数字孪生防止耗尽电池组模拟时间

阿兹塔·索莱马尼，
美国圣克拉拉电子冷却解决方案总监

全球向电动汽车(ev)的转变正在到来，除非出现替代技术，否则它将由大容量锂离子电池提供燃料。

制造全球电动汽车最终需要的数以亿计的锂离子电池是一项充满技术挑战的巨大工程。在大规模推出“绿色”汽车之前，对电池组尺寸、重量、成本和可持续性的担忧必须得到解决。电池寿命和安全性问题也是如此，这可能会受到热条件的影响。在给定的范围内调节电池和电池组的温度可以增加电池的循环次数，使性能更加可靠。更重要的是，有效的热管理解决方案可以减少灾难性电池故障的可能性。

电池模块的温度分布

Electronic Cooling Solutions, Inc.为电子行业提供热管理专业知识，使用分析和优化工具(包括Ansys仿真软件)快速识别和解决热问题。万博

最近，该公司使用Ansys Fluent和Ansys 万博Twin Builder来研究电池组热系统的设计优化。模拟使电子冷却解决方案:

• 为用户的舒适和安全开发和验证最佳的操作设置
• 在快速驾驶、冷启动和快速充电等极端情况下验证设计
• 进行故障诊断
• 预测业绩会随着年龄的增长而衰退

该图显示了锂离子电池等效电路模型的典型热生成数据。颜色表示操作温度对发热率的影响。

监控电池包巡检

运行一辆电动汽车需要大量的能量，这就是为什么电池是如此重要和昂贵的部件。电池在电动汽车总成本中所占的比例高达50%，这并不罕见。

锂离子电池主要有两种类型:圆柱形和棱形。圆柱形电池很小，通常直径为2厘米，高度为7厘米，一个普通电池组中很容易有数千个圆柱形电池。通常，单元格被组织成称为模块的集群。多个模块组成一个包。

与电子设备中的大多数电子集成电路和微芯片不同，锂离子电池组的最佳温度范围非常窄，并且取决于电池供应商、充放电模式和其他因素。为了确保性能-并避免不可逆的损坏-电池的平均温度和它们之间的温差应该在一个目标范围内。

电池组设计有隔板，以防止电极相互接触并产生热量。不幸的是，分离器失效的原因有很多:侧面碰撞会撕裂它们，电击会刺穿或刺穿它们，环境或与汽车运行有关的极端温度会导致分离器倒塌。如果这些事件发生，就会导致热失控。结果，电池开始冒烟，着火甚至爆炸。至于那辆车，可能会是一笔大损失。

为了防止这些问题，电子冷却解决方案的特点是一个强大的，可靠的，经济高效的电池组温度监测系统。由于锂离子电池组是一个高度复杂的多物理系统，该公司必须考虑各种关键因素，例如以瞬态方式分析:

• 发热是电池组母线设计的功能，用于局部大电流配电，以及电化学反应的速度，这取决于温度、荷电状态(SoC)、电流和电池的电化学性质
• 热去除率是冷却剂流量、冷却系统设计和冷却剂物理性能随温度变化的函数
• 散热的三维扩散

实验设计(DOE)方法必须包含一系列条件，以确保满足所有的热要求:快速充电、冷启动、低温充电、低电量放电和不同的驱动循环。

使用传统的计算流体动力学(CFD)来验证设计是不实际的，因为需要考虑大量的情况。虽然可以执行和连接1D和3D模拟，但每种方法都有局限性，可能会导致设计问题。例如，尽管1D模拟速度很快，并且允许多物理场分析，但它不包括问题的3D可视化。另一方面，考虑到大量的情况，三维瞬态电池组模拟的计算成本可能很高。

为了克服这些问题，Electronic Cooling Solutions开发了一个数字双胞胎，提供了3D电池组模拟的准确性和可靠性，以及1D的计算速度。

2RC模型代表了锂离子电池的时间热性能和电性能

数字孪生支持实时分析

该公司使用Twin Builder捕获实时传感器数据，并开发了锂离子电池组的数字孪生模型，该模型可以捕获实时环境中的实时行为。这使得工程师能够对各种输入和操作条件进行深入的根本原因分析，包括初始SoC、温度、冷却剂流速和不同的充放电分布。

为了制造数字双胞胎，工程师们首先对电池的性能进行了表征。考虑到锂离子电池高度复杂的多物理场特性，每个电池单元在某一时刻的热负载取决于电池类型(制造参数)、SoC、电池温度、充放电模式、从电池中提取的电流大小和老化。通常，每个单元由一个2RC模型表示(一个电阻和电压源串联在一起)。工程师们还进行了混合脉冲功率表征(HPPC)测试，以表征和估计电池参数。

接下来，他们使用Twin Builder创建了电池的等效电路模型(ECM)，该模型可以解释所有电化学行为，然后将该模型应用于实时发热。ECM方法是基于电池在不同外部条件下的阻抗响应，即对交流电的电阻。

然后，工程师使用Fluent进行瞬态3D模拟，生成电池组级别的响应曲线。他们将响应曲线输入到Fluent的降阶模型(ROM)应用程序中，以创建电池组的ROM。在Twin Builder中连接电池的ROM和ECM，生成了电池组的数字孪生模型。它具有传统三维分析的准确性和一维系统级分析的速度。

电子冷却解决方案通过将结果与可用的测试数据进行比较，验证了开发的模型。然后，他们使用该模型评估各种操作下的设计可行性，并对设计进行优化和故障排除。

热管理对主流电动汽车至关重要

锂离子电池的热管理是一项艰巨的任务，计算成本昂贵且耗时。但到2040年，预计一半以上的新车将是纯电动的，¹车辆的可靠性和驾驶员的安全都取决于它。

借助Ansys结果驱动软件，万博Electronic Cooling Solutions能够考虑有效热监测系统所需的关键设计元素，与其他方法相比，计算时间从几周到几小时大幅缩短。这大大缩短了上市时间。电子冷却解决方案为他们的客户提供了高性能产品的建议，旨在帮助电动汽车成为主流，并使未来更接近现实。

源

1. 2019年9月6日，彭博新能源财经通过cnn网站报道:“到2040年，超过一半的新车将是电动的。