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西門子 Simcenter STAR-CCM+ 電池組熱仿真
2024-05-09
2010 年代初以來，西門子 Simcenter STAR-CCM+ 電池組熱仿真其功能是利用精確的 3D 等效電路模型執(zhí)行電池組冷卻耦合電熱仿真。它計(jì)算發(fā)熱量的 3D 分布，從而能夠非常準(zhǔn)確地識(shí)別電池溫度梯度和熱點(diǎn)。
PART. 01 電池組熱仿真的價(jià)值
電池組的熱管理并不是一件新鮮事。從一開始，它就對(duì)于確保電池在安全溫度范圍內(nèi)運(yùn)行、限度地提高其性能、限度地減少其退化以及避免任何危險(xiǎn)情況至關(guān)重要。仿真在此過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。
要使模擬有價(jià)值，關(guān)鍵在于模型能夠以合理的精度預(yù)測電池的發(fā)熱率。因此，工程師可以識(shí)別電池占空比期間的溫度梯度和熱點(diǎn)。這使工程師能夠選擇最合適的冷卻策略，例如空氣冷卻、液體冷卻或相變材料冷卻。但它也有助于確定熱管理系統(tǒng)的尺寸并改進(jìn)其設(shè)計(jì)。
PART. 02 電池?zé)峁芾硪幌盗行绿魬?zhàn)
快進(jìn)到 2021 年，汽車電氣化的競賽是真實(shí)的，許多原始設(shè)備制造商正在開發(fā)越來越多的新型電動(dòng)汽車車型。他們必須快速行動(dòng)，使其設(shè)計(jì)適應(yīng)許多不同的模型，并利用設(shè)計(jì)探索來優(yōu)化每個(gè)冷卻系統(tǒng)。他們需要評(píng)估電池組在許多占空比下的熱響應(yīng)和電響應(yīng)。最后，驗(yàn)證其在整個(gè)動(dòng)力總成中的集成。
但是，由于實(shí)現(xiàn)耦合電熱仿真的工作流程過于復(fù)雜，OEM 通常僅依靠簡單的源項(xiàng)進(jìn)行電池組溫度預(yù)測。這可能會(huì)導(dǎo)致對(duì)溫度梯度的嚴(yán)重錯(cuò)誤預(yù)測，并限制在瞬態(tài)占空比中評(píng)估電池性能的能力。這意味著電池組效率低下，提供更少的有用能量并且降解得更快。
為了幫助應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn)，西門子 Simcenter STAR-CCM+ 電池組熱仿真 2021.3 發(fā)布了一種新的電池工作流程，其速度比 10 年代初發(fā)布的原始工作流程快 2010 倍。它的設(shè)置也簡單得多，并在 HPC 和設(shè)計(jì)探索方面利用了Simcenter STAR-CCM+ 技術(shù)。
它提供：
1.用于電池電和熱速率預(yù)測的超快速 0D 等效電路模型
2.支持用戶設(shè)計(jì)的整個(gè)電池組（包括單元）的 CAD，以實(shí)現(xiàn)更大的幾何靈活性
3.專用的設(shè)置面板，可提高生產(chǎn)率
這些綜合改進(jìn)表明，電池組冷卻仿真應(yīng)由耦合電熱方法驅(qū)動(dòng)。由于強(qiáng)大的配置器可以讓用戶有更多時(shí)間花在分析上，因此用戶花在預(yù)處理上的時(shí)間更少。
PART. 03 快速電池充電循環(huán)模擬
讓我們以電動(dòng)汽車電池組為例，我們需要冷卻該電池組才能進(jìn)行快速充電循環(huán)。我們將考慮具有以下特征：
用于快速充電循環(huán)電池組熱仿真的 CAD 幾何形狀
這是一個(gè) ~80 kWh 電池組，帶有 456 個(gè)鋰離子方形電池，底部用液體冷卻板冷卻。
等效電路模型 （ECM） 具有 2 個(gè) RC 元件，可更好地捕獲擴(kuò)散效應(yīng)，從而預(yù)測鋰離子電池的電氣行為。它包含 -8 的 20 個(gè)溫度級(jí)別oC 至 60oC 用于準(zhǔn)確的溫度依賴性估計(jì)。該模型輸出電池的發(fā)熱速率、電壓、電流和充電狀態(tài) （SOC）。
PART. 04 快速設(shè)置電池組熱模擬
現(xiàn)已嵌入 Simcenter STAR-CCM+ 的 2-RC 等效電路模型 （ECM） 示意圖
西門子 Simcenter STAR-CCM+ 電池組熱仿真使用專用配置器可以輕松將 ECM 分配給單元的幾何部件。網(wǎng)格簡單明了，使用平行網(wǎng)格劃分器可以快速執(zhí)行，獲得 6.6M 的有限體積單元。
使用6.6M有限體積單元進(jìn)行電池組熱仿真的有限體積網(wǎng)格
PART. 05 從電池組熱模擬中快速獲得見解
以 150 kW 的速度快速充電 20 分鐘，電池升溫不均勻。這是由于冷卻板中施加的高電流和低效率造成的。但是，電池溫度仍低于 45 的安全限值oC，這是典型的值。
在具有 2 個(gè)內(nèi)核的計(jì)算機(jī)集群上執(zhí)行的計(jì)算時(shí)間不到 128 小時(shí)，就模擬了 20 分鐘的快速充電占空比。
在電池組和冷卻板上可以觀察到以下溫度分布：
快充20分鐘后電池組和冷卻板溫度分布
PART. 06 電池管理CFD，快速而明顯
有了這些快速的詳細(xì)信息，您現(xiàn)在可以輕松分析效率低下的情況，并執(zhí)行幾何形狀或條件更改，以提高該電池組承受快速充電的能力
Simcenter STAR-CCM+ 2021.3 使電池組熱管理設(shè)計(jì)能夠“快速、明顯地”實(shí)現(xiàn) 3D 電熱仿真。
采用 西門子 Simcenter STAR-CCM+ 電池組熱仿真 2021.3 設(shè)計(jì)的電池高效、持久且安全，將讓車輛 OEM 及其客戶滿意。
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