電池單元熱設計挑戰

電池熱管理的主要挑戰之一是確保溫度低于最大工作限值。較高的溫度會導致效率降低、加速老化和潛在的安全隱患。工程師必須了解電池產生的熱量，才能充分設計冷卻系統。

了解和預測電池模塊的熱行為需要將電池的熱損耗與電池單元的電氣機械特性相結合。通過鏈接電池單元的電氣特性，可以提高電池熱抑制率，用于冷卻系統設計。
?

工程解決方案

通過電池單元的物理測試數據，可以增強電池熱行為的仿真。一種類型的電池測試稱為混合脈沖功率表征 （HPPC）。此測試可以計算電池內阻。以下是來自示例 HPPC 數據集的一個脈沖示例。電池單元的內阻與電壓降除以電流成正比。Twin Builder 從整個 HPPC 數據集生成電阻值，其中可能包括多個溫度和充電狀態 （SOC） 水平。該電阻與電路電流和電壓一起用于預測電池熱損失功率。

?

?

Ansys Twin Builder 軟件提供了用于仿真和分析電池單元和模塊熱行為的工具。憑借其 Battery Wizard 功能，Twin Builder 允許工程師對復雜的熱交互進行建模并評估不同的電池放電行為。Twin Builder 能夠利用 HPPC 數據快速生成排熱值。

通過使用 Twin Builder，工程師可以進行參數化研究以探索各種設計配置。這樣可以確定確保均勻溫度分布和高效散熱的解決方案，最終提高電池性能和安全性。

為了應對熱管理挑戰，工程師可以使用 Ansys 軟件評估多個輸入。這些輸入可以包括不同的電池容量、C-Rate 和 HPPC 數據。Twin Builder 的模擬功能允許評估這些不同的輸入。

?

方法

在本討論中使用 Ansys Twin Builder 設置電池仿真涉及幾個步驟。這些步驟包括思維導圖、產品圖和 Twin Builder 案例設置。

思維導圖：生成電池單元的思維導圖是為了以結構化的方式組織和表示想法、概念或信息。下面的思維導圖顯示了模擬研究的目標以及為實現目標而提出的問題。每個問題后面都有一個理論、行動和預測來解決每個問題。生成結果時，結果也會添加到每個分支的底部。
?

?

產品地圖：生成電路中電池單元的產品圖，以列出和分類產品特性。產品圖表示與思維導圖中的理論/行動相對應的因素。

下面的地圖顯示了一個示例 battery HPPC 數據文件和一個 Twin Builder 電路。紅色文本項是可變因子或常數因子。

?

?

下圖顯示了該研究的示例電池 HPPC 數據集和縱的電壓脈沖。紅色文本項是可變因子。

?

?

Twin Builder 模擬：Twin Builder 模型是根據思維導圖生成的研究生成的。在這種情況下，采用 7 因子、2 水平、分數因子 DOE，從而產生 8 種獨特的 Twin Builder 處理。下圖顯示了填充電池模型輸入的步驟順序。第一張圖片是 Battery Wizard 中的 Cell Configuration Tool，第二張圖片是電路中生成的 Cell 單元。

?

?

?

?

電流源使用幅度為 10 安培的梯形剖面，初始延遲為 20 秒，持續時間為 10 秒。

?

執行仿真計算以生成結果，重點關注電池單元的熱損失、電壓和電流。分析熱損失的處理數據以回答理論問題并確認或反駁預測。
?

Twin Builder 電池仿真結果

圖形分析：?下圖顯示了治療的瞬態電池單元功率損失結果。該圖表表明電壓深度是最重要的因素。當 HPPC 數據中的壓降較大時，電池電阻較高，導致功率損耗較高。其他輸入因素導致熱損失變化較小。

?

下面的圖表還顯示，HPPC 電壓深度是影響電池功率損耗的最重要因素。電路輸入溫度、HPPC 電流和 Twin Builder 電池容量略有顯著性。電壓偏移和時間拉伸的影響可以忽略不計。

?

?

?

觀察

電壓降深度：HPPC 脈沖中的電壓降深度越高，內阻越高，因此熱損耗越高。

電路溫度：電路溫度對電阻的影響較小，因為 25C 時脈沖的電壓降大于 45C 時的電壓降，較大的電壓降會導致更高的電阻和更高的熱損失。

HPPC Data Current：HPPC 文件中指定的電流越高，電阻越小，因此熱損失越小。

Battery Wizard 電池容量：?電池容量對電阻的影響很小，因此對熱損失的影響很小。

HPPC SOC：?HPPC SOC 對電阻的影響很小，因此對熱損失的影響很小。

電壓偏移：電壓偏移對電阻的影響可以忽略不計，因此對熱損失的影響可以忽略不計。

電壓時間拉伸：時間拉伸對脈沖電壓降的影響可以忽略不計，因此對熱損失的影響可以忽略不計。

總結

每個 Twin Builder 模擬都用了不到 2 秒的時間來解決。工程師可以從 HPPC 數據中快速確定電池單元的熱損失。

?