Digital Twin可防止电池组模拟时间耗尽

由Azita Soleymani,
美国圣克拉拉电子冷却解决方案主任

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。

最近，该公司利用Ansys Fluent和Ansys 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:

• 为用户的舒适性和安全性制定并验证最佳操作设置
• 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
• 进行故障诊断
• 预测性能随年龄增长而下降

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

监控电池组以进行预防性维护

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。

锂离子电池有两种主要类型：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，在一个普通电池组中很容易有数千个。通常，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:侧面碰撞可能撕裂它们，电击可能刺穿它们，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。至于汽车，这可能是一个彻底的损失。

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
• 冷却剂流量、冷却系统设计和冷却剂物理性质随温度变化的函数
• 散热的三维扩散

实验设计（DOE）方法必须包括一系列条件，以确保满足所有热要求：快速充电、冷启动、低温充电、低充电时放电以及不同的驱动循环。

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。

2RC模型代表了锂离子电池的时间热和电性能

Digital Twin支持实时分析

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。

为了制造数字孪生兄弟，工程师们首先对电池性能进行了表征。考虑到锂离子电池单元高度复杂的多物理性质，每个电池单元瞬间的热负荷取决于电池类型（制造参数）、SoC、电池温度、充电/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2RC模型表示（串联一个电阻和电压源）。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创建了一个电池的等效电路模型(ECM)，该模型包含了所有电化学行为，然后将该模型应用于实时产热。ECM方法是基于电池在不同外部条件下的阻抗响应，即其对交流电的电阻。

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与试验数据的比较验证了模型的有效性。然后，他们使用该模型来评估各种操作下的设计可行性，并对设计进行优化和排除故障。

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车辆的可靠性和驾驶员的安全都有赖于此。

通过依赖于ANSYS的结果驱动软件，电子冷却解决方案能够考虑有效的热监测系统所需的关键设计元素，并与其他方法相比，显著地减少了从周到数的计算时间。这导致上市时间大幅缩短。电子冷却解决方案为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