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必威体育网址ANSYS优势杂志

日期:2020年

数字双床防止漏极电池组仿真时间

由Azita Soleymani,
美国圣克拉拉电子冷却解决方案主任


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。

赚取数亿锂锂离子电池世界最终需要电动流动性是一种充满技术挑战的大量承担。在可能在“绿色”汽车的大规模卷展览之前,必须解决关于电池组大小,重量,成本和可持续性的担忧。因此,有关电池寿命和安全性的问题,可能受到热情的影响。在给定范围内的调节电池和电池组温度的其他益处中,可以增加电池可以实现的循环次数,使性能更加可靠。更重要的是,有效的热管理解决方案可以降低灾难性电池故障的可能性。

电池模块的温度曲线

电子冷却解决方案公司提供的热管理专业知识,电子行业,迅速识别和使用分析和优化工具,包括ANSYS仿真软件解决热问题。必威体育网址

最近,该公司利用Ansys Fluent和Ansys 必威体育网址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:

  • 开发和验证用户的舒适性和安全性的最佳操作设置
  • 为攻击性方案验证设计,如快速驾驶,冷启动和快速充电
  • 进行故障诊断
  • 预测性能随年龄增长而下降

该曲线图显示了从锂离子电池的等效电路模型中的典型发热数据。颜色表示工作温度对发热率的影响。

监测电池组的预防性维护

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。

有两种主要类型的锂离子电池单元的:圆柱形和棱柱形。圆筒型电池是小的,典型地测量直径2厘米和7厘米的高度,并有可以很容易地成千上万的平均电池组。典型地,细胞被组织成群集称为模块。多个模块形成一个包。

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,依赖于电池供应商,充电和放电模式等因素而变化。为了确保性能 - 并避免不可逆转损坏 - 电池的平均温度和它们之间的温度差应在目标范围内。

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
  • 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
  • 三维散热散热

的实验(DOE)方法的一个设计得组成的范围的条件,以确保所有的热要求得到满足:快速充电,冷启动,充电在低温下,放电时的电荷低,不同的驱动周期。

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,电子冷却解决方案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和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

该公司使用双胞胎Builder捕获实时传感器数据,并开发一个数字双模型的锂离子电池组,在实时环境中捕获了实时行为。这允许工程师在各种输入和操作条件下进行深入的根本原因分析,包括初始SOC,温度,冷却剂流速和不同的充电和放电型材。

要生成的数字双胞胎,工程师们开始通过表征电池的性能。考虑锂离子电池单元的高度卷积多物理性质,每个电池单元的在一个时间瞬间的热负荷依赖于细胞类型(制造参数),SOC电池温度,充电/放电模式中,提取的电流的大小从细胞和衰老。通常,每个小区表示由一个2RC模型(具有串联的一个电阻和电压源)。工程师还进行混合脉冲功率特性(HPPC)测试来表征,并估计电池的参数。

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。

然后使用Fluent执行瞬态3D仿真以在电池组电池组级生成响应曲线。它们将响应曲线馈入降低的订单模型(ROM)应用流利,以创建电池组的ROM。将电池单元的ROM和ECM连接在双制造器中产生的电池组的数字双模型。它具有传统的3D分析的准确性和1D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。

主流电动车辆的热管理

锂离子电池的热管理是一种令人生畏的任务,可以计算得昂贵且耗时。但是在2040年之前,在这条路上有超过一半的新车将是全电动,1车辆的可靠性和驾驶员的安全都有赖于此。

依靠Ansys的结果为导向的必威体育网址软件,电子散热方案能够考虑有效的热监控系统所需的关键设计元素和从周显著减少计算时间,以小时相较于其他方法。这导致显著时间到市场削减。并把未来更接近现实 - 电子散热方案与旨在帮助使电动汽车成为主流高性能产品的建议提供了他们的客户。52betway.com

  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

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