数字孪生防止消耗电池包模拟时间

作者:Azita Soleymani
美国圣克拉拉电子冷却解决方案公司董事

全球向电动汽车(ev)的转变即将到来，除非出现替代技术，否则它将由大容量锂离子电池(Li-ion)驱动。

制造世界最终将需要的数以亿计的锂离子电池是一项充满技术挑战的浩大工程。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。电池寿命和安全问题也是如此，这可能会受到热环境的影响。除其他好处外，在给定范围内调节电池和电池组的温度可以增加电池可以实现的循环次数，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。

电池模块温度分布图

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。

最近，该公司使用Ansys Fluent和Ansys Twin Builder对电池组热系统的设计优化进行了研究。模拟电子冷却解决方案:

• 开发和验证最佳的操作设置，以确保用户的舒适和安全
• 验证快速驾驶，冷启动和快速充电等激进场景的设计
• 进行故障诊断
• 预测性能随年龄增长而衰减

该图显示了锂离子电池等效电路模型的典型发热数据。颜色表示操作温度对产热率的影响。

监控电池包进行预防性维护

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。电池成本占电动汽车总成本的50%并不罕见。

锂离子电池主要有两种类型:圆柱形和棱柱形。圆柱形电池很小，通常直径为2厘米，高度为7厘米，在一个普通的电池组中很容易有数千个圆柱形电池。通常，这些单元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——并避免不可逆转的损坏——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而产生热量。不幸的是，分离器可能会因多种原因而失效:侧面碰撞可能会撕裂它们，电击可能会刺穿或刺穿它们，极端温度，无论是环境温度还是与汽车运行有关的温度，都可能导致分离器崩溃。如果发生上述任何一种情况，都可能导致热失控。结果，电池开始冒烟，着火甚至爆炸。至于这辆车，它可能是一个完全的损失。

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，可靠的和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场系统，该公司必须考虑到各种关键因素，例如瞬态分析:

• 热的产生是电池组母线设计的一个功能，用于局部大电流功率分配，电化学反应的速度取决于电池的温度、充电状态(SoC)、电流和电化学特性
• 散热率是冷却剂流量、冷却系统设计和冷却剂物理性能随温度变化的函数
• 散热量的三维传播

实验设计(DOE)方法必须结合一系列条件，以确保满足所有热要求: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)来验证设计是不切实际的，因为必须考虑大量的情况。虽然可以执行并连接1D和3D模拟，但每种方法都有可能导致设计问题的局限性。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，考虑到大量的案例，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开发了一种数字孪生体，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模型代表锂离子电池的时间热学和电学性能

数字孪生实现实时分析

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，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曲线。

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，每个电池在某一时刻的热负荷取决于电池类型(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(串联一个电阻和电压源)。工程师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)，该模型考虑了所有电化学行为，然后将该模型应用于实时热生成。ECM方法基于电池在不同外部条件下的阻抗响应，即其对交流电的抵抗力。

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产生了电池组的数字孪生模型。它具有传统三维分析的精度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现有测试数据进行比较，验证了所开发的模型。然后，他们使用该模型来评估设计在各种操作下的可行性，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，在计算上既昂贵又耗时。但到2040年，预计超过一半的新车将是全电动汽车，¹车辆的可靠性和驾驶员的安全取决于它。

依靠Ansys结果驱动软件，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，计算时间从数周缩短到数小时。这大大缩短了产品上市时间。电子冷却解决方案公司为客户推荐了一款高性能产品，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.com报道:“到2040年，超过一半的新车将是电动汽车。