Simulasi Aerodinamika Lebih Ringkas Menggunakan Fluent Aero
April 27, 2023
Simulasi Performa Pendinginan Radiator Menggunakan Ansys Fluent
May 4, 2023

Simulasi Pendinginan Baterai Menggunakan Ansys Fluent

Penulis: Riqy Rizqyandra – CAE Engineer PT Optimaxx Prima Teknik (2023)

PENDAHULUAN

Belakangan ini industri kendaraan listrik telah gencar melakukan pengembangan di Indonesia. Beberapa perusahaan telah berusaha untuk membuat brand kendaraan listrik mereka sendiri. Salah satu komponen penting dalam kendaraan listrik adalah baterai. Baterai merupakan sumber energi kendaraan untuk menggerakan motor listrik. Saat berkendara baterai akan mengalami peningkatan temperature akibat Joule Heating. Untuk mencegah terjadinya overheat maka perlu dilakukan simulasi. Pada tulisan kali ini, akan disimulasikan battery pack dengan konfigurasi 2 seri dan 2 parallel.

Simulasi yang akan dilakukan yaitu ada 2 tahap menggunakan Ansys Fluent. Pertama baterai akan disimulasikan tanpa pendingin. Baterai akan mengalami natural convection. Kedua baterai akan dihembuskan oleh udara yang mempunyai debit massa 0.05 kg/s. Baterai memiliki kapasitas sebesar 4 Ah dan akan discharging sebesar 1C. Artinya baterai akan mengeluarkan arus sebesar 4 A selama 1 jam. Tujuan dari simulasi ini adalah untuk menentukan apakah baterai yang kita pakai perlu pendinginan atau tidak. Baterai memiliki temperature kerja sebesar 45℃.

PRE-PROCESSING

Karena baterai akan disimulasikan dua kali, maka kita memerlukan 2 domain. Solid domain yang terdiri hanya baterai dan busbar. Fluid dan solid domain yang terdiri dari baterai, busbar, dan fluida. Kedua domain dapat dilihat pada gambar di bawah

Gambar 1. Domain baterai yang akan disimulasi
Gambar 2. Pembagian body pada baterai

Sebelum melakukan simulasi kita perlu menentukan active zone dan passive zone dari baterai. Active zone merupakan bagian yang mengalami reaksi kimia yaitu tubuh baterai. Passive zone merupakan kutub positif, kutub negatif, dan busbar baterai. Kita perlu membagi body baterai kita menjadi tiga bagian. Pembagian body baterai ini dapat di lakukan di software Space Claim. Gambar 2 menunjukan pzone1 merupakan kutub positif, nzone1 merupakan kutub negatif, dan batt1-solid merupakan active zone.

Selanjutnya kita perlu menggambar busbar. Busbar berfungsi untuk menghubungkan kutub-kutub baterai sehingga mendapatkan konfigurasi yang kita inginkan. Untuk mendapatkan 2 seri dan 2 parallel maka kita perlu membagi body baterai kita seperti pada gambar di bawah. Sebagai design engineer, kita harus tau bagaimana cara meletakan busbar sehingga menghasilkan 2 seri dan 2 parallel.

Gambar 3. Pembagian kutub-kutub baterai dan peletakan busbar

Meshing baterai menggunakan polyhedral mesh menggunakan fluent meshing seperti pada gambar di bawah

Gambar 4. Mesh baterai

SETUP

Gambar 5. Battery model
Gambar 6. Equivalent Circuit Model

Jika kita ingin mensimulasikan Joule heating pada baterai kita perlu mengaktifkan Battery Model. Pada Solution Method pilih MSMD. MSMD akan menampilkan hasil temperature dan heat generation lebih akurat. Karena mensimulasikan baterai menggunakan reaksi elektrokimia merupakan hal yang sulit, kita akan menggunakan E-chemistry Model Equivalent Circuit Network (ECM). ECM merupakan sebuah metode yaitu memodelkan baterai menjadi sebuah rangkaian elektronika yang terdiri dari resistor dan kapasitor sehingga kita tidak perlu mendefinisikan reaksi elektrokimia. Reaksi elektrokimia baterai telah dimodelkan oleh sebuah rangkaian listrik. Gambar 4 menunjukan rangkaian ECM. Resistor berfungsi sebagai mudah atau tidaknya baterai mengeluarkan arus. Kapasitor sebagai penahan muatan pada baterai. Misal ada sebuah baterai kapasitansi besar dan resistansi kecil, artinya adalah baterai tersebut akan lebih cepat mengeluarkan arus.

Gambar 7. Conductive zone

Pada bagian ini kita memilih active component yaitu yang bernamakan cell dan sisanya merupakan passive component.

Gambar 8. Electric contact

Pada bagian ini kita memilih ujung kutub positif dan ujung kutub negatif. Meskipun pada battery pack terdapat banyak kutub positif dan negatif yang dipilih hanyalah satu. Fluent akan menghitung sendiri bagaimana rangkain baterai ini akan tercipta. Untuk menguji apakah pelatakan busbar dan kutub-kutub baterai kita sudah benar, kita dapat menekan tombol print battery system connection information, maka pada console akan tertulis jumlah rangkaian seri dan parallelnya.

Gambar 9. Model Parameters
Gambar 10. Data HPPC
Gambar 11. Pengujian HPPC
Gambar 12. Sampel Grafik HPPC Test

Model parameter digunakan untuk memasukkan data Hybrid Pulse Power Characterization (HPPC). HPPC dilakukan dengan cara discharging baterai dari 100% sampai 0% dengan jeda penurunan sebesar 10% seperti pada gambar 11. Hal ini dilakukan untuk mengetahui karakteristik baterai ketika mengeluarkan arus. Untuk dapat mensimulasikan baterai lebih akurat maka kita perlu melakukan HPPC ke baterai yang akan kita pakai.

Sampel HPPC pada SoC 0.99 dapat dilihat pada gambar 12. Pertama baterai dalam keadaan voltase maksimal, diberi beban sehingga dia akan mengalami penurunan voltase, beban dicabut sehingga voltase akan naik lagi semula. Langkah ini diulangi sampai kapasitas baterai menjadi 0%. Data HPPC yang perlu diinput di fluent berupa file notepad (.txt). Format filenya dapat dilihat pada gambar 11.

Gambar 13. Baterial material

Kita perlu mendefinisikan material baterai seperti pada gambar 13. Karena menggunakan battery model, maka akan muncul electrical conductivity pada setiap solid material yang dipakai. Karena baterai merupakan non-ortrophic material, maka kita perlu mendefinisikan konduktivitas thermal pada sumbu x, y, dan z.

Gambar 14. Solution control

Untuk mensimulasikan pendinginan pada baterai disini menggunakan cara frozen flow field. Pertama kita akan mensimulasikan aliran udaranya saja secara steady state. Hasil simulasi steady state tersebut berupa tekanan udara dan kecepatan udara. Hasil tersebut akan disimpan lalu dilanjutkan simulasi secara transient (discharging baterai). Kita dapat mematikan flow dan turbulence equation pada solution control seperti pada gambar 14.

POST-PROCESSING

Gambar 15. Temperature kerja baterai dengan dan tanpa pendingin

Gambar diatas menunjukan temperature baterai ketika didinginkan dengan udara dan tanpa dindinginkan. Berdasarkan hasil simulasi di atas dengan  mendinginkan dengan udara temperature baterai dapat turun sampai 7℃.

Gambar 16. Aliran udara dan temperature baterai

Gambar di atas menunjukan pola aliran udara yang tercipta di dalam casing baterai. Disini kita dapat mengevaluasi peletakan baterai dan desain casing apakah sudah efisien sehingga tidak ada udara yang mengalami resirkulasi di dalam.

Related Posts