電池模塊熱設計挑戰

針對使用周期設計電池模塊存在幾個獨特的熱工程挑戰。

使用循環（例如駕駛循環）涉及可變的負載、速度和環境條件，要求電池在動態壓力下提供一致的性能。管理熱行為至關重要，因為波動的電流會產生熱量，使電池質量下降。設計人員必須確保最佳的能量密度、功率輸出和安全性，同時平衡尺寸、重量和成本限制。此外，必須仔細匹配電池，以避免影響性能和使用壽命的不平衡。預測實際循環下的長期退化會使設計進一步復雜化。總體而言，在各種駕駛場景中實現耐用性、效率和可靠性需要精心的工程設計和先進的控制策略。
?

工程解決方案

為了解決駕駛循環中的電池模塊挑戰，工程師采用了多種解決方案。熱管理系統（如液體冷卻或相變材料）可調節溫度并防止過熱。電池管理系統 （BMS） 監控電壓、電流和溫度，以確保電池平衡和安全運行。先進的建模和仿真工具有助于預測各種驅動條件下的性能和退化。細胞選擇和匹配提高了均一性和壽命。結構設計優化了包裝的重量、耐用性和碰撞安全性。此外，自適應控制算法實時調整功率輸出，以在各種駕駛場景中提高效率并延長電池壽命。

使用 ANSYS Fluent 是評估電池熱系統解決方案的有效工具;但是，這些評估可能會帶來一些挑戰。創建精確的模型需要詳細的輸入數據，包括各種條件下的材料屬性和單元行為，這些數據可能很難獲得。在考慮使用周期時，在 Fluent 中驗證高保真模擬是計算密集型且耗時的。通過利用 Ansys 數字孿生中的降階模型，可以實時評估使用周期的熱解決方案。本博客介紹了電池模塊的線性時間不變 （LTI） 降階模型 （ROM）。

?

方法

在本討論中，使用 Ansys Fluent 和 Digital Twin 設置電池模塊熱仿真涉及幾個步驟。這些步驟包括思維導圖、產品圖譜、Fluent 案例設置和 Twin Builder 數字孿生設置。

思維導圖：生成吹塑特性的思維導圖，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：生成吹塑型坯和模具的產品圖，以列出和分類產品特征。產品圖譜表示與思維導圖中的理論/行動相對應的一些因素。

?

?

Fluent 訓練模擬：Fluent 模型是根據思維導圖生成的研究出于訓練目的而執行的。首先執行穩態冷流仿真，為冷板冷卻劑流生成一個解，其中單元熱釋放為零，極耳電流為零。然后，流動方程被停用，能量方程被激活。下圖顯示了在 Fluent Battery 模型中使用單輸入多輸出和多輸入多輸出降階模型訓練 LTI 模型的步驟順序。

下圖顯示了 Battery ROM Tool Kit 的激活以及從 Battery Model 面板中選擇 LTI ROM 類型。

下圖顯示了在選擇 Volume Heat 時單輸入多輸出 （SIMO） 與多輸入多輸出 （MIMO） ROM 的不同選擇程序。提示：在單擊“Add as a Group”或“Add Individual”按鈕之前指定瓦數值。

?

在這兩種情況下，焦耳熱的 Input Tab Current 都被激活;兩種情況都使用單獨添加的單元格，如下所示。設置 Transient Setup （瞬態設置） 后，設置將變為 Applied （應用），并激活 Run Training （運行訓練）。

?

?

數字孿生仿真：Twin Builder 中線性時不變 ROM 的數字孿生功能可通過 Twin Builder > Toolkit >熱模型識別進行訪問。下圖顯示了在 Twin Builder 中使用單輸入多輸出降階模型（左）和多輸入多輸出降階模型（右）執行 LTI 模型的步驟順序。

?

?

生成的模型從元件庫拖動到原理圖窗口中。將熱負荷和電流的恒定輸入添加并連接到模型。在電流常數模塊和焦耳熱輸入之間添加了一個平方函數，因為熱負荷是電流平方的函數。對于 SIMO ROM，恒定的熱負荷對應于模塊的磁頭負荷。對于 MIMO ROM，恒定的熱負荷連接到所有輸入，其值等于每個單元的熱負荷。

?

?

執行 Twin Builder 分析以生成瞬態溫度結果。?執行仿真計算以生成結果，重點關注溫度和仿真時間。Fluent 運行與 10 個處理器并行執行，使用的時間步長等于為數字孿生運行指定的最大時間步長。分析治療數據以回答理論問題并確認或反駁預測。
?

Fluent 和 Digital Twin 仿真結果

訓練時間的圖形分析：下面的圖表顯示了在 Fluent 中訓練 ROM 所花費的時間。多輸入多出口訓練 （MIMO） 花費的時間是單輸入多輸出 （SIMO） 訓練的六倍多，因為有 13 個輸入，而 2 個輸入。

?

?

仿真時間的圖形分析：下圖顯示了在 Fluent 和數字孿生中模擬使用情況所花費的時間。第一種情況具有恒定的熱負荷，而第二種和第三種情況具有瞬態熱負荷。數字孿生的運行時間不到 4 秒。相應的 Fluent 運行需要數小時才能完成。

?

?

模擬溫度的圖形分析：?下圖顯示了 Fluent 運行與具有恒定熱負荷的相應 SIMO 和 MIMO ROM 之間的溫度比較。很難看到溫度的差異;但是，仿真時間差異很大。

?

模擬溫度的圖形分析：?下圖顯示了 Fluent 運行與相應的具有正向和反向循環載荷的數字孿生運行之間的溫度比較。很難看到溫度的差異;但是，仿真時間差異很大。

?

電池電流影響的圖形分析：?下圖顯示了正向和反向循環負載下兩個電流水平之間的溫度比較。在循環結束時可以看到半度的溫差。每次運行執行時間不到 4 秒。

?

?