عنوان پایان‌نامه
شبیه سازی باتری سرب- اسید به روش رتبه کاسته
- رشته تحصیلی
- مهندسی مکانیک تبدیل انرژی
- مقطع تحصیلی
- دکتری تخصصی PhD
- محل دفاع
- کتابخانه مرکزی پردیس 2 فنی شماره ثبت: 3285;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 75586
- تاریخ دفاع
- ۰۳ شهریور ۱۳۹۵
- دانشجو
- امیربابک انصاری
- استاد راهنما
- وحید اصفهانیان
- چکیده
- از بین منابع مختلف انرژی، باتری‌ها همواره به‌عنوان یکی از مهمترین منابع ذخیره‌سازی و تأمین انرژی مخصوصاً در صنعت خودروهای الکتریکی و هیبریدی مورد استفاده قرار گرفته‌اند. از بین انواع مختلف باتری، باتری‌های سرب-اسید به‌دلیل هزینه بسیار کم، نرخ تخلیه بالا و بازیافت مناسب، به‌طور گسترده در زمینه‌های مختلف و کاربردهای مهندسی مورد استفاده قرار می‌گیرند. به‌دلیل پیچیدگی‌های موجود در باتری‌های سرب-اسید، مدل‌سازی و شبیه‌سازی همواره به‌عنوان یک ابزار مناسب جهت بهینه‌سازی و آنالیز رفتار آن و همچنین شناخت هرچه بهتر از پدیده‌های فیزیکی رخ داده در آن مورد استفاده قرار گرفته‌است. یکی از مشکلات عمده در شبیه‌سازی و بهینه‌سازی باتری‌های سرب-اسید به‌دلیل پیچیدگی معادلات الکتروشیمیایی حاکم بر باتری، زمان‌بر بودن این محاسبات می‌باشد. به‌همین دلیل، تاکنون مدل‌ها و روش‌های عددی مختلفی جهت شبیه‌سازی باتری‌های سرب-اسید توسعه یافته است که از آن جمله می‌توان به روش‌های دینامیک سیالات محاسباتی، مدل‌های مدار معادل و مدل‌های مهندسی اشاره نمود. یک راه حل مناسب جهت غلبه بر این مشکل استفاده از روش‌های رتبه‌کاسته است. لذا در این رساله، پس از بیان مشکلات و چالش‌های عددی در شبیه‌سازی عددی باتری شامل ارضاء معادله سازگاری، مدل رتبه‌کاسته بر پایه تجزیه متعامد سره با جزئیات کامل بیان شده‌است و سپس معادلات حاکم بر باتری سرب-اسید به روش رتبه‌کاسته شبیه‌سازی شده‌اند. برای نشان دادن توانایی این روش در شبیه‌سازی باتری سرب-اسید، شبیه‌سازی رتبه‌کاسته در دو حالت یک‌بعدی و دوبعدی انجام شده‌است. برای این منظور، معادلات الکتروشیمایی حاکم شامل بقای بار الکتریکی در فاز مایع و جامد و همچنین بقای گونه‌های شیمیایی به‌همراه معادلات حرکت سیال به‌طور همزمان در طی فرآیندهای مختلف شامل تخلیه، استراحت، شارژ و یک سیکل کامل حل شده‌اند. نتایج عددی به‌دست آمده شامل تغییرات ولتاژ سل، غلظت اسید سولفوریک، حالت شارژ، تخلخل الکترودها، سرعت سیال در محفظه الکترولیت و غیره نشان می‌دهد که نه‌تنها استفاده از روش رتبه‌کاسته بر پایه توابع متعامد سره تا حد زیادی از زمان محاسبات می‌کاهد (کاهش 20 برابر در حالت یک‌بعدی و 60 برابر در دوبعدی) بلکه تطابق بسیار خوبی نیز بین نتایج به‌دست آمده و نتایج مدل‌های عددی موجود در دینامیک سیالات محاسباتی وجود دارد به‌طوری‌که می‌توان از آن برای اهداف طراحی، بهینه‌سازی و کنترل استفاده نمود. واژه‌های کلیدی: باتری سرب-اسید، شبیه‌سازی عددی، مدل‌سازی رتبه‌کاسته، توابع متعامد سره
- Abstract
- Among different energy resources, batteries are considered as the main sources of energy especially in hybrid and electric vehicle industries. Lead-acid batteries involve multi-disciplines engineering field and are used for a vast number of purposes due to their lower price, deep cycling, high rate discharge, and recycling. Due to the complexity of batteries, modeling and simulation are useful tools to optimize and analyze the dynamic behavior of lead-acid batteries and better understanding of physical phenomena. One of the main problems is that the governing equations of lead-acid batteries are highly coupled, which significantly increases the computational time of numerical methods in simulations. For this purpose, different models and techniques have been developed including computational fluid dynamics (CFD), equivalent circuit model (ECM) and engineering model (EM). Using reduced order models (ROM) is one of the best ways to overcome this difficulty. In the present study, after presenting a description of numerical difficulties, i.e., satisfaction of compatibility condition, reduced order modeling based on proper orthogonal decomposition (POD) is presented in details and used to simulate lead-acid battery governing equations. In order to show the capability of presented ROM, both 1-D and 2-D simulations are considered. For this purpose, the electrochemical governing equations of lead-acid battery including conservation of charge in solid and liquid phases, conservation of species and conservation of mass and momentum are solved simultaneously during discharge, rest, charge and a cycle using model order reduction based on POD. The results of reduced order model including cell voltage, acid concentration, state of charge (SoC), electrodes porosity and velocity of acid in reservoir show that not only the POD-based ROM of lead-acid battery significantly decreases the computational time (speed-up factor of 20 in 1-D and 60 in 2-D, but also there is excellent agreement with the results of previous computational fluid dynamic models and consequently, the presented model can be used for design, optimization and control purposes. Keywords: Lead-acid battery, Numerical simulation, Reduced order modeling, Proper Orthogonal Decomposition (POD)
