数字孪生防止耗尽电池模拟时间

由Azita Soleymani，
电子冷却解决方案导演，圣克拉拉，U.S.A.

全球电动汽车(ev)的转型即将到来，除非出现替代技术，否则将由高容量锂离子电池(Li-ion)驱动。

制造数以亿计的锂离子电池是一项充满技术挑战的艰巨任务，而电动出行最终将需要这些电池。在大规模推出“绿色”汽车之前，对电池组大小、重量、成本和可持续性的担忧必须得到解决。电池的寿命和安全性也会受到热环境的影响。此外，在给定范围内调节电池和电池组温度可以增加电池的循环次数，使性能更可靠。更重要的是，一个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。雷竞技提现什么要求

最近，该公司利用Ansys Fluent和Ansys 雷竞技提现什么要求Twin Builder对电池组热系统进行了优化设计。模拟电子冷却解决方案:

• 开发和验证最佳操作设置，使用户舒适和安全
• 验证该设计是否适用于快速驾驶、冷启动和快速充电等激进场景
• 进行故障排除
• 预测性能随年龄增长而下降

这张图显示了锂离子电池等效电路模型的典型产热数据。颜色表示操作温度对发热量的影响。

监测电池包进行预防性维护

操作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组件。电池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。圆柱形电池体积很小，通常直径为2厘米，高度为7厘米，在一个普通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狭窄，并取决于电池供应商、充放电模式和其他因素。为了保证性能，并避免不可逆的损害，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，以使电极彼此触摸并产生热量。不幸的是，分离器可能由于多种原因而失败：侧面碰撞碰撞可以撕裂它们，电击可以刺穿或穿刺它们，并且极端温度，无论是环境还是与汽车的操作相关，都会导致分离器坍塌。如果发生这些事件中的任何一个，它可能导致热失控。结果，电池开始吸烟，捕获火灾甚至爆炸。至于汽车，它可能是一个完全损失。

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，可靠的和经济有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，如瞬态分析:

• 电池组母线的设计(用于局部大电流功率分配)和电化学反应的速度(取决于温度、荷电状态(SoC)、电流和电池的电化学性质)的功能产生的热量
• 作为冷却剂流速的函数，冷却系统的设计和温度的冷却剂物理性质的变化率
• 散热的三维扩散

实验设计(DOE)的方法必须纳入一系列条件，以确保所有的热要求都得到满足:快速充电、冷启动、低温充电、低充电时放电和不同的驱动周期。

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案例。尽管可以执行并连接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很高。

为了克服这些问题，电子冷却解决方案公司开发了一种数字双胞胎，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。

代表锂离子电池电池的2RC模型的时间热和电气性能

数字双床使实时分析能够进行实时分析

该公司使用Twin Builder捕捉实时传感器数据，并开发了锂离子电池组的数字孪生模型，捕捉实时环境中的实时行为。这使得工程师能够对各种输入和运行条件进行深入的根本原因分析，包括初始SoC、温度、冷却剂流量和不同的充放电剖面。

为了产生数字双胞胎，工程师们开始描述电池的性能。考虑到锂离子电池高度复杂的多物理特性，每个电池在同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，每个电池由一个2RC模型(串联一个电阻和电压源)表示。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，它们使用双胞胎构建器来创建占所有电化学行为的电池单元的等效电路模型（ECM），然后将模型应用于实时发热。ECM方法基于电池单元的阻抗响应 - 即其对交流电流的电阻 - 在不同的外部条件下。

然后，工程师使用Fluent进行瞬态3D模拟，生成电池组水平的响应曲线。他们将响应曲线输入Fluent的降阶模型(ROM)应用程序，以创建电池组的ROM。连接ROM和ECM的电池在Twin Builder产生了一个数字双胞胎模型的电池组。它具有常规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可用测试数据进行比较来验证开发的模型。然后，它们使用该模型在各种操作下评估设计可行性，并优化和排除设计故障。

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，市面上一半以上的新车都将是全电动的，¹车辆可靠性和驾驶员安全取决于它。

电子冷却解决方案依靠Ansy雷竞技提现什么要求s结果驱动软件，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，计算时间从几周显著减少到几小时。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，旨在帮助电动汽车进入主流，并使未来更接近现实。

源

1. “到2040年，一半以上的新车将是电动的，”彭博新能源财经2019年9月6日通过CNN.com