电池模块热设计挑战

针对使用周期设计电池模块存在几个独特的热工程挑战。

使用循环（例如驾驶循环）涉及可变的负载、速度和环境条件，要求电池在动态压力下提供一致的性能。管理热行为至关重要，因为波动的电流会产生热量，使电池质量下降。设计人员必须确保最佳的能量密度、功率输出和安全性，同时平衡尺寸、重量和成本限制。此外，必须仔细匹配电池，以避免影响性能和使用寿命的不平衡。预测实际循环下的长期退化会使设计进一步复杂化。总体而言，在各种驾驶场景中实现耐用性、效率和可靠性需要精心的工程设计和先进的控制策略。
 

工程解决方案

为了解决驾驶循环中的电池模块挑战，工程师采用了多种解决方案。热管理系统（如液体冷却或相变材料）可调节温度并防止过热。电池管理系统 （BMS） 监控电压、电流和温度，以确保电池平衡和安全运行。先进的建模和仿真工具有助于预测各种驱动条件下的性能和退化。细胞选择和匹配提高了均一性和寿命。结构设计优化了包装的重量、耐用性和碰撞安全性。此外，自适应控制算法实时调整功率输出，以在各种驾驶场景中提高效率并延长电池寿命。

使用 ANSYS Fluent 是评估电池热系统解决方案的有效工具;但是，这些评估可能会带来一些挑战。创建精确的模型需要详细的输入数据，包括各种条件下的材料属性和单元行为，这些数据可能很难获得。在考虑使用周期时，在 Fluent 中验证高保真模拟是计算密集型且耗时的。通过利用 Ansys 数字孪生中的降阶模型，可以实时评估使用周期的热解决方案。本博客介绍了电池模块的线性时间不变 （LTI） 降阶模型 （ROM）。

 

方法

在本讨论中，使用 Ansys Fluent 和 Digital Twin 设置电池模块热仿真涉及几个步骤。这些步骤包括思维导图、产品图谱、Fluent 案例设置和 Twin Builder 数字孪生设置。

思维导图：生成吹塑特性的思维导图，以结构化的方式组织和表示想法、概念或信息。下面的思维导图显示了模拟研究的目标以及为实现目标而提出的问题。每个问题后面都有一个理论、行动和预测来解决每个问题。生成结果时，结果也会添加到每个分支的底部。

 

 

 

产品地图：生成吹塑型坯和模具的产品图，以列出和分类产品特征。产品图谱表示与思维导图中的理论/行动相对应的一些因素。

 

 

Fluent 训练模拟：Fluent 模型是根据思维导图生成的研究出于训练目的而执行的。首先执行稳态冷流仿真，为冷板冷却剂流生成一个解，其中单元热释放为零，极耳电流为零。然后，流动方程被停用，能量方程被激活。下图显示了在 Fluent Battery 模型中使用单输入多输出和多输入多输出降阶模型训练 LTI 模型的步骤顺序。

下图显示了 Battery ROM Tool Kit 的激活以及从 Battery Model 面板中选择 LTI ROM 类型。

下图显示了在选择 Volume Heat 时单输入多输出 （SIMO） 与多输入多输出 （MIMO） ROM 的不同选择程序。提示：在单击“Add as a Group”或“Add Individual”按钮之前指定瓦数值。

 

在这两种情况下，焦耳热的 Input Tab Current 都被激活;两种情况都使用单独添加的单元格，如下所示。设置 Transient Setup （瞬态设置） 后，设置将变为 Applied （应用），并激活 Run Training （运行训练）。

 

 

数字孪生仿真：Twin Builder 中线性时不变 ROM 的数字孪生功能可通过 Twin Builder > Toolkit >热模型识别进行访问。下图显示了在 Twin Builder 中使用单输入多输出降阶模型（左）和多输入多输出降阶模型（右）执行 LTI 模型的步骤顺序。

 

 

生成的模型从元件库拖动到原理图窗口中。将热负荷和电流的恒定输入添加并连接到模型。在电流常数模块和焦耳热输入之间添加了一个平方函数，因为热负荷是电流平方的函数。对于 SIMO ROM，恒定的热负荷对应于模块的磁头负荷。对于 MIMO ROM，恒定的热负荷连接到所有输入，其值等于每个单元的热负荷。

 

 

执行 Twin Builder 分析以生成瞬态温度结果。 执行仿真计算以生成结果，重点关注温度和仿真时间。Fluent 运行与 10 个处理器并行执行，使用的时间步长等于为数字孪生运行指定的最大时间步长。分析治疗数据以回答理论问题并确认或反驳预测。
 

Fluent 和 Digital Twin 仿真结果

训练时间的图形分析：下面的图表显示了在 Fluent 中训练 ROM 所花费的时间。多输入多出口训练 （MIMO） 花费的时间是单输入多输出 （SIMO） 训练的六倍多，因为有 13 个输入，而 2 个输入。

 

 

仿真时间的图形分析：下图显示了在 Fluent 和数字孪生中模拟使用情况所花费的时间。第一种情况具有恒定的热负荷，而第二种和第三种情况具有瞬态热负荷。数字孪生的运行时间不到 4 秒。相应的 Fluent 运行需要数小时才能完成。

 

 

模拟温度的图形分析： 下图显示了 Fluent 运行与具有恒定热负荷的相应 SIMO 和 MIMO ROM 之间的温度比较。很难看到温度的差异;但是，仿真时间差异很大。

 

模拟温度的图形分析： 下图显示了 Fluent 运行与相应的具有正向和反向循环载荷的数字孪生运行之间的温度比较。很难看到温度的差异;但是，仿真时间差异很大。

 

电池电流影响的图形分析： 下图显示了正向和反向循环负载下两个电流水平之间的温度比较。在循环结束时可以看到半度的温差。每次运行执行时间不到 4 秒。