安似科技：动力电池包三维耦合热管理方案

2023-07-17 15:39 来源: 盖世汽车作者: 雾城

摘要：Ansys-安似科技（上海）有限公司高级应用工程师陈桂杰介绍，Ansys是全球最大多学科CAE综合服务供应商，专注于仿真，客户遍布各行业。Ansys致力于利用仿真帮助客户推动创新。

Ansys-安似科技（上海）有限公司高级应用工程师陈桂杰介绍，Ansys是全球最大多学科CAE综合服务供应商，专注于仿真，客户遍布各行业。Ansys致力于利用仿真帮助客户推动创新。

Ansys长期关注的技术研究方向包括数值计算、网格模型、机器学习、云部署和数字孪生增材等各个领域，全方位发展。Ansys的产品涵盖了结构、流体、电磁、半导体、光学、系统功能安全等各个方面的软件。

陈桂杰 | Ansys-安似科技（上海）有限公司高级应用工程师

以下为演讲内容整理：

Ansys动力电池整体解决方案

动力电池在研发过程中，在流体和结构方向遇到的主要问题如下。

图源：嘉宾演讲材料

流体方向应用最广泛的就是热管理，还包括电化学、水管理、短路、降阶模型、寿命模型和电池膨胀模型等。结构方向可以涉及到结构的刚度强度、振动、疲劳耐久、冲击跌落、耦合和优化等方面的分析。

图源：嘉宾演讲材料

为了解决动力电池研发中遇到的系统和工艺问题，Ansys也有相应的系统工具提供解决方案。系统方向的应用包括动力系统、降阶模型、电磁兼容问题。工艺方向的应用包括匀浆、涂布、干燥、辊压、切割、注液等工艺操作。

这是目前用户最多的热电耦合电池管理案例。使用电化学模型和共轭传热计算在Fluent中实现三维的热电耦合仿真。

图源：嘉宾演讲材料

在刚才的模型中，由于是通过三维仿真实现的，计算时间较长，如果涉及到真实驱动循环的计算，三维仿真时间就无法满足系统仿真需求。因此，就用到降阶模型。也就是在系统仿真中，使用等效电路模型计算电池热性能，然后通过降阶模型将三维CFD计算的热部分通过降阶实现，从而快速得到准确结果。通过电和热的耦合，就可以得到实时的热电耦合仿真结果，得到实际驱动循环中的温度变化。

图源：嘉宾演讲材料

这个案例是电池加上BMS管理系统的系统仿真，也用到了降阶模型，其中BMS系统可以起到监控和遇到突发情况时采取措施的作用，在电池过热时采用限流措施，实现系统仿真效果。

关于电池热失控热蔓延，电池热失控通常是从一个电芯开始，如果不采取措施，将会继续蔓延，甚至蔓延到整个电池模组和电池包。进行热失控仿真分析的目的，就是通过一些防护措施消除热失控，或者即使不能消除，也可以延迟热失控在电芯上蔓延的时间，让人员有相应的反应时间。

关于电池寿命模型，在热电耦合模型中，如果再加上基于经验的寿命模型，就可以更准确地预测电池老化的情况，例如在预估续航里程时就会更精确。

以下是电池工艺方面的仿真实例，如匀浆时的搅拌、涂布、拉膜及装配后的注液等，Ansys都有相应的解决方案。

图源：嘉宾演讲材料

电池共轭传热和降阶模型

图源：嘉宾演讲材料

Ansys Fluent前处理具有自动网格化流程。在做电池模组和电池包的时候，推荐的是Watertight workflow，流程易用性非常好，上手快，很快就可以得到类似的网格。对于网格类型，流程支持多种网格类型，如四面体、多面体、六面体核心等，还有Ansys申请专利的Mosaic网格，也就是六面体核心和多面体混合的网格，且网格生成速度非常快。

对于共轭传热界面，有些客户可能用过我们以前的版本，新版本对电池模块进行了更新，通过全新的耦合方式，将共轭传热功能集成到整个电池模块中，操作起来会更方便直观。

功能模拟接口(FMU)是一个开放的标准，允许不同的软件在耦合仿真过程中交换信息，功能模拟单元(FMU)是根据FMI标准编写的文件，并且Fluent现在支持在电池包热分析系统的联合仿真中加载FMU文件。同时她还表示，通过使用FMI接口，可实现Fluent与第三方软件间的联合仿真，如Simulink、Matlab、Cosmol；前提是第三方软件可将相应模型导出为FMI2.0格式的FMU文件；以共扼传热为例，将第三方FMU导入，实时将电池总热功率导入到Fluent中作为源项，进行共扼传热计算。

关于降阶模型，从提供热源到得到温度输出，降阶模型满足线性时不变系统，线性时不变可以简单理解为，热源叠加的温度变化呈现线性特性，不随时间改变。从数学角度看，是一个卷积过程，做法是三维仿真模型根据热源输出温度响应，将三维CFD计算视为训练数据生成降阶模型。降阶模型的输入是在实际驱动循环工况中，对于长时间的瞬态输入，可以很快得到相应温度变化的输出。

图源：嘉宾演讲材料

而且降阶模型的计算时间非常短，三维计算可能需要几个小时，而降阶模型只需几秒钟就可以完成。因为是基于三维CFD模型得到的训练数据，所以精度非常高。

热电耦合模拟的做法是使用等效电路模型来模拟电的性能，在热部分使用降阶模型，最后通过系统工具实现热和电耦合。图中是大众汽车的案例。

图源：嘉宾演讲材料

中创新航也使用了Ansys的降阶模型，ECM和ROM的耦合能准确地输出每个电池上的温度分布。荣盛盟固利的案例计算了多个循环工况，并使用降阶模型。通过CFD结果和降阶结果的曲线对比，发现实际上偏差只有零点几度。天津力神使用Ansys的降阶模型做的案例显示，三维计算时间为7200秒，而降阶模型只需两秒钟。

LTI-ROM降阶模型可以得到电芯上的平均温度或最大温度等定量结果，如果想了解三维电芯上的温度分布，另外还有一个降阶模型叫SVD-ROM，与LTI原理相似，只是最后任务会多一步，要把降阶模型得到的结果返回到三维Fluent里，得到三维温度分布云图。

电池热电耦合仿真

图源：嘉宾演讲材料

在Fluent里提供了一个MSMD方法，叫做多尺度多维度方法。因为电池涉及的尺度非常大，所以多尺度多维度方法可以理解为，在三维层面上寻求能量守恒和电势方程，将每个CFD网格看作一个小电池，在小电池上求解电化学反应，然后通过结果中的q和j来封闭三维模型里的方程。

Fluent里提供了几种电化学子模型，其中Newman P2D模型由于需要求解的方程个数较多，参数也很多，且不易得到，因此实际应用相对较少。

我们推荐的两个模型，一个是等效电路模型(ECM)，在学术界和工程界已经得到广泛认可。使用ECM电化学子模型会用到HPPC实验数据，通过脉冲放电数据拟合等效电路模型里相应的参数。另一个电化学子模型是NTGK模型，对比等效电路模型会更简化，因为等效电路模型有两个RC回路，对剧烈负载变化的跟随性较好，但NTGK模型里没有，所以相对简化一些，数据拟合也会更容易一些，需要用到的实验数据是倍率放电曲线，拟合工作可以在Fluent里自动完成。

中创新航案例中使用等效电路模型，对单个电芯热电耦合仿真结果和实验结果进行对比，还进行了模组仿真和实验的对比，以及整个电池包PACK仿真与实验对比，结果都吻合得很好，很好地证明了Fluent三维热电耦合的仿真精度。

图源：嘉宾演讲材料

电池热安全仿真

关于热安全仿真，Fluent提供了两种热失控模型，一种是一方程模型，一种是四方程模型。一方程模型把反应速率作为温度函数统一在一个方程中进行表示，四方程模型会根据不同的反应时间和位置表示为四个方程。

图源：嘉宾演讲材料

Ansys与清华大学合作了热失控案例。

虚线是Fluent结果，实线是实验结果，通过曲线对比，仿真结果和实验结果对比都非常好。

广汽弹匣电池组的热失控案例，初始设计是会发生热失控，客户找到了优化方法，在侧面开孔，把多余的热量导走。通过优化措施，可以保证热失控只发生在一个弹匣里，而不向另一个弹匣蔓延。

电池热失控常常会伴随电池爆喷，Ansys也提供了电池爆喷仿真功能。爆棚案例中从第一个电芯开始发生爆喷，然后热失控依次向下蔓延，但因为整个电池里没有把喷出的热气与电池包隔离，所以热失控并非按顺序排列。所以现在在电池包设计中，通常需要将产生的热气与电池包隔离。此外，爆喷会产生许多可燃气体，再加上氧气，会出现燃烧现象。Ansys也提供相应的燃烧解决方案。

电池寿命和膨胀仿真

电池寿命可以分为日历寿命和循环寿命。日历寿命是指电池长时间放置后的容量下降，可以根据已有实验数据总结出经验模型。循环寿命可以根据实验数据，如多少次循环，以及温度情况得到电池衰减数据，并将基于经验的模型加入仿真中。