Qu’il s’agisse de modéliser des tests de performance de référence, des scénarios de cycles personnalisés ou des conditions d’utilisation réelles, définir le profil de charge correspondant constitue une étape importante dans la modélisation des batteries. Dans la première partie de cette série d’articles en deux parties, nous avons examiné différentes approches pour définir les cycles de charge. La version 6.4 introduit une nouvelle fonctionnalité qui facilite considérablement cette étape. Examinons de plus près la fonctionnalité Cycle de charge, un outil simple et robuste permettant même de définir les scénarios de cycles les plus complexes.
Il s’agit du second article de blog d’une série en deux parties sur la définition des cycles de charge dans les modèles de batteries. Vous pouvez retrouver la première partie ici.
Introduction
Les scénarios de cycles de batteries peuvent comporter des processus complexes en plusieurs étapes et ne se résument pas toujours à l’application d’un courant constant de charge et de décharge, avec une commutation basée sur un seuil de tension. En pratique, les batteries peuvent fonctionner selon un contrôle de courant, de tension ou de puissance, ou une combinaison des trois, spécifié soit par des données d’entrée constantes ou variables, soit par des données tabulées. Les transitions entre ces modes peuvent être régies par de simples conditions de durée ou par des critères plus spécifiques, définis par l’utilisateur et basés sur divers indicateurs de performance. De plus, les profils de charge peuvent consister en de simples séquences répétées ou inclure des boucles imbriquées au sein d’un protocole plus large.
La spécification des profils de charge est importante pour modéliser précisément les performances des systèmes de batteries réels.
Lors de l’intégration de ces profils dans un modèle de batterie, il est tout aussi important de prendre en compte leurs aspects numériques, au-delà de leur simple définition et personnalisation. Les changements brusques et les conditions complexes de commutation dans le profil de charge peuvent entraîner des problèmes de stabilité numérique pendant la simulation. Comme indiqué dans la première partie , l’utilisation d’un profil basé sur des événements, soit directement via l’interface Evénements, soit via la fonctionnalité prédéfinie Cycle de charge-décharge, constitue souvent la meilleure approche pour garantir le bon comportement du solveur lors de transitions de charge soudaines. Cependant, la fonctionnalité Cycle de charge–décharge est limitée aux profils CCCV (Constant Current-Constant Voltage), avec ou sans périodes de repos, où la commutation repose sur des seuils de courant et de tension. Bien que l’interface Evénements n’impose aucune restriction quant aux types de scénarios de cycles pouvant être définis, la mise en œuvre de profils de charge à l’aide de celle-ci nécessite un certain niveau d’expertise et peut s’avérer fastidieuse pour les cas plus complexes de cycles. Pour remédier à cela, la fonctionnalité Cycle de charge, basée sur les événements, a été introduite dans la version 6.4 afin de faciliter le processus. Conçue pour être à la fois complète et flexible, elle permet aux utilisateurs et utilisatrices de définir un large éventail de scénarios de cycles tout en préservant la robustesse numérique du modèle.
Où trouver le noeud Cycle de charge dans l’arborescence du modèle
L’emplacement du noeud Cycle de charge dans l’arborescence du modèle dépend de l’interface physique utilisée dans le modèle. Dans les modèles de batteries détaillés, tels que les interfaces Batterie lithium-ion et Batterie avec électrolyte binaire illustrées dans la capture d’écran ci-dessous, ainsi que dans les interfaces Distribution de courant, le noeud Cycle de charge est disponible en tant que condition limite. Dans ces modèles, les électrodes étant représentées explicitement, le pôle négatif est mis à la masse et le profil de charge est attribué au pôle positif afin de refléter les conditions de fonctionnement. Lorsque les noeuds Surface de l’électrode, Électrode poreuse mince, Surface d’électrode perforée ou Électrode poreuse hautement conductrice sont présents au sein de ces interfaces, Cycle de charge a été inclus en tant qu’option dans le menu déroulant Condition de potentiel sur la phase électrode de ces noeuds. Pour les modèles simplifiés, Cycle de charge est inclus en tant que Mode opératoire dans l’interface Modèle réduit de batterie et en tant que condition limite pour les conducteurs de courant dans l’interface Pack batterie.
La fonctionnalité Cycle de charge peut être retrouvée en tant que condition limite en faisant un clic droit sur les interfaces Batterie lithium-ion et Batterie avec électrolyte binaire ou en la sélectionnant depuis le ruban supérieur.
Les atouts de la fonctionnalité Cycle de charge
Dans la fenêtre de réglages de Cycle de charge, le type de charge peut être sélectionné. Dans la section Type de chargement, vous pouvez choisir entre Galvanostatique, Potentiostatique, ou une combinaison des deux, comme illustré sur la capture d’écran ci-dessous. Sélectionner le type galvanostatique ou le type potentiostatique limite les modes de fonctionnement à Courant et Taux C, ou à Tension, respectivement. Les noeuds enfants Repos et Sous-boucle sont également proposés. La sélection de l’option combinée Potentiostatique et galvanostatique permet d’accéder à tous les modes, y compris le mode Puissance.
Les transitions entre les modes opératoires ajoutés peuvent se baser sur plusieurs critères, notamment le temps écoulé, des valeurs seuils (telles que la tension ou l’intensité) ou toute expression définie par l’utilisateur. Si l’option Utiliser le temps écoulé seulement est sélectionnée dans les réglages du noeud parent, les transitions sont limitées à une commutation (explicite) basée sur le temps écoulé. Dans le cas contraire, d’autres options sont également disponibles pour contrôler les transitions entre les modes.
La fenêtre de réglages de Cycle de charge propose des options permettant de mettre fin au cycle de charge, telles que des seuils basés sur la durée totale de cyclage, le nombre de cycles, la tension ou n’importe quel critère défini par l’utilisateur. Cette fonctionnalité intégrée permet aux utilisateurs de définir la fin du cyclage sans avoir à introduire manuellement des variables ni à ajouter de conditions d’arrêt dans les configurations du solveur. Ces conditions peuvent être sélectionnées dans le menu déroulant Condition d’arrêt du cycle de la fenêtre de réglages de Cycle de charge.
Les réglages permettent également aux utilisatrices et utilisateurs d’activer des sondes globales prédéfinies, qui surveillent automatiquement la tension et le courant. L’utilisation de sondes dans le modèle, quelle que soit la physique impliquée, offre des avantages, tels que la possibilité de visualiser les résultats sans attendre la fin de la simulation, d’utiliser des variables de sonde (variables globales) dans la section Résultats, ou de définir des expressions au sein du modèle. Dans la modélisation des batteries, en particulier, il est fortement recommandé de suivre la tension et le courant pendant la simulation, car cela aide à comprendre le comportement de la batterie pendant un cycle de charge et facilite le diagnostic d’éventuelles erreurs.
La fenêtre de réglages de Cycle de charge montrant la sélection du type de chargement, l’option permettant de limiter la méthode de continuation par rapport au temps écoulé seulement, et les réglages des conditions d’arrêt de cycle et des sondes de courant et de tension.
Utilisation de la fonctionnalité Cycle de charge
Tout profil de charge peut être défini en précisant ses étapes, les caractéristiques de chacune d’elles, les transitions entre ces étapes et les conditions d’arrêt de la séquence de cyclage. Une fois le noeud Cycle de charge ajouté à l’interface Batterie lithium-ion (ou à n’importe quelle interface d’Electrochimie) et le type de charge défini dans la fenêtre de réglages de Cycle de charge, la construction du profil de charge commence par l’ajout des étapes du profil en effectuant un clic droit sur le noeud et en ajoutant les étapes correspondantes dans l’ordre. Une fois les étapes ajoutées et organisées comme souhaité, chacune d’entre elles peut être personnalisée en spécifiant une valeur constante ou en attribuant une fonction décrivant le comportement de cette étape. Le type de donnée d’entrée pour chaque étape peut être sélectionné dans la fenêtre Réglages correspondante à partir d’un menu déroulant, avec les options de valeur, de fonction ou de séquence d’étapes permettant de définir les valeurs des données d’entrée. Le passage d’une étape à la suivante s’effectue lorsque la condition de commutation, définie via les Conditions de continuation, est remplie et appliquée par l’intermédiaire de la fonctionnalité d’événements du solveur.
Bien que l’utilisation de fonctions pour définir le profil de charge ait été abordée dans la première partie, leur intégration dans ce contexte basé sur des événements améliore la stabilité numérique lorsque la charge est appliquée au modèle, car le lissage des fonctions n’est pas nécessaire. Vous pouvez également utiliser une séquence d’étape, qui permet d’importer ou de définir localement une table des instants auxquels la valeur de consigne est mise à jour. Cette option est particulièrement utile lors de l’importation d’un profil de charge défini par l’utilisateur, tel qu’un cycle de conduite, depuis un fichier texte dans COMSOL®. Les captures d’écran ci-dessous présentent deux exemples différents de profils de charge, chacun construit avec des étapes et des types de données d’entrée différents.
Utilisation de la fonctionnalité Cycle de charge pour définir un profil de charge et de décharge à intensité constante 1C, avec des durées prédéterminées. Une période de repos est définie entre la charge et la décharge et à la fin du cycle.
Un cycle de conduite, basé sur une table du taux C en fonction du temps, est défini en sélectionnant “Séquence d’étape” comme type de donnée d’entrée pour le taux C.
Pour prendre en charge les scénarios nécessitant une boucle imbriquée dans une séquence principale, il est possible d’ajouter le noeud enfant Sous-boucle. Cette fonctionnalité n’est accessible que si l’option Utiliser le temps écoulé seulement n’a pas été sélectionnée dans les réglages de Cycle de charge. La Sous-boucle contient ses propres noeuds pour différents modes de fonctionnement, à l’instar de la séquence principale, représentant une boucle au sein du processus global. La Sous-boucle effectue des itérations sur ces modes, et sa durée est contrôlée par une condition d’arrêt sélectionnée. Cette condition peut être basée sur le temps écoulé, le nombre de cycles ou un critère défini par l’utilisateur. Une fois la condition remplie, la simulation revient à la séquence principale ou, si la sous-boucle constitue l’étape finale, passe au premier noeud situé sous le noeud Cycle de charge. La capture d’écran ci-dessous montre un profil simple comportant une sous-boucle. Un tel profil peut être facilement enrichi afin d’inclure plusieurs sous-boucles avec des modes de fonctionnement et des critères d’arrêt totalement différents.
La fonctionnalité Sous-boucle permet de définir un profil constitué de deux cycles de charge et de décharge, suivi d’une charge et d’une période de repos.
Conclusion
Bien que toutes les méthodes de définition des cycles de charge abordées dans la première partie restent valables, la fonctionnalité Cycle de charge introduite dans la version 6.4 offre une approche plus simple et plus robuste numériquement, qui prend également en charge des profils complexes et personnalisés. Les principaux aspects de cette fonctionnalité ont été abordés dans cet article de blog, et les utilisateurs peuvent désormais commencer à l’utiliser dans leurs simulations de batteries. La plupart des exemples de la bibliothèque d’applications ont été mis à jour pour utiliser cette fonctionnalité et permettent d’illustrer différents scénarios mis en œuvre grâce à celle-ci.
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