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日期:2020

数字孪生防止耗尽电池模拟时间

由Azita Soleymani,
美国圣克拉拉电子冷却解决方案主任


全球转向电动车(EVS)即将到来,除非替代技术出现,否则它将被高容量锂离子(Li-ION)电池燃料。

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。万搏manbext官网app

最近,该公司使用ANSYS流畅的ANSYS双胞胎Bui万搏manbext官网applder来调查电池组热系统的设计优化。仿真使能电子冷却解决方案提供:

  • 开发和验证最佳操作设置,使用户舒适和安全
  • 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
  • 随着年龄预测性能衰减

这张图显示了锂离子电池等效电路模型的典型产热数据。颜色表示操作温度对发热量的影响。

监测电池包进行预防性维护

操作EV需要巨大的能量,这就是为什么电池是如此重要的和昂贵的组件。电池代表高达EV总成本的50%并不罕见。

锂离子电池主要有两种类型:圆柱形和棱柱形。圆柱形电池体积很小,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圆柱形电池。通常,这些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。

为防止这些问题,电子冷却解决方案的特征是坚固,可靠且经济高效的电池组温度监测系统。由于锂离子电池组是一种高度复杂的多体系系统,因此该公司必须考虑到各种关键因素,例如以瞬态方式分析:

  • Heat generation as a function of the design of the battery pack’s busbars, which are used for local high current power distribution, and the speed of electrochemical reactions, which is dependent upon temperature, state of charge (SoC), electric current and electrochemistry properties of the cell
  • 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)的方法必须纳入一系列条件,以确保所有的热要求都得到满足:快速充电、冷启动、低温充电、低充电时放电和不同的驱动周期。

使用传统的计算流体动力学(CFD)以验证设计是不实际的,因为必须考虑的大量情况。尽管可以执行和链接1D和3D模拟,但是每个方法都具有可能导致设计问题的限制。例如,虽然1D仿真快速且允许多职业分析,但它不包括问题的3D可视化。另一方面,考虑到大量情况,3D瞬态电池组仿真可以计算得昂贵。

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。

为了产生数字双胞胎,工程师们开始描述电池的性能。考虑到锂离子电池高度复杂的多物理特性,每个电池在同一时刻的热负载取决于电池类型(制造参数)、SoC、电池温度、充放电模式、从电池中提取的电流大小和老化。通常,每个电池由一个2RC模型(串联一个电阻和电压源)表示。工程师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。

电子冷却解决方案依靠Ansy万搏manbext官网apps结果驱动软件,能够考虑有效热监测系统所需的关键设计元素,与其他方法相比,计算时间从几周显著减少到几小时。这大大缩短了上市时间。电子冷却解决方案为他们的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。

来源

  1. “到2040年,超过一半的新车将是电气的,”彭博新能源金融公司通过CNN.com,2019年9月6日

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