2010 年代初以來(lái),，西門子 Simcenter STAR-CCM+ 電池組熱仿真一直是先驅(qū),，其功能是利用精確的 3D 等效電路模型執(zhí)行電池組冷卻耦合電熱仿真,。它計(jì)算發(fā)熱量的 3D 分布，從而能夠非常準(zhǔn)確地識(shí)別電池溫度梯度和熱點(diǎn),。

PART. 01  電池組熱仿真的價(jià)值

電池組的熱管理并不是一件新鮮事,。從一開始，它就對(duì)于確保電池在安全溫度范圍內(nèi)運(yùn)行,、最大限度地提高其性能,、最大限度地減少其退化以及避免任何危險(xiǎn)情況至關(guān)重要。仿真在此過(guò)程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用,。

要使模擬有價(jià)值,，關(guān)鍵在于模型能夠以合理的精度預(yù)測(cè)電池的發(fā)熱率。因此,，工程師可以識(shí)別電池占空比期間的溫度梯度和熱點(diǎn),。這使工程師能夠選擇最合適的冷卻策略，例如空氣冷卻,、液體冷卻或相變材料冷卻,。但它也有助于確定熱管理系統(tǒng)的尺寸并改進(jìn)其設(shè)計(jì)。

PART. 02  電池?zé)峁芾硪幌盗行绿魬?zhàn)

快進(jìn)到 2021 年,，汽車電氣化的競(jìng)賽是真實(shí)的,，許多原始設(shè)備制造商正在開發(fā)越來(lái)越多的新型電動(dòng)汽車車型。他們必須快速行動(dòng),，使其設(shè)計(jì)適應(yīng)許多不同的模型,，并利用設(shè)計(jì)探索來(lái)優(yōu)化每個(gè)冷卻系統(tǒng)。他們需要評(píng)估電池組在許多占空比下的熱響應(yīng)和電響應(yīng),。最后,，驗(yàn)證其在整個(gè)動(dòng)力總成中的集成。

但是,，由于實(shí)現(xiàn)耦合電熱仿真的工作流程過(guò)于復(fù)雜,，OEM 通常僅依靠簡(jiǎn)單的源項(xiàng)進(jìn)行電池組溫度預(yù)測(cè)。這可能會(huì)導(dǎo)致對(duì)溫度梯度的嚴(yán)重錯(cuò)誤預(yù)測(cè),，并限制在瞬態(tài)占空比中評(píng)估電池性能的能力,。這意味著電池組效率低下，提供更少的有用能量并且降解得更快,。

為了幫助應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn),，西門子 Simcenter STAR-CCM+ 電池組熱仿真 2021.3 發(fā)布了一種新的電池工作流程，其速度比 10 年代初發(fā)布的原始工作流程快 2010 倍,。它的設(shè)置也簡(jiǎn)單得多,，并在 HPC 和設(shè)計(jì)探索方面利用了最新的 Simcenter STAR-CCM+ 技術(shù)。

它提供：

1.用于電池電和熱速率預(yù)測(cè)的超快速 0D 等效電路模型

2.支持用戶設(shè)計(jì)的整個(gè)電池組（包括單元）的 CAD,，以實(shí)現(xiàn)更大的幾何靈活性

3.專用的設(shè)置面板,，可提高生產(chǎn)率

這些綜合改進(jìn)表明,，電池組冷卻仿真應(yīng)由耦合電熱方法驅(qū)動(dòng)。由于強(qiáng)大的配置器可以讓用戶有更多時(shí)間花在分析上,，因此用戶花在預(yù)處理上的時(shí)間更少,。

PART. 03  快速電池充電循環(huán)模擬

讓我們以電動(dòng)汽車電池組為例，我們需要冷卻該電池組才能進(jìn)行快速充電循環(huán),。我們將考慮具有以下特征：

用于快速充電循環(huán)電池組熱仿真的 CAD 幾何形狀

這是一個(gè) ~80 kWh 電池組，帶有 456 個(gè)鋰離子方形電池,，底部用液體冷卻板冷卻,。

等效電路模型 （ECM） 具有 2 個(gè) RC 元件，可更好地捕獲擴(kuò)散效應(yīng),，從而預(yù)測(cè)鋰離子電池的電氣行為,。它包含 -8 的 20 個(gè)溫度級(jí)別oC 至 60oC 用于準(zhǔn)確的溫度依賴性估計(jì)。該模型輸出電池的發(fā)熱速率,、電壓,、電流和充電狀態(tài) （SOC）。

PART. 04  快速設(shè)置電池組熱模擬

現(xiàn)已嵌入 Simcenter STAR-CCM+ 的 2-RC 等效電路模型 （ECM） 示意圖

西門子 Simcenter STAR-CCM+ 電池組熱仿真使用專用配置器可以輕松將 ECM 分配給單元的幾何部件,。網(wǎng)格簡(jiǎn)單明了,，使用平行網(wǎng)格劃分器可以快速執(zhí)行，獲得 6.6M 的有限體積單元,。

使用6.6M有限體積單元進(jìn)行電池組熱仿真的有限體積網(wǎng)格

PART. 05  從電池組熱模擬中快速獲得見(jiàn)解

以 150 kW 的速度快速充電 20 分鐘,，電池升溫不均勻。這是由于冷卻板中施加的高電流和低效率造成的,。但是,，最高電池溫度仍低于 45 的安全限值oC，這是典型的最大值,。

在具有 2 個(gè)內(nèi)核的計(jì)算機(jī)集群上執(zhí)行的計(jì)算時(shí)間不到 128 小時(shí),，就模擬了 20 分鐘的快速充電占空比。

在電池組和冷卻板上可以觀察到以下溫度分布：

快充20分鐘后電池組和冷卻板溫度分布

PART. 06  電池管理CFD,，快速而明顯

有了這些快速的詳細(xì)信息,，您現(xiàn)在可以輕松分析效率低下的情況，并執(zhí)行幾何形狀或條件更改,，以提高該電池組承受快速充電的能力

Simcenter STAR-CCM+ 2021.3 使電池組熱管理設(shè)計(jì)能夠“快速,、明顯地"實(shí)現(xiàn) 3D 電熱仿真。

采用 西門子 Simcenter STAR-CCM+ 電池組熱仿真 2021.3 設(shè)計(jì)的電池高效,、持久且安全,，將讓車輛 OEM 及其客戶滿意。