کتاب مدلسازی حرارتی باتری لیتیوم یونی استوانه‌ای

معرفی کتاب مدلسازی حرارتی باتری لیتیوم یونی استوانه‌ای

کتاب مدلسازی حرارتی باتری لیتیوم یونی استوانه‌ای، تالیف عباس کسایی پور، درباه‌ی اهمیت توجه به توسعه تکنولوژی باتری صحبت می‌کند. اگر تکنولوژی‌های توسعه باتری گسترش و پیشرفت کنند سبب تولید خودرو‌هایی‌ بسیار مطللوب‌تر می‌شوند.

اولین وسیله حمل‌ونقل الکتریکی، اولین قایق الکتریکی، و نیز اولین لوکوموتیو الکتریکی، همگی همراه با باتری طراحی‌شده بودند. بین سال‌های 1832 تا 1839، اولین وسیله نقلیه الکتریکی توسط رابرت اندرسون اسکاتلندی ساخته شد که توسط سلول‌های الکتریکی اولیه تأمین قدرت می‌شد. اولین قایق الکتریکی در سال 1839 توسط یک مهندس آلمانی، موریتس فون ژاکوبی، در سنت پترزبورگ روسیه رونمایی شد. در سال 1842، رابرت دیویدسون، مخترع اسکاتلندی ، از باتری‌های روی اسید برای به حرکت درآوردن اولین لوکوموتیو الکتریکی، گالوانی (Galvani)، در طول خط راه‌آهن ادینبورگ – گلاسکو استفاده نمود.

اولین خودرو الکتریکی قابل شارژ در سال 1881 به وجود آمد. در اولین موتور احتراق داخلی (ICE) تنها وسیله الکتریکی آنبرد (on-board)، سلول‌های خشک اولیه یا به‌اصطلاح جرقه زن مغناطیس (magneto ignition) برای احتراق بودند. باتری‌های قابل شارژ تنها در اتومبیل‌های لوکس برای روشنایی مورد استفاده قرار می‌گرفتند. اختراع استارتر اتوماتیک (self-starter)،  برای وسایل نقلیه بنزینی در سال 1911 و کاربردهای تجاری گسترده آن، آغازگر شروع گسترده استفاده از باتری‌های قابل شارژ اسید سرب در وسایل نقلیه جاده‌ای بوده است. در سال 1960، ولتاژ باتری به دو برابر یعنی 12 ولت افزایش یافت، که تا به امروز بدون تغییر باقی‌مانده است.

اغلب باتری‌ها از آنچه به عنوان سلول‌های تک قطبی ( mono-polar) شناخته می‌شوند، تشکیل شده‌اند که ارتباط الکتریکی‌ بین صفحات مثبت و منفی‌ را برقرار می‌کنند و در اتصالات سری شده، در خارج قرار گرفته می‌شوند. این بدان معنی‌ است که جریان الکتریکی‌ باید از طریق تمام صفحه نوار اتصال، جریان یابد. در نتیجه توان ویژه (kw/kg) با توجه به هادی‌های الکتریکی‌ لازم، محدود است.

در توسعه‌ باتری‌ها برای صنایع مختلف، تاکید بر دست‌یابی به انرژی ویژه بالا می‌باشد. به طور معمول، باتری‌های تک قطبی وجود دارند. از آنجا که تعداد باتری‌های لازم برای دستیابی به محدوده قابل قبول نسبتا بالا می‌باشد، توان مورد نیاز به طور می تواند تامین و ارضا شود. از آنجا که چرخ طیار و خازن‌های بزرگ، در مقایسه با اغلب باتری‌ها، دارای انرژی بسیار پایینی هستند، به ندرت برای استفاده در صنایعی مانند خودروهای الکتریکی استفاده می‌شوند. از مهم‌ترین چالش‌های فنی‌ مرتبط با توسعه تکنولوژی های باتری می‌توان به مدیریت حرارتی به ویژه برای سیستم‌های قدرت با عملکرد بالا اشاره نمود.

در میان سیستم‌های ذخیره انرژی قابل شارژ (RESS)، باتری‌ها از مهم‌ترین اجزا می‌باشند. الزامات جدیدتری برای سبک‌تر و قوی‌تر کردن RESS ها، سرعت توسعه باتری‌های مبتنی بر یون لیتیوم را در طول چند سال گذشته افزایش داده است. باتری‌های لیتیومی قابل شارژ، به دلیل انرژی و چگالی توان بالا، محدوده حرارتی گسترده، سیکل طولانی و طول عمر بالا، دی شارژ شدن خود به خودی پایین‌تر، نرخ شارژ سریع‌تر و عدم حضور به‌اصطلاح اثر حافظه (memory effect)، نسبت به سایر فن‌آوری باتری‌های ثانویه، بسیار ممتازتر می‌باشند.

مزایای بالقوه بسیار زیادی برای توسعه تکنولوژی باتری وجود دارند که پیشرفت، آن‌ها را به سمت کاربرد‌های نظامی و نیز غیر نظامی می برد. عدم نیاز به پرداخت برخی‌ از هزینه‌ها وجه مشترک بین دو شاخه نظامی و غیر نظامی است. اما برخی‌ از مزایا تنها منحصر به یک شاخه می‌باشد و بسته به کاربرد متفاوت می‌باشد. برای کاربرد‌های نظامی مهم‌ترین مزایای قابل لمس به شرح زیر است:
1) قابلیت پردازش توان موجود
2) قابلیت دیده بانی‌ و نیز تحرک خاموش (بی‌ صدا)
3) انعطاف پذیری در بسته بندی و یکپارچه سازی اجزا

فهرست مطالب کتاب

مقدمه
فصـل اول: روند توسعه صنعت باتری
اهمیت توجه به توسعه تکنولوژی باتری
چالش‌های فنی‌ پیش روی توسعه باتری ها: فصـل دوم
الزامات حرارتی در باتری های لیتیوم یونی
خواص باتری
هدف و لزوم توجه به مدیرت حرارتی
باتری لیتیوم یونی
رشد و بازار باتری‌های لیتیوم یونی
تولید حرارت
توزیع دمایی باتری
تأثیر دما روی باتری
سیستم خنک‌کنندگی
سیستم‌های خنک کاری فعال در مقابل سیستم‌های خنک کاری منفعل
توزیع هوای سری در مقابل نمونه موازی
مشخصات سیستم خنک کاری
طراحی پک باتری
توابع هدف موردبررسی
حل عددی
مطالعه کارهای انجام شده
فصـل سوم: بررسی اقتصادی باتری
بررسی فرایندهای انتقال حرارت
انتقال حرارت هدایت (Conduction Heat Transfer)
معادلات دیفرانسیل مشتقات جزئی از هدایت گرما
انتقال حرارت جابجایی(Convection Heat Transfer)
نگاهی به مکانیک سیالات
معادله پیوستگی
معادله انرژی
لایه‌های مرزی گرما و سرعت
فصـل چهارم: باتری لیتیوم یونی استوانه‌ای در حالت خنک کاری با هوا
مدل شیمیایی-الکتریکی باتری
مدل ریاضی مدل‌سازی انجام شده
مدل‌سازی انجام شده
خواص مواد
فصـل پنجم: مدل‌سازی حرارتی
مش بندی
نتایج و مشاهدات شبیه‌سازی
توسعه سه بعدی باتری لیتیوم-یونی استوانه‌ای
مدل حرارتی
مش بندی هندسه
نتایج
منـابع و مآخـذ
منابع