有效的熱管理對于優(yōu)化電動汽車鋰離子電池的性能、壽命和安全性至關重要。保持理想溫度可防止低溫或高溫環(huán)境給電池帶來不利影響，例如功率降低、降級加速和能耗增加。要實現(xiàn)這種平衡，離不開先進的電池熱管理系統(tǒng)(BTMS)，但同時也會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，可幫助您進行準確的電池性能表征、實現(xiàn)高效的熱管理并制定可靠的熱散逸緩解策略，從而預測電池行為，設計出理想的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）下才能達到理想性能。溫度過高或過低都會對電池的性能和壽命產(chǎn)生不利影響。低溫會使電池的化學反應變慢，導致其儲能和供電能力下降。這意味著行駛里程更短，充電時間更慢，座艙加溫能耗也會增加。此外，低溫還會對電池造成壓力，導致鋰析出，從而永久降低電池容量。高溫會加速電池自然降級。這意味著電池老化后會迅速失去蓄電能力。

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)利用自身能耗來加熱或冷卻電池或客艙（對于交通系統(tǒng)）。鋰離子電池通常很安全，但在某些條件（例如極端溫度、物理損壞或內(nèi)部缺陷）下可能會過熱，進而引發(fā)火災或爆炸。這是因為電解質(zhì)具有易燃性，并存在熱散逸傳播風險。熱散逸會形成惡性循環(huán)：電池進入熱散逸狀態(tài)后會升溫，釋放出易燃電解質(zhì)，造成溫度進一步升高。這種快速升溫會傳播到附近電池，導致電池組起火，釋放有毒煙霧，甚至可能爆炸。因此，各國家/地區(qū)車輛安全法規(guī)都要求針對熱散逸傳播進行乘員安全測試。對于防止熱散逸傳播，采用更安全的電池化學成分（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）和排氣孔來遏制散逸傳播事件。智能電池管理系統(tǒng)可及時發(fā)現(xiàn)過熱情況，并在該問題擴散到其他電池之前采取措施進行隔離處理。BTMS設計需要在電池壽命、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數(shù)字孿生產(chǎn)品組合，也是Siemens Xcelerator軟件、硬件和服務業(yè)務平臺的一部分。它被電池組制造商、原始設備制造商(OEM)和供應商廣泛應用于地面交通和重型設備、航空和電動垂直起降(eVTOL)、船舶和儲能系統(tǒng)等領域。本文介紹了一種工程師常用的多步驟方法：首先結合使用物理測試和模型參數(shù)擬合進行電池性能表征，然后結合使用1D系統(tǒng)和3D計算流體力學(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

在進行任何熱管理系統(tǒng)開發(fā)或熱散逸相關仿真活動之前，首先一定要預測實際工作條件下的電池電熱響應。為此，西門子通過Simcenter Amesim軟件提出了一種基于實驗測試和模型參數(shù)識別的可靠解決方法。該方法分為以下幾步：

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

西門子開發(fā)了一款專用電池測試協(xié)議生成工具，可使用電池測試的實驗數(shù)據(jù)輕松校準電氣和熱等效電路模型。該工具只需輸入基本電池數(shù)據(jù)表信息，即可指導測試工程師完成表征測試配置步驟：恒定充放電、混合脈沖測試和驗證測試（分別表示特定應用的工作周期）。該工具還可預覽使用其中預校準電池模型通過仿真進行的所有表征測試。接下來，基于測量數(shù)據(jù)，使用電池電熱識別工具對電池電氣模型和熱模型進行參數(shù)識別。該工具可逐步指導用戶完成整個識別過程：數(shù)據(jù)導入、電池容量計算、電氣和熱模型識別等。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行各種仿真分析：系統(tǒng)仿真、3D CFD仿真等。

圖2.通過Simcenter Amesim，結合使用實驗測試和模型參數(shù)識別來預測真實條件下的電池電熱響應過程。

加速量熱儀(ARC)測試被認為是常見的熱散逸濫用測試之一。ARC測試通常使用熱等待和搜索(HWS)測試協(xié)議進行。ARC測試具有偽絕熱特性，可模擬極端條件下的場景，而這正是校準熱散逸模型的必要條件之一。其中，以一個經(jīng)驗模型表示熱散逸現(xiàn)象（包含四個主要放熱反應、氣體產(chǎn)生導致的壓力增加、氣體排出和自放電）。該模型自帶常用化學成分的預校準參數(shù)。擬合過程要求從這些預定義參數(shù)開始逐個識別與熱化學反應相關的參數(shù)：固體電解質(zhì)界面(SEI)、負電極、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)和運行狀況）下進行虛擬測試，然后根據(jù)真實邊界條件進行精確的3D熱散逸傳播仿真。

圖3.通常使用熱等待和搜索協(xié)議進行加速量熱儀測試。

開發(fā)理想電池熱管理系統(tǒng)

電池熱管理系統(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，尤其是在需要充分提升續(xù)航里程的交通應用中，又要盡可能降低BTMS能耗。因此，BTMS開發(fā)必須考慮以下四項要求：

1. 電池壽命：電池熱管理系統(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電池內(nèi)部的溫差（對葉片電池尤甚）。
2. 快速充電：自加熱不應過于明顯。溫度可以暫時接近但不應超過45°C。在低溫環(huán)境下，我們希望能夠快速充電，因此需要預熱。
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，會導致車輛續(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應有助于減緩熱散逸傳播。

BTMS設計需要在電池壽命、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)級模型與由性能表征步驟生成的電池模型結合使用。通過模擬電池組在關鍵工作條件（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)需要進行復雜的權衡，其中涉及最大性能、能效和成本等。采用系統(tǒng)級方法可以研究各種系統(tǒng)組件（例如泵和壓縮機、散熱器、冷卻器、控制閥等）的創(chuàng)新架構和尺寸。

圖4.通過Simcenter可以進行系統(tǒng)級仿真，有效促進新型BTMS架構開發(fā)和確定其組件尺寸。

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

電池組內(nèi)部冷卻架構的開發(fā)：無論使用何種技術（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算電池熱3D分布，以準確預測溫度圖。系統(tǒng)和控制驗證：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證。借助帶有嵌入式人工智能的Simcenter技術，該系統(tǒng)級模型可利用來自之前開發(fā)的3D電池組模型的數(shù)據(jù)。這樣可以將高保真3D模型輕松轉換為具有實時功能的系統(tǒng)級模型。簡化的電池模型不僅比實時更快，還支持軟件在環(huán)(SIL)和硬件在環(huán)(HiL)技術。

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

減緩熱散逸傳播

限制電池熱散逸傳播是一個至關重要的安全問題。對此，一種解決方案是使用更安全的電池化學成分。LFP電池向來以安全性著稱。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計方案，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。散熱器和通風口：在電池組設計中，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)生災難性爆炸。例如，使用專門設計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+軟件加快電池組級別的設計選擇。電池進入散逸狀態(tài)后，會發(fā)生多種化學反應并釋放大量熱量。如前所述，可以將實驗或虛擬測試作為電池的邊界條件用于散逸傳播仿真。為了評估理想隔熱罩選項，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，對電池模塊或電池組的熱散逸模型（包括通風）進行參數(shù)化研究，以了解材料特性和厚度變化情況。然后，可以分析單個電池的傳播時間間隔，并確定理想設計。

圖7.3D熱散逸模型有助于尋找所需的隔熱罩設計。

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

結語

保持理想溫度對于鋰離子電池的性能和壽命至關重要，可防止功率降低和加速降級等問題。電池熱管理系統(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，適用于各種應用領域。它采用數(shù)字孿生和多尺度方法，可幫助您進行準確的電池性能表征、實現(xiàn)高效的熱管理并制定可靠的熱散逸緩解策略。這些工具可預測電池在真實工作條件下的行為，優(yōu)化熱管理以平衡能耗和性能，并使用先進仿真提高安全性。這種方法可確保設計兼顧理想電池壽命、快速充電能力、車輛續(xù)航里程和安全性，從而推動電動汽車技術發(fā)展，推廣可持續(xù)交通解決方案。