شماره ركورد
23951
شماره راهنما
MEC2 258
عنوان
شبيهسازي و ارزيابي عملكرد يك سيستم مديريت حرارتي باتريهاي ليتيومي به كمك الگوريتم يادگيري ماشين
مقطع تحصيلي
كارشناسي ارشد
رشته تحصيلي
مهندسي مكانيك - تبديل انرژي
دانشكده
فني و مهندسي
تاريخ دفاع
شهريور 1403
صفحه شمار
90ص.
استاد راهنما
احسان بني اسدي
استاد مشاور
حميدرضا مراتب
كليدواژه فارسي
سيستم مديريت حرارتي , باتريهاي ليتيومي , شبكه عصبي مصنوعي , شبيهسازي عددي
چكيده فارسي
باتريهاي ليتيوم-يون در حين كار مداوم با شارژ و تخليه شارژ سريع، مقدار زيادي گرما توليد ميكنند كه ميتواند منجر به افزايش قابلتوجه دما، تأثير بر عملكرد باتري، كاهش سيكل عمر و به طور بالقوه ايجاد يك مشكل ايمني شود. به همين منظور، يك سيستم مديريت حرارتي باتري متشكل از ماده تغييرفازدهنده و ميني كانال براي كنترل دماي باتري و بهبود عملكرد آن در اين پژوهش طراحي و شبيهسازي شده است. شبيهسازيهاي حرارتي سهبعدي باتري ليتيوم-يون 18650 و بسته باتري ليتيوم-يون 75 ولتي متشكل از 21 پيل باتري 18650 بر اساس رويكرد مدلسازي باتري چند دامنهاي چند مقياسي انجام ميشود. اثر روشهاي خنككاري مختلف بر عملكرد باتري و مديريت حرارتي بسته باتري تحت شرايط تخليه شارژ سريع بررسي و مقايسه شده است. نتايج نشان ميدهد كه با روش همرفت طبيعي، باتري به همراه ماده تغييرفازدهنده و باتري به همراه ماده تغييرفازدهنده و فين، دماي باتري بهراحتي از 40 درجه سانتيگراد در شرايط نرخ تخليه شارژ C3 فراتر ميرود. در شرايط اتصال كوتاه خارجي، دماي پيل بهشدت افزايش مييابد و در مدتزمان كوتاهي به 80 درجه سانتيگراد ميرسد كه ميتواند باعث فرار حرارتي شود و حتي ممكن است منجر به آتشسوزي فاجعهبار باتري شود. از سوي ديگر، باتري به همراه سيستم مديريت حرارتي كوپل شده دماي باتري را به طور مؤثري به يك سطح قابلتحمل تحت شرايط تخليه شارژ با نرخ بالا محدود ميكند و در حالت اتصال كوتاه مدتزمان رسيدن به دماي 80 درجه سانتيگراد را افزايش ميدهد. علاوه بر اين، طبق شبيهسازي بسته باتري 75 ولت، سيستم مديريت حرارتي در پژوهش حاضر منجر به يكنواختي دماي بهتر ميشود. همچنين اثر عوامل مختلف در ميني كانال بهويژه اثر هندسههاي مختلف ميني كانال، نوع و سرعت سيال خنككننده، و دماي سيال خنككننده بر دماي باتري نيز بررسي شد. علاوه بر اين، در اين پژوهش يك مدل شبكه عصبي مصنوعي نيز براي پيشبيني دماي باتري ليتيوم-يون مجهز به سيستم مديريت حرارتي توسعه داده شد. وروديهاي مدل عبارتاند از نرخ تخليه شارژ (C1، C2، C3 و C4)، دماي ورودي سيال خنككننده ميني كانال (°C15 و °C20)، سرعت ورودي سيال خنككننده ميني كانال (m/s 0.1، m/s 0.5 و m/s 1)، دماي محيط (°C25 و °C40) و زمان. خروجي مدل دماي باتري است. در مجموع 79909 نقطه داده براي آموزش، اعتبارسنجي و آزمون مدل استفاده شد. نتايج اين مطالعه توانايي شبكه عصبي مصنوعي را براي پيشبيني دماي باتري در شرايط مختلف عملكرد سيستم مديريت حرارتي باتري نشان داد. ميانگين مربع خطا و ميانگين انحراف مطلق مدل به ترتيب 0.12 و 0.09 بود. نتايج اين مطالعه مناسببودن شبكه عصبي مصنوعي را براي پيشبيني عملكرد سيستم مديريت حرارتي باتري كوپل شده را تأييد كرده است.
كليدواژه لاتين
Thermal Management System , Lithium Batteries , Artificial Neural Networks , Numerical Simulation
عنوان لاتين
Simulation and Performance Analysis of a Thermal Management System for Lithium Batteries by Using Machine Learning
گروه آموزشي
مهندسي مكانيك
چكيده لاتين
Lithium-ion batteries generate a significant amount of heat during continuous operation with rapid charging and discharging, which can lead to a considerable increase in temperature, affect battery performance, reduce cycle life, and potentially cause a safety hazard. To address this issue, a phase change material (PCM)/mini-channel coupled battery thermal management system (BTMS) has been designed in this study to control battery temperature and improve performance. Additionally, a three-dimensional thermal model of the battery has been developed. Three-dimensional thermal simulations of an 18650 lithium-ion battery and a 75V lithium-ion battery pack consisting of 21 18650 battery cells are conducted based on a multi-domain, multi-scale battery modeling approach. The effects of different cooling methods on the battery and battery pack thermal management under rapid discharge conditions are investigated and compared. It has been found that for natural convection methods, the battery with PCM and the battery with PCM and fins easily exceeds 40°C under a C3 discharge rate. Under external short-circuit conditions, the cell temperature rises sharply and reaches 80°C in a short period, which can lead to thermal runaway and potentially result in catastrophic battery fires. On the other hand, the battery with the coupled BTMS effectively limits the battery temperature to a tolerable level under high-rate discharge conditions and increases the time to reach 80°C in short-circuit scenarios. Moreover, according to the 75V battery pack simulation, the thermal management system in this study results in better temperature uniformity. The effects of various mini-channel factors on battery temperature, especially the effect of different mini-channel geometries, type of mini-channel fluid, fluid velocity, and coolant fluid temperature, were also investigated. Additionally, with the increasing use of artificial intelligence (AI) in various fields, exploring AI approaches to evaluate different BTMS types seems valuable. Therefore, in this study, an artificial neural network (ANN) model was developed to predict the temperature of a lithium-ion battery equipped with a BTMS. The model inputs include the discharge rate (C1, C2, C3, and C4), mini-channel coolant fluid inlet temperature (15°C and 20°C), mini-channel coolant fluid inlet velocity (0.1 m/s, 0.5 m/s, and 1 m/s), ambient temperature (25°C and 40°C), and time (s). The model output is the battery temperature (°C). A total of 79,909 data points were used for training, validation, and testing of the model. The results of this study demonstrated the ANNʹs ability to predict battery temperature under various BTMS operating conditions. The mean squared error and mean absolute deviation of the model were 0.12 and 0.09, respectively. The results of this study confirmed the suitability of the ANN for predicting the performance of the coupled BTMS.
تعداد فصل ها
5
فهرست مطالب pdf
76156
نويسنده