hóa riêng biệt, các giải pháp đa nền tảng vật lý (multiphysics) ANSYS sẽ giúp mô hình hóa triệt để hệ thống pin. Các nhà sản xuất pin OEM và các nhà cung cấp của họ sử dụng kết hợp các phần mềm với nhau, trong đó, sử dụng ANSYS Fluent để thiết kế pin, quản lý nhiệt và quá trình tỏa nhiệt; sử dụng ANSYS Mechanical đối với các ứng suất và biến dạng cấu trúc gây ra bởi hệ thống sưởi và làm mát vi sai; và sử dụng ANSYS Twin Builder để lập mô hình cấp hệ thống cho hoạt động của bộ pin. Giải pháp hoàn chỉnh giúp các kỹ sư tính toán tất cả các thay đổi vật lý trong suốt vòng đời thiết kế, sản xuất và vận hành của pin.

Fluent cung cấp phân tích động lực học chất lỏng tính toán 3D dựa trên cách tiếp cận đa chiều (MSMD-multiscale, multidimensional). Cách tiếp cận này có hiệu quả đối với mô phỏng CFD từ cấp độ của vật liệu thông qua cặp điện cực đến bộ pin đã hoàn thành, có kích thước khuếch đại lên tới 10 cấp. Fluent có ba mô hình điện hóa khác nhau để tối ưu hóa việc phát điện của hệ thống pin.

Fluent cũng có thể được sử dụng để phân tích dòng nhiệt giữa các pin và mô-đun trong pin để xác định nhiệt độ của các gói pin tế bào hình lăng trụ hoặc các gói pin hình trụ trong các điều kiện làm mát cưỡng bức khác nhau. Cần kiểm soát nhiệt độ của pin Li-ion để tránh pin quá nóng, và dễ bắt lửa.

Khi nhiệt độ ở các bộ phận khác nhau của pin thay đổi trong quá trình hoạt động, các loại vật liệu sẽ giãn nở và co lại khác nhau do hệ số giãn nở nhiệt khác nhau. Sự giãn nở và co lại này có thể tạo ra các ứng suất nén hoặc căng trên các thành phần của pin. Điều này có thể dẫn đến biến dạng hoặc hỏng hóc khi biến dạng cảm ứng vượt quá mức giới hạn đối với một loại vật liệu nhất định. Mô phỏng đa nền tảng vật lý hai chiều kết hợp giữa Mechanical và Fluent có thể theo dõi tác động của nhiệt độ lên cấu trúc để đảm bảo rằng các thành phần của pin có thể chịu được mọi ứng suất do nhiệt gây ra.

Trong trường hợp xấu, chẳng hạn như khi xe điện gặp phải sự cố va chạm, việc sử dụng nhiệt pin quá mức là vấn đề đáng lo ngại. Trước tiên, lỗi cấu trúc làm giảm điện trở tiếp xúc trong vùng pin bị ảnh hưởng. ANSYS Mechanical có thể mô phỏng lỗi cấu trúc trong các điều kiện này và xác định xem thiết kế mới có tránh được sự cố trên hay không. Tiếp theo, các phản ứng điện hóa trong bin hỏng sinh ra nhiệt, có thể dẫn đến sự thoát nhiệt nếu tốc độ sinh nhiệt vượt quá tốc độ tản nhiệt. Mô phỏng Fluent có thể giúp các kỹ sư thiết kế pin có khả năng chống sử dụng nhiệt quá mức. Một lần nữa, tương tác đa nền tảng vật lý của Mechanical và Fluent sẽ cung cấp cho các kỹ sư một bức tranh hoàn chỉnh về phản ứng cấu trúc, nhiệt và điện hóa của pin đối với những thay đổi nhanh chóng, xảy ra trong điều kiện va chạm bất ngờ.

Cuối cùng, khi tất cả các thành phần của hệ thống pin đã sẵn sàng để kết nối, ANSYS Twin Builder có thể mô phỏng quy trình hoạt động đồng thời để đạt được hiệu suất tối ưu. Các thành phần được thiết kế tối ưu chưa chắc đã tạo thành một hệ thống tối ưu. Khi các thành phần này được cung cấp năng lượng, cảm biến và điều khiển cùng nhau như một hệ thống tích hợp, chúng có thể hoạt động khác so với khi thử nghiệm dưới dạng các thành phần độc lập. Twin Builder có thể thực hiện kiểm tra vòng kín bao gồm toàn bộ hệ thống được kết nối để phát hiện bất kỳ điểm yếu thành phần nào và khắc phục chúng để tạo ra một hệ thống pin hoạt động với hiệu suất tối đa.

Trong pin, các điều kiện hoạt động như điện áp pin, nhiệt độ, điện áp và dòng điện tổng thể sẽ được ECU theo dõi và gửi dữ liệu như SOC và SOH (so sánh điều kiện hiện tại của pin với điều kiện lý tưởng của nó) tới các thành phần bên ngoài. Đồng thời, ECU cũng truyền thông tin làm mát và sưởi ấm.

Dựa trên các thông tin đầu ra này, BMS có thể (1) điều chỉnh các thông số vận hành để đảm bảo rằng pin hoạt động trong vùng vận hành an toàn (SOA-vùng điều kiện điện áp và dòng điện cho phép thiết bị hoạt động mà không bị hư hại); và (2) thực hiện ngắt kết nối pin khẩn cấp trong trường hợp xảy ra sự cố. Nếu BMS xác định rằng SOC hoặc SOH nằm ngoài giới hạn cho phép, hệ thống này sẽ đưa ra cảnh báo và / hoặc chuyển hệ thống sang trạng thái an toàn.

ANSYS TWIN BUILDER-GIẢI PHÁP CHO MÔ PHỎNG HỆ THỐNG HOÀN CHỈNH

Bước cuối cùng là thực hiện mô phỏng bộ pin cấp hệ thống hoàn chỉnh bằng ANSYS Twin Builder để đảm bảo tất cả các thành phần hoạt động cùng nhau như thiết kế. Với Twin Builder, các kỹ sư tạo ra các mô hình đa nền tảng vật lý để thiết kế và xác nhận các mô hình hệ thống của pin bằng cách mô phỏng các hiệu ứng vật lý khác nhau, bao gồm cả tác động điện và nhiệt của pin.

Các kỹ sư có thể sử dụng Twin Builder để xác định các thông số thiết kế chính như công suất cực đại của hệ thống pin, tốc độ sạc và xả của pin, lượng nhiệt được tạo ra bởi các hoạt động và ảnh hưởng của lượng nhiệt này đến hiệu suất điện. Twin Builder có một thư viện dựa trên Modelica bao gồm bốn mẫu mô hình pin mạch tương đương (ECM - là một chức năng của SOC và nhiệt độ) để dự đoán hiệu suất của pin.

Ngoài các mô hình tham số gộp cho các mạch điện của pin, Twin Builder tận dụng các tính năng của bộ giải vật lý ANSYS để tạo ra các mô hình giảm cấp (ROM). ROM là một đại diện nhỏ hơn nhiều của mô hình 3D quy mô đầy đủ, có thể hoàn thành quá trình mô phỏng trong vài phút hoặc vài giây mà không làm mất độ chính xác, lý tưởng cho mô hình hóa ở cấp hệ thống. Một ROM nhiệt của bộ pin có thể được ghép nối trong Twin Builder với mô hình ECM để xác định ảnh hưởng của nhiệt đối với hiệu suất điện.

Thử nghiệm vòng kín với ANSYS Twin Builder

GIẢI PHÁP ANSYS HOÀN CHỈNH CHO BMS

ANSYS medini analyze đảm bảo sự an toàn của thiết kế BMS, ANSYS SCADE Suite sản xuất và xác minh phần mềm điều khiển nhúng và ANSYS Twin Builder cho phép các kỹ sư kiểm tra và xác nhận hiệu quả và độ tin cậy của hệ thống điện hoàn chỉnh trong EV. Sự kết hợp nhiều công cụ mô phỏng này rất cần thiết để tạo nguyên mẫu cho BMS vì trong tương lai sẽ có ngày càng nhiều hệ thống phụ thuộc vào năng lượng pin.

Các bài viết cùng chủ đề :

  • Thế hệ động cơ xe điện không gây ồn

  • Nguồn: www.ansys.com

    Lược dịch:  - Trần Thị Huyền Trang - Thực tập sinh tại Advantech,Jsc.

    Làm ơn ghi rõ "Nguồn Advantech, Jsc." hoặc "Theo www.advantech.vn" nếu bạn muốn phổ biến thông tin này
    Các Giải Pháp
    • Prev
    Giải pháp mô phỏng vỏ chắn điện từ
    Giải pháp mô phỏng bài toán va chạm ô tô
    Giải pháp mô phỏng phổ đáp ứng
    Giải pháp tính toán độ ồn sinh ra trong các thiết bị
    Giải pháp mô phỏng khí động đàn hồi cầu treo dây võng
    Mô phỏng đáp ứng điều hòa của kết cấu (Harmonic Response)

    TUYỂN DỤNG

    LIÊN HỆ

    VĂN PHÒNG GIAO DỊCH:
    C2 lô 20, KĐTM Định Công, Quận Hoàng Mai, Hà Nội
    Tel: (84-24)39 727 464 Fax: (84-24)39 727 464
    Email: info@advantech.vn

    HỖ TRỢ KỸ THUẬT:
    Email: support@advantech.vn

    Họ tên
    E-Mail

    FOLLOW US