Modelovanie batériových systémov

Batérie sú dnes kľúčovou technológiou v širokom spektre aplikácií. Nájdeme ich v elektrických vozidlách, domácej elektronike alebo vo veľkokapacitných úložiskách energie. Každá z týchto aplikácií si však vyžaduje výrazne odlišnú konfiguráciu batériového systému. Tieto rozdielne požiadavky sa premietajú do voľby geometrie a topológie článkov, tepelného manažmentu, aj do návrhu samotného systému správy batérie. Práve táto zložitosť a rozmanitosť požiadaviek je dôvodom, prečo je simulácia batérií nevyhnutnou súčasťou ich vývoja. Fyzické testovanie reálnych batériových systémov je nákladné, časovo náročné a v mnohých prípadoch aj nebezpečné. Simulácia umožňuje tieto scenáre modelovať a analyzovať bezpečne, opakovane ešte pred tým, než sa daný návrh overuje na reálnom hardvéri. Práve na tento účel je vhodným nástrojom Simscape Battery, ktorý poskytuje knižnicu blokov umožňujúcu modelovať a simulovať batériové systémy jednoducho a efektívne.

Základný model batérie

Simscape Battery ponúka na modelovanie samotného článku niekoľko úrovní. Od základného (menej detailného) po zložitý (pomalší zato však presnejší) s možnosťou zakomponovať reálne javy. Blok Battery predstavuje základný model batérie, ktorý je vhodný najmä na úvodný, koncepčný návrh systému. Poskytuje rýchlu simuláciu so základnou elektrickou dynamikou. Presnejšie a komplexnejšie správanie ponúkajú pokročilejšie bloky – tabuľkový (table-based) model batérie a model náhradného elektrického obvodu (equivalent circuit). Tieto bloky lepšie zachytávajú reálne javy, avšak za cenu vyšších nárokov na parametrizáciu. K dispozícii sú aj reálne parametre článkov od viacerých výrobcov, ktoré Simscape Battery ponúka priamo ako vopred pripravenú knižnicu. Pre pokročilejšie aplikácie však samotný model jedného článku nepostačuje. Kapacita a napätie jedného článku sú príliš nízke pre reálne použitie, preto je potrebné zapojiť viacero článkov do sériovo-paralelných kombinácií, ktoré spoločne dosiahnu požadované napätie a kapacitu. Najskôr však spomenieme dostupné geometrie a topológie.

Geometria batérií

Geometria označuje fyzický tvar a veľkosť batériových článkov. Medzi bežné geometrie patria valcové, vreckové a prizmatické články, pričom každý typ má svoje výhody v závislosti od aplikácie. Valcové články sa napríklad často volia pre aplikácie, kde je prioritou mechanická odolnosť a jednoduchosť montáže, ako napríklad v elektrickom náradí. Vreckové články, vďaka svojmu flexibilnému a ľahkému dizajnu, sú preferované v priestorovo obmedzenej prenosnej elektronike. Prizmatické články sú zase ideálne pre automobilové a stacionárne aplikácie skladovania energie, pretože ich obdĺžnikový tvar umožňuje vyššiu hustotu balenia, efektívne využitie priestoru a jednoduchšiu integráciu do modulárnych systémov. Voľba geometrie môže ovplyvniť aj stratégiu chladenia. Prizmatické články napríklad poskytujú väčšiu plochu povrchu na odvod tepla.

Topológia batérií

Topológia určuje, ako sú články priestorovo usporiadané v rámci batériového systému. Simscape Battery ponúka niekoľko možností topológie, ako napríklad hexagonálnu, štvorcovú, NStack/SingleStack a jednoduchú (Single). Výber topológie ovplyvňujú fyzické obmedzenia aplikácie a požiadavky na teplotný manažment. Hexagonálna topológia sa môže použiť na maximalizáciu hustoty balenia vo valcovom batériovom systéme, zatiaľ čo topológia NStack je vhodnejšia pre prizmatické články, kde je dôležitá modularita a jednoduchosť montáže. Topológia tiež ovplyvňuje, ako ľahko sa dá modul chladiť, servisovať alebo v budúcnosti rozšíriť. Je dôležité poznamenať, že nie všetky geometrie a topológie sú navzájom kompatibilné. Nesprávne kombinácie môžu viesť k plytvaniu priestorom, nerovnomernému rozloženiu tepla, alebo dokonca k mechanickému namáhaniu.

Pokročilé modelovanie batérií

Simscape Battery ponúka na tvorbu zložitejších architektúr dva prístupy. Prístup pomocou MATLAB objektov umožňuje definovať vlastnú špecifikáciu návrhu batérie, vizualizovať batériu v 3D priestore alebo upraviť rozlíšenie modelovania počas simulácie. Tento prístup je flexibilný a vhodný najmä na automatizáciu alebo integráciu do vlastných skriptov. Pohodlnejšou alternatívou je interaktívna aplikácia Battery Builder, ktorá ponúka rovnakú funkcionalitu prostredníctvom grafického rozhrania bez nutnosti písať príkazy manuálne. Oba prístupy v podstate vedú k rovnakému cieľu. Vygenerovať hotový Simscape model pripravený na simuláciu, bez nutnosti manuálne zostavovať zložitú obvodovú schému z jednotlivých článkov.

Tvorba batérie prebieha postupne a je rozdelená do 5 úrovní od jedného článku, až po súbor modulov. Každá úroveň stavia na tej predchádzajúcej, čo umožňuje postupne pridávať zložitosť. Od základnej geometrie a elektrických vlastností jedného článku, cez ich zoskupovanie a topológiu, až po kompletnú architektúru. Jednotlivé úrovne tvoria:

• Článok (Cell) – základná stavebná jednotka, jeden batériový článok. Definuje sa jeho geometria a elektrické vlastnosti.
• Paralelné zoskupenie (Parallel Assembly) – skupina viacerých článkov zapojených paralelne. Paralelné zapojenie zvyšuje kapacitu (Ah) pri zachovaní rovnakého napätia.
• Modul (Module) – skladá sa z viacerých paralelných zoskupení zapojených sériovo. Modul je funkčná jednotka, ktorá už dosahuje požadované napätie systému.
• Zoskupenie modulov (Module Assembly) – zoskupenie viacerých modulov, ktoré môžu byť zapojené sériovo alebo paralelne podľa potreby aplikácie. Umožňuje škálovanie na väčšie systémy.
• Batériový modul/balík (Pack) – najvyššia úroveň hierarchie, kompletný batériový systém zložený z jedného alebo viacerých zoskupených modulov. Pridáva systémové vlastnosti ako chladenie a signály z BMS. Toto je finálny objekt reprezentujúci celý systém pripravený na simuláciu.

Tepelný manažment

Tepelný manažment sa v Simscape Battery pridáva na úrovni jednotlivých objektov. Simscape Battery podporuje modelovanie viacerých typov tepla. Sú to vedenie, prúdenie a žiarenie. Zohľadňuje sa vnútorné teplo generované samotnými článkami (napríklad v dôsledku odporu pri prechode prúdu), teplo vymieňané medzi susediacimi článkami (inter-cell heat exchange) a teplo odvádzané do okolia alebo do chladiaceho média. Samotné chladenie sa modeluje pomocou blokov chladiacich platní a algoritmov riadenia chladiaceho média. Chladiace platne sú ploché a podporujú tri hlavné konfigurácie prúdenia – paralelné kanály, U-tvarované obdĺžnikové kanály a hranové chladenie. Platne je navyše možné diskretizovať na menšie prvky, aby model presnejšie zachytil teplotné rozdiely vznikajúce dynamickou interakciou medzi batériou a prúdiacim chladivom.

Presnosť modelu a rýchlosť simulácie

Presnosť modelu a rýchlosť simulácie sú v Simscape Battery vždy v protiklade. Vyššia presnosť si vyžaduje viac výpočtového výkonu a naopak. Tento kompromis sa objavuje na dvoch úrovniach. Na úrovni článku si vyberáte medzi rôznymi typmi modelu, ktoré sme spomenuli v sekcii o modelovaní článkov. Na úrovni systému (paralelné zoskupenie alebo modul) sa tento kompromis riadi vlastnosťou ModelResolution, ktorá určuje, akým počtom elektrických modelov sa daná skupina článkov simuluje. Môže nadobúdať tri hodnoty. Nastavenie „Lumped“ je najnižšia presnosť. Celá časť sa simuluje pomocou jediného elektrického modelu, čo výrazne zrýchľuje simuláciu, ale stráca sa informácia o rozdieloch medzi jednotlivými článkami alebo zoskupeniami. Nastavenie „Detailed“ je opačný extrém. Každý jednotlivý článok simuluje samostatným elektrickým aj tepelným modelom, čím sa zachytia napríklad rozdiely v teplote alebo SOC medzi článkami, ale za cenu výrazne dlhšieho výpočtového času. Medzi týmito dvomi extrémami stojí nastavenie „Grouped“, ktoré funguje ako praktický kompromis. Dovoľuje pomocou vlastností SeriesGrouping a ParallelGrouping definovať vlastnú, čiastočne detailnú simulačnú stratégiu.

Záver

Simscape Battery pokrýva celý vývojový cyklus batériového systému. Od modelovania geometrie, topológie a tepelného správania, cez návrh algoritmov BMS (cell balancing, ochrana, odhad stavu), až po overenie robustnosti a HIL testovania. Tvorbu algoritmov pre BMS a HIL testovanie spomenieme v nasledujúcej časti. Pre osvojenie si týchto techník ponúka MATLAB Academy viacero kurzov:

• Simscape Battery Onramp
• Battery Pack Modeling
• Battery Management System Modeling
• Battery State Estimation