Digital Twin可防止电池组模拟时间耗尽

阿齐塔·索莱曼尼，
美国圣克拉拉电子冷却解决方案总监。

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。

制造世界最终将需要的数亿块锂离子电池以实现电动移动，这是一项充满技术挑战的大规模工程。在大规模推出“绿色”汽车之前，必须解决对电池组尺寸、重量、成本和可持续性的担忧。有关电池寿命和安全性的问题也是如此，这些问题可能会受到热条件的影响。在其他好处中，在给定范围内调节电池和电池组温度可以增加电池可以达到的循环次数，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。

电池模块的温度曲线

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
• 验证快速驾驶、冷启动和快速充电等攻击性场景的设计
• 进行故障排除
• 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窄，并且取决于电池供应商、充电和放电模式以及其他因素。为确保性能并避免不可逆转的损坏，电池的平均温度及其温差应在目标范围内。

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，分离器故障的原因有很多：侧面碰撞会撕裂分离器，电击会刺穿或刺穿分离器，极端温度（环境温度或与汽车运行相关的温度）会导致分离器倒塌。如果发生上述任何事件，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
• 散热率是冷却液流量、冷却系统设计和冷却液物理特性随温度变化的函数
• 耗散热的三维扩散

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，Electronic Cooling Solutions开发了一种数字孪生兄弟，它提供了3D电池组模拟的准确性和可靠性以及1D的计算速度。

表示锂离子电池单元时间热和电性能的2RC模型

Digital Twin支持实时分析

该公司使用Twin Builder来捕获实时传感器数据，并开发了一个锂离子电池组的数字孪生模型，该模型能够在实时环境中捕获实时行为。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、冷却液流速和不同的充放电曲线。

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创建了一个电池单元的等效电路模型（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发热。ECM方法基于不同外部条件下电池的阻抗响应（即其对交流电的电阻）。

然后，工程师使用Fluent进行瞬态3D模拟，以生成电池组级别的响应曲线。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。在Twin Builder中将电池单元的ROM和ECM连接起来，生成了电池组的数字Twin模型。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，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，计算成本高且耗时。但是，预计到2040年，道路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性取决于此。

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