Litiumioniakun simulaatiomallien vertailu COMSOL-ohjelmistolla
Ladataan...
5.41 MB
suljettu
Julkaisu on tekijänoikeussäännösten alainen. Teosta voi lukea ja tulostaa henkilökohtaista käyttöä varten. Käyttö kaupallisiin tarkoituksiin on kielletty.
Pysyvä osoite
Verkkojulkaisu
DOI
Tiivistelmä
Litiumioniakkuja käytetään useissa eri akkusovelluskohteissa ja niiden käyttö kasvaa
jatkuvasti. Akkukennon kemiallisen ja fysikaalisen käyttäytymisen tuntemisella
voidaan merkittävästi vaikuttaa akun turvallisuuteen, tehokkuuteen ja käyttöikään
optimoimalla akun käyttö sopivasti.
Simulaatiomenetelmät jaotellaan yleensä fysikaalisiin malleihin ja semiempiirisiin
ekvivalenttipiirimalleihin. Fysikaalisissa malleissa akusta määritetään geometriset,
fysikaaliset sekä kemialliset parametrit, joiden avulla luodaan tarkka malli akun rakenteesta
ja ominaisuuksista. Semiempiirisissä ekvivalenttipiirimalleissa suoritetaan
laboratoriotestejä akkukennolle käyttöolosuhteissa. Testeistä saatuihin tuloksiin sovitetaan
sopiva malli.
Tarkka fysikaalinen Doyle-Fuller-Newmannin malliin, eli DFN-malliin, perustuva
osittaisdi erentiaaliyhtälöryhmä kuvaa akkukennon toimintaa hyvin tarkasti fysikaalisesti,
mikä on kuitenkin akunhallintajärjestelmään liian raskas. Rakentamalla
supistetun tason malli osittaisdi erentiaaliyhtälöistä voidaan mallintaa litiumioniakkua
merkittävästi nopeammin ja tehokkaammin ilman merkittävää tarkkuuden
heikentymistä. Tarkalla fysikaalisella mallilla voidaan mallintaa akkua kaikissa tilanteissa,
kuten myös akun ikääntyessä.
Semiempiirisissä malleissa akkukennon käyttäytymistä tutkitaan testiolosuhteissa,
mistä luodaan ekvivalenttipiirimalliin pohjautuva mallinnus. Tässä kennon toimintaa
verrataan vaihtovirtapiiriin, jossa vaihtovirtakomponentteja on sopivasti aseteltu
kuvaamaan litiumioniakun impedanssin käyttäytymistä. Malli vaatii kuitenkin
tarkkoja mittauksia, jotka on aina ympäristön tai akkukennon muuttuessa tehtävä
uudelleen. Malli ei myöskään kykene mallintamaan ikääntymistä.
Tässä työssä fysikaaliset mallit rakennetaan COMSOL-ohjelmistolla, joka mallintaa
osittaisdi erentiaaliyhtälöitä FEM-menetelmällä, eli Finite Element Method -
menetelmällä. Ohjelmistolla simuloidaan kaupallisen 18650-koon sylinterikennonkennon
yksi-, kaksi- ja kolmiulotteiset DFN-mallit sekä nollaulotteinen Single Particle
-malli, eli SP-malli. Mallien tasa- ja pulssivirta mittaustuloksia vertaillaan todelliseen
kennodataan. Semiempiirisen mallin parametrit määritetään kennon impedanssin
mittaukseen sovittamalla, minkä jälkeen parametrit sijoitetaan koodattuun
ekvivalenttipiirimalliin. Mallin tasavirtatuloksia verrataan todelliseen mittausdataan.
Tuloksina fysikaalisesta mallista ei saatu tarkkoja tuloksia, jotka sopisivat hyvin vertailuksi
otettuun mittausdataan. Fysikaalisten mallien vertailussa huomattiin kuitenkin
SP-mallin jännitekäyrien sopivan paremmin tuloksiin kuin DFN-mallin, mik
ä todennäköisesti johtui SP-mallin parametrien yksinkertaisuudesta. Suurimmaksi
haasteeksi fysikaalisissa malleissa havaittiinkin parametrien tarkka määritys. Semiempiirisell
ä ekvivalenttipiirimallilla saavutettiin hyvin tarkkoja tuloksia, mikä oli
kuitenkin odotettavissa mallin pohjalla olevien tarkkojen laboratoriomittausten jälkeen.