有效的熱管理對(duì)于優(yōu)化電動(dòng)汽車鋰離子電池的性能、壽命和安全性至關(guān)重要。保持理想溫度可防止低溫或高溫環(huán)境給電池帶來(lái)不利影響，例如功率降低、降級(jí)加速和能耗增加。要實(shí)現(xiàn)這種平衡，離不開先進(jìn)的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)(BTMS)，但同時(shí)也會(huì)增加額外的能源需求。

本文介紹了一種多方面方法，不僅可用于開發(fā)和優(yōu)化BTMS，同時(shí)還能平衡電池壽命、快速充電能力、車輛續(xù)航里程和安全性。Siemens Digital Industries Software提供了多種工具和方法，可幫助您進(jìn)行準(zhǔn)確的電池性能表征、實(shí)現(xiàn)高效的熱管理并制定可靠的熱散逸緩解策略，從而預(yù)測(cè)電池行為，設(shè)計(jì)出理想的BTMS。

序言

由于鋰離子電池的理想工作溫度范圍十分有限，大多數(shù)電動(dòng)汽車電池要在適宜溫度（一般為20攝氏度(°C)或68華氏度(°F)左右）下才能達(dá)到理想性能。溫度過(guò)高或過(guò)低都會(huì)對(duì)電池的性能和壽命產(chǎn)生不利影響。低溫會(huì)使電池的化學(xué)反應(yīng)變慢，導(dǎo)致其儲(chǔ)能和供電能力下降。這意味著行駛里程更短，充電時(shí)間更慢，座艙加溫能耗也會(huì)增加。此外，低溫還會(huì)對(duì)電池造成壓力，導(dǎo)致鋰析出，從而永久降低電池容量。高溫會(huì)加速電池自然降級(jí)。這意味著電池老化后會(huì)迅速失去蓄電能力。

圖1.在15°C-35°C溫度范圍內(nèi)，電池工作通常高效、可靠且安全。一旦超出此范圍，電池功率將受限。

因此，大多數(shù)鋰離子電池都有內(nèi)置溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，以保持在理想溫度范圍內(nèi)。這些熱管理系統(tǒng)利用自身能耗來(lái)加熱或冷卻電池或客艙（對(duì)于交通系統(tǒng)）。鋰離子電池通常很安全，但在某些條件（例如極端溫度、物理?yè)p壞或內(nèi)部缺陷）下可能會(huì)過(guò)熱，進(jìn)而引發(fā)火災(zāi)或爆炸。這是因?yàn)殡娊赓|(zhì)具有易燃性，并存在熱散逸傳播風(fēng)險(xiǎn)。熱散逸會(huì)形成惡性循環(huán)：電池進(jìn)入熱散逸狀態(tài)后會(huì)升溫，釋放出易燃電解質(zhì)，造成溫度進(jìn)一步升高。這種快速升溫會(huì)傳播到附近電池，導(dǎo)致電池組起火，釋放有毒煙霧，甚至可能爆炸。因此，各國(guó)家/地區(qū)車輛安全法規(guī)都要求針對(duì)熱散逸傳播進(jìn)行乘員安全測(cè)試。對(duì)于防止熱散逸傳播，采用更安全的電池化學(xué)成分（例如磷酸鐵鋰(LFP)）有一定幫助，但電池組大多依靠電池之間的物理屏障（間隔物）和排氣孔來(lái)遏制散逸傳播事件。智能電池管理系統(tǒng)可及時(shí)發(fā)現(xiàn)過(guò)熱情況，并在該問(wèn)題擴(kuò)散到其他電池之前采取措施進(jìn)行隔離處理。BTMS設(shè)計(jì)需要在電池壽命、快速充電能力、車輛續(xù)航里程和安全性之間取得微妙平衡。西門子Simcenter軟件是一種多尺度和多物理場(chǎng)數(shù)字孿生產(chǎn)品組合，也是Siemens Xcelerator軟件、硬件和服務(wù)業(yè)務(wù)平臺(tái)的一部分。它被電池組制造商、原始設(shè)備制造商(OEM)和供應(yīng)商廣泛應(yīng)用于地面交通和重型設(shè)備、航空和電動(dòng)垂直起降(eVTOL)、船舶和儲(chǔ)能系統(tǒng)等領(lǐng)域。本文介紹了一種工程師常用的多步驟方法：首先結(jié)合使用物理測(cè)試和模型參數(shù)擬合進(jìn)行電池性能表征，然后結(jié)合使用1D系統(tǒng)和3D計(jì)算流體力學(xué)(CFD)仿真開發(fā)理想熱管理系統(tǒng)和緩解熱散逸傳播。

電池性能表征

在進(jìn)行任何熱管理系統(tǒng)開發(fā)或熱散逸相關(guān)仿真活動(dòng)之前，首先一定要預(yù)測(cè)實(shí)際工作條件下的電池電熱響應(yīng)。為此，西門子通過(guò)Simcenter Amesim軟件提出了一種基于實(shí)驗(yàn)測(cè)試和模型參數(shù)識(shí)別的可靠解決方法。該方法分為以下幾步：

• 自動(dòng)生成測(cè)試協(xié)議以識(shí)別電池模型參數(shù)
• 使用面向應(yīng)用的工具識(shí)別電池模型參數(shù)（等效電路模型）
• 逐步識(shí)別熱散逸參數(shù)

西門子開發(fā)了一款專用電池測(cè)試協(xié)議生成工具，可使用電池測(cè)試的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)輕松校準(zhǔn)電氣和熱等效電路模型。該工具只需輸入基本電池?cái)?shù)據(jù)表信息，即可指導(dǎo)測(cè)試工程師完成表征測(cè)試配置步驟：恒定充放電、混合脈沖測(cè)試和驗(yàn)證測(cè)試（分別表示特定應(yīng)用的工作周期）。該工具還可預(yù)覽使用其中預(yù)校準(zhǔn)電池模型通過(guò)仿真進(jìn)行的所有表征測(cè)試。接下來(lái)，基于測(cè)量數(shù)據(jù)，使用電池電熱識(shí)別工具對(duì)電池電氣模型和熱模型進(jìn)行參數(shù)識(shí)別。該工具可逐步指導(dǎo)用戶完成整個(gè)識(shí)別過(guò)程：數(shù)據(jù)導(dǎo)入、電池容量計(jì)算、電氣和熱模型識(shí)別等。該工具的輸出即為模型參數(shù)值，例如隨充電狀態(tài)(SOC)、電流和溫度變化的開路電壓表。然后，可以直接在Simcenter套件中使用這些值進(jìn)行各種仿真分析：系統(tǒng)仿真、3D CFD仿真等。

圖2.通過(guò)Simcenter Amesim，結(jié)合使用實(shí)驗(yàn)測(cè)試和模型參數(shù)識(shí)別來(lái)預(yù)測(cè)真實(shí)條件下的電池電熱響應(yīng)過(guò)程。

加速量熱儀(ARC)測(cè)試被認(rèn)為是常見的熱散逸濫用測(cè)試之一。ARC測(cè)試通常使用熱等待和搜索(HWS)測(cè)試協(xié)議進(jìn)行。ARC測(cè)試具有偽絕熱特性，可模擬極端條件下的場(chǎng)景，而這正是校準(zhǔn)熱散逸模型的必要條件之一。其中，以一個(gè)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ捅硎緹嵘⒁莠F(xiàn)象（包含四個(gè)主要放熱反應(yīng)、氣體產(chǎn)生導(dǎo)致的壓力增加、氣體排出和自放電）。該模型自帶常用化學(xué)成分的預(yù)校準(zhǔn)參數(shù)。擬合過(guò)程要求從這些預(yù)定義參數(shù)開始逐個(gè)識(shí)別與熱化學(xué)反應(yīng)相關(guān)的參數(shù)：固體電解質(zhì)界面(SEI)、負(fù)電極、正電極和電解質(zhì)。完成模型擬合后，即可在不同工作條件（各種電池充電狀態(tài)和運(yùn)行狀況）下進(jìn)行虛擬測(cè)試，然后根據(jù)真實(shí)邊界條件進(jìn)行精確的3D熱散逸傳播仿真。

圖3.通常使用熱等待和搜索協(xié)議進(jìn)行加速量熱儀測(cè)試。

開發(fā)理想電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)

電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)旨在使電池保持在理想溫度范圍內(nèi)，而不受天氣狀況和充/放電周期影響。但與此同時(shí)，尤其是在需要充分提升續(xù)航里程的交通應(yīng)用中，又要盡可能降低BTMS能耗。因此，BTMS開發(fā)必須考慮以下四項(xiàng)要求：

1. 電池壽命：電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)必須能夠冷卻和加熱電池，使其保持理想溫度，并限制電池組中電池之間和每個(gè)電池內(nèi)部的溫差（對(duì)葉片電池尤甚）。
2. 快速充電：自加熱不應(yīng)過(guò)于明顯。溫度可以暫時(shí)接近但不應(yīng)超過(guò)45°C。在低溫環(huán)境下，我們希望能夠快速充電，因此需要預(yù)熱。
3. 車輛續(xù)航里程：在低溫環(huán)境下，BTMS需要加熱電池，但這需要能量，會(huì)導(dǎo)致車輛續(xù)航里程下降。因此，我們希望盡量減少該現(xiàn)象發(fā)生。
4. 安全性：在電池組層面，BTMS應(yīng)有助于減緩熱散逸傳播。

BTMS設(shè)計(jì)需要在電池壽命、快速充電能力、車輛續(xù)航里程和安全性之間取得微妙平衡。為此，用戶可以使用Simcenter提供的數(shù)字孿生方法，其中包括：

BTMS要求的定義：將快速系統(tǒng)級(jí)模型與由性能表征步驟生成的電池模型結(jié)合使用。通過(guò)模擬電池組在關(guān)鍵工作條件（快速充電、最冷工作環(huán)境等）下的性能，該模型能夠確定所需的最大冷卻和加熱性能。

熱管理系統(tǒng)的開發(fā)：該開發(fā)需要進(jìn)行復(fù)雜的權(quán)衡，其中涉及最大性能、能效和成本等。采用系統(tǒng)級(jí)方法可以研究各種系統(tǒng)組件（例如泵和壓縮機(jī)、散熱器、冷卻器、控制閥等）的創(chuàng)新架構(gòu)和尺寸。

圖4.通過(guò)Simcenter可以進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)仿真，有效促進(jìn)新型BTMS架構(gòu)開發(fā)和確定其組件尺寸。

圖5.通過(guò)優(yōu)化流程和3D CFD參數(shù)化模型可以加快冷卻板的設(shè)計(jì)，使電池組內(nèi)溫度均勻分布。

電池組內(nèi)部冷卻架構(gòu)的開發(fā)：無(wú)論使用何種技術(shù)（空氣、含液體或制冷劑的冷板、浸沒式等），都必須采用3D CFD方法正確優(yōu)化電池組幾何形狀并計(jì)算電池?zé)?D分布，以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)溫度圖。系統(tǒng)和控制驗(yàn)證：電池及其熱管理系統(tǒng)和控制邏輯的完整模型可用于虛擬驗(yàn)證。借助帶有嵌入式人工智能的Simcenter技術(shù)，該系統(tǒng)級(jí)模型可利用來(lái)自之前開發(fā)的3D電池組模型的數(shù)據(jù)。這樣可以將高保真3D模型輕松轉(zhuǎn)換為具有實(shí)時(shí)功能的系統(tǒng)級(jí)模型。簡(jiǎn)化的電池模型不僅比實(shí)時(shí)更快，還支持軟件在環(huán)(SIL)和硬件在環(huán)(HiL)技術(shù)。

圖6.在開發(fā)熱管理控制功能時(shí)，使用降階模型(ROM)確保3D幾何效應(yīng)準(zhǔn)確性。

減緩熱散逸傳播

限制電池?zé)嵘⒁輦鞑ナ且粋€(gè)至關(guān)重要的安全問(wèn)題。對(duì)此，一種解決方案是使用更安全的電池化學(xué)成分。LFP電池向來(lái)以安全性著稱。即使在內(nèi)部短路的情況下，它們也不太可能發(fā)生熱散逸。它們的主要缺點(diǎn)是能量密度低于鎳錳鈷(NMC)或富鎳NMC（例如NMC 622、NMC 811）等其他鋰離子電池。因此，可以在電池組層面采用專門的設(shè)計(jì)方案，以限制熱散逸傳播：電池單元間距和絕緣：在電池組內(nèi)使用耐熱材料或相變材料分隔電池有助于遏制散逸事件，防止熱量向周圍電池傳遞。散熱器和通風(fēng)口：在電池組設(shè)計(jì)中，加入散熱片可以提高散熱效率，而加入釋壓孔則可以在熱散逸情況下安全排出積聚的氣體，防止發(fā)生災(zāi)難性爆炸。例如，使用專門設(shè)計(jì)的耐高溫隔熱材料可以減緩傳播速度。這些隔熱罩的厚度對(duì)電池的整體尺寸有很大影響。為了限制熱散逸傳播，可以使用Simcenter STAR-CCM+軟件加快電池組級(jí)別的設(shè)計(jì)選擇。電池進(jìn)入散逸狀態(tài)后，會(huì)發(fā)生多種化學(xué)反應(yīng)并釋放大量熱量。如前所述，可以將實(shí)驗(yàn)或虛擬測(cè)試作為電池的邊界條件用于散逸傳播仿真。為了評(píng)估理想隔熱罩選項(xiàng)，可以使用完整的參數(shù)化電池幾何體，根據(jù)其厚度放大或縮小所有部件。接著，對(duì)電池模塊或電池組的熱散逸模型（包括通風(fēng)）進(jìn)行參數(shù)化研究，以了解材料特性和厚度變化情況。然后，可以分析單個(gè)電池的傳播時(shí)間間隔，并確定理想設(shè)計(jì)。

圖7.3D熱散逸模型有助于尋找所需的隔熱罩設(shè)計(jì)。

必要時(shí)，可以使用拉格朗日多相模型(LMP)和離散元模型(DEM)進(jìn)行高級(jí)熱散逸仿真（包括顆粒噴射）

結(jié)語(yǔ)

保持理想溫度對(duì)于鋰離子電池的性能和壽命至關(guān)重要，可防止功率降低和加速降級(jí)等問(wèn)題。電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)開發(fā)需要在電池壽命、快速充電能力、車輛續(xù)航里程和安全性之間找到平衡，同時(shí)也面臨著自身挑戰(zhàn)。Simcenter產(chǎn)品組合提供了一種數(shù)字孿生方法，可開發(fā)高效、安全的BTMS，適用于各種應(yīng)用領(lǐng)域。它采用數(shù)字孿生和多尺度方法，可幫助您進(jìn)行準(zhǔn)確的電池性能表征、實(shí)現(xiàn)高效的熱管理并制定可靠的熱散逸緩解策略。這些工具可預(yù)測(cè)電池在真實(shí)工作條件下的行為，優(yōu)化熱管理以平衡能耗和性能，并使用先進(jìn)仿真提高安全性。這種方法可確保設(shè)計(jì)兼顧理想電池壽命、快速充電能力、車輛續(xù)航里程和安全性，從而推動(dòng)電動(dòng)汽車技術(shù)發(fā)展，推廣可持續(xù)交通解決方案。