仿真天地 • 汽车｜AVL的动力电池探索创新之路
发布时间：
2021/09/15 00:00
业务流程考验
由于锂离子(Li-ion)动力电池市场需求不断上升， 必须为企业研发寻找更优质热-电气性能的电池包组合计划方案。
解决方法
选用Abaqus Unified FEA电-热仿真能力，融合技术专业求解器，对锂电芯特点进行合理捕获，与此同时在各个充电电池系统设置下剖析其热个人行为。
业务流程成果
FEA实体模型与测试数据的高度符合促使能够信心十足地开发设计复杂性相对较高的充电电池实体模型，进而可以向用户提供更详细的性能评估和产品外观设计提议。
如今的锂离子(Li-ion)动力电池必须高度繁杂的电子线路和靠谱控制。技术专家表明：“广泛的说，bms系统不断检测并维护电池包中的每一个锂电芯。与此同时，它还不断与电动机及其它车子自动控制系统开展通讯，进而保证电池包地运作。电池系统务必可以承受极端环境，在极端环境下正常的，也必须即时地迅速响应驾驶人员情况的更改。这十分错综复杂的。”
是优秀模拟仿真团队组员。那支精英团队多年以来一直都在得克萨斯州的研究中心为各行各业的客户研究和评定锂离子电池系统。在的一个内部结构研发项目中，研发部门必须根据一台汽油车开发设计新能源电动车及增程器资源平台(EVARE)，在其中的一项考验是为电池包打造出一套的制冷系统。全部电池包由14个规范化模块拼装成的，研发部门必须在有限的资源空间设计中找到伤津-电气性能的解决方案。强调：“显而易见，大家这时需要用到有限元(FEA)专用工具进行高保真音响模拟仿真，以预测分析电池温度。”
锂离子充电电池问世已经有数十年之久。FEA现在能体现什么实用价值？表明：“还有一些行业。因为销售市场规模性转型发展，在过去的几年里大量运用在汽车电动化的实验中。”在研究所参加的很多科学研究都和锂电池组的热管理相关。
设计方案用以新能源电动车（电动式、插电式混动、混合动力）里的电池系统时一定要考虑众多要素，例如电池系统的容积、锂电芯挑选、锂电芯与模构成组管束、电池包架构设计、电池包的容积和质量比能量、成本费、各种各样负荷下电池系统的构造耐用性、工作温度限定等。
不一样几何结构的电芯电-热实体模型
表明：“锂电池组热管理仅仅诸多极为重要的考量层面之一。从电性能与的视角，我们应该让电池包在各个工作温度和条件下，维持运作在环境温度内。在充电电池超温时，我们应该为电池包减温。在充电电池温度低时，我们应该为电池包提温。”
经过3D FEA模型，能够评定全部电池包内每一个锂电芯的温度分布。这类FEA实体模型能鉴别电池包里的锂电芯温度分布，进而为温度感应器合理布局提供支持，便于监管并意见反馈电池包的结构温度。强调：“电池包输出功率特性受内部结构锂电芯环境温度危害明显；假如某一锂电芯的温度太高，必定必须减少全部电池包的功率，以避免这一锂电芯超温。另一方面，假如温度低，就必须要给它提温，由于相对较低的锂电芯环境温度同样也会限定锂电芯的功率。”锂电芯温度与锂电芯温差是决定锂电芯和耐用度的重要因素。
“我们应该一种适宜的专用工具剖析电池系统热个人行为。Abaqus FEA的电-热仿真作用就很好的合乎我们自己的要求。”
—，技术专家
图1：持续充电放电情况下的间接性风冷模块的解读与评测符合优良
在EVARE项目中，精英团队遇到的问题是怎样研发出成本费尽量、充电电池制冷质量的电池包配备。成功秘诀是深入了解锂电池组的结构情况。表明：“我们应该一种适宜的专用工具剖析电池系统热个人行为。Abaqus FEA的电-热仿真作用就很好的合乎我们自己的要求。”此软件已经在被普遍地应用于内燃发动机和需要开展热-结构特征的零部件系统中。
因为这个软件并不是专门给充电电池模拟仿真量身定做的，精英团队撰写了专用子方法并把它们藕合到Abaqus。强调：“对消费者程序段的优良匹配性是Abaqus众多竞争力的一个，从而为我们将要自主开发的锂电芯实体模型与有限元模型的藕合带来了便捷。”
为EVARE项目实施的专用型程序段能帮助评定多种不同规格，不同种类的锂电芯热个人行为，各种制冷计划方案效率还可以相匹配评定。表明：“每一个锂离子充电电池都有各自的特有性。所以对不同种类的锂电芯，不论是几何结构不一样或是有机化学管理体系不一样，都要将锂电芯几何结构信息及特性信息内容键入到自己的子方法。那样才能真正的特征化不同类型的锂电芯。”
团队充电电池模型一般从迅速1D模拟仿真逐渐。强调：“也让我们大概了解了电池包性能，在这个基础上我们能确定锂电芯采用和制冷系统规定。”在获得电池包制冷系统的一体化资料后，从模块的电-热分析逐渐，进行详尽的3D评定。
表明：“最先大家假设冷却板和锂电芯之间热传导途径优良。Abaqus具有良好的触碰识别及模拟仿真能力，因而全部元件的触碰都可以有效地叙述清晰。伴随着设计方案逐渐完善，我们也会仿真模拟真实安装情况并寻找传热途径上可能出现的阻拦，一方面我们也会寻找提升触碰标准尽可能阻拦，另一方面这种阻隔对整个制冷功效的危害也将进行详细的剖析评定。
锂电芯构造自已的多元性为此项平添了一道难题。在于锂电芯容积，一个锂电芯很有可能有着高达50对正级-负级层析，各层薄厚在200μm上下。表明：“电池包里的锂电芯一般不得少于96个，甚至更高，从工程及生产制造的角度来讲，创建这般优化的锂电芯实体模型脱离实际。所以我们用一三层等效电路电纤维管实体模型类似表述每一个锂电芯，应用等效电路各种各样材料属性，在宏观角度特征化充电电池个人行为。
他补充说：“精确的原材料信息是一件繁杂的。这些方面一直都好像是在探寻。锂电芯生产商给我们带来了一些粗略地数字，大家最后通常需要查看有关参考文献，或寻求帮助别的科技人员以获得最准确数字。我们通常发觉，最后换来的是一个原材料系数的范畴。
他解释说：“这种点点滴滴数据信息最后都影响到了实体模型数值。假定值实效性会由测试验证。”
虽然应对诸多考验，表明，不论是持续充放电环境下或是循环系统充电放电环境下，不论是水冷散热或是风冷式，不论是用立即制冷系统最好用间接冷却系统软件，他们也注意到他的实体模型与具体的试验室测量结果完成了较好的符合。校正后实体模型被用来进一步完善和优化电池控制系统设计（如下图1-2所显示）。
图2：Abaqus FEA叙述中的
三种模块设置在稳定下展现相似的温度分布，
比照基准线设计方案，计划方案1和3环境温度都比较低，
但计划方案1必须更强大的气旋给予更多的对流换热系数
提及，好似一切前沿技术，他的技术性还处于实验中。“大家深得很难做到匀称制冷，虽然这就是我们要实现目标。我们将要持续改善大家图模型精确度，提升我们自己的假定情景并填补更多参数。对其锂离子电池电气设备个人行为和热行为进行构造评定层面，Abaqus是大家最理想的数据分析工具挑选。己经将他用在实施所需要的结构完整性评定层面。将来，我们将要进一步增强电池系统电-热实体模型与对应的结构模型和CFD图模型关联系数。”
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