早在1899年，第一輛電動車發(fā)明出來時，就達到了每小時100公里（每小時62英里）的速度，并創(chuàng)下了世界紀(jì)錄。但巧合的是，它的外形設(shè)計像是一個在車輪上加裝了一個巨大的榴彈炮，并名為“l(fā)a jamais contente”（“永遠(yuǎn)不快樂”），的這樣的造型設(shè)計可以很好的詮釋電動汽車設(shè)計中一個避無可避的問題：電池的續(xù)航里程和電氣性能越高，在意外破壞的情況下汽車越容易發(fā)生爆炸。

1899年第一輛達到100公里/小時的電動汽車

電池在使用過程中，最危險的情況就是熱失控。熱失控就是電池在很短的時間內(nèi)因熱反應(yīng)釋放大量能量，最終導(dǎo)致汽車自燃甚至發(fā)生爆炸，這也是現(xiàn)在電動車發(fā)生這種災(zāi)難事故的主要原因。

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電池安全與性能的關(guān)系

在電池安全方面，可采用一些安全環(huán)保的電池化學(xué)物質(zhì)，如LFP（磷酸鐵鋰）。今年，CATL或比亞迪等公司也可能將鈉離子引入到汽車市場。使用這些化學(xué)物質(zhì)的電池不會因為機械損傷（例如釘子穿透）而開始燃燒。但是這些替代品的能量密度遠(yuǎn)低于NMC（鋰鎳錳鈷氧化物）或NCA（鋰鎳鈷鋁氧化物）等為原來的電池，如果使用這些安全環(huán)保的電池原料，那將對電動車?yán)m(xù)航里程和性能有極大的限制。比如純鈉電池可能很好，足以滿足城市內(nèi)部短路程的出行需求，但對于有遠(yuǎn)距離出行，這不是一個很好的選擇。

將鈉電池與具有更高性能的化學(xué)電池進行電池混合可能是一個很好的折衷方案，但具有高性能的電池（如NMC或NCA）再次引發(fā)了安全問題。那么，如果我們想實現(xiàn)電池的長續(xù)航，電池安全是我們必須付出的代價嗎？ 

答案是否定的！如果在設(shè)計過程中將電池的安全要求考慮進來，那么對電池進行高性能設(shè)計的同時兼顧電池安全的設(shè)計也是可以實現(xiàn)的。目前最有效的方法是就是將電池仿真技術(shù)與實驗測試相結(jié)合。

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電池開發(fā)中的仿真

仿真已經(jīng)成為現(xiàn)代電池設(shè)計工程的支柱。它們有助于識別影響系統(tǒng)性能的主要參數(shù)，并根據(jù)性能參數(shù)對電池進行最佳設(shè)計。電池仿真技術(shù)成功的關(guān)鍵是在設(shè)計過程中將各種電池仿真技術(shù)有效且高效的結(jié)合起來。

為了節(jié)省成本并盡可能發(fā)揮協(xié)同作用，汽車行業(yè)逐漸形成一種趨勢：使用統(tǒng)一的電池單元格式，其中可以包含不同的電池化學(xué)成分。電池被集成在一個模塊化平臺中，該平臺可以進行縮放以實現(xiàn)不同的電池組配置。 

盡管在平臺層面上有這種有效的方法，但在電池的設(shè)計過程中，仍沒有對熱失控問題有更好的預(yù)測，如果在完成電池設(shè)計之后，再進行熱失控測試，若測試結(jié)果不符合官方要求，那么就要從頭開始對電池進行設(shè)計。

為了避免這些后期的意外，Simcenter STAR-CCM+開發(fā)了一種新的電池模擬工作流程，可以在電熱電池仿真和熱失控仿真之間輕松切換。用戶可以在一個電池仿真模型中對電氣性能、電池冷卻回路、熱失控保護材料和通風(fēng)系統(tǒng)進行操作。這使得用戶能夠根據(jù)各自的物理特性輕松地縮放具有不同電池化學(xué)成分的電池平臺。

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Simcenter STAR-CCM+ 中的熱失控仿真

電池的熱失控是不同物理現(xiàn)象的混合：電池接收到一定量的能量，就會發(fā)生幾種化學(xué)氧化還原反應(yīng)并釋放大量熱量，導(dǎo)致電池內(nèi)的壓力迅速增加，致使在某個時刻，電池會噴出可達到1000°C以上的熱氣。為了電池的安全設(shè)計，必須考慮所有這些影響。Simcenter STAR-CCM+提供了一種簡單且高精度的建模方法。 

01

定義電池單元和電路模型

熱失控?zé)後尫拍Ｐ?/span>是Simcenter STAR-CCM+中電池仿真模塊工作流程中的一個新功能，該模型描述了電池固體部件在熱失控過程中釋放的熱量。它可以添加到等效電路電池模型中（=Simcenter STAR-CCM+中的“RCR模型”）。 

熱釋放模型基于包含固體電池部件的電池溫度[K]和熱耗率[W]作為輸入?yún)?shù)的表。數(shù)據(jù)可以來自加速速率量熱計（“ARC”-）測試，也可以使用Simcenter Amesim軟件確定，該軟件具有庫中最常見的電池化學(xué)ARC測試數(shù)據(jù)，并且可以根據(jù)電池形狀和容量對值進行縮放。對于具有包含電池模型的連續(xù)體的區(qū)域的任何部分，熱釋放都會自動激活。熱釋放的激活也可以由用戶指定，例如通過電池組電池堆的指定溫度來指定。

通過設(shè)置可以從第一步開始將熱失控安全方面集成到電池設(shè)計中。Simcenter STAR-CCM+具有參數(shù)化幾何形狀、進行智能設(shè)計探索以及在不同的電氣和熱失控模型之間輕松切換的能力，是設(shè)計和擴展具有不同電池化學(xué)成分的現(xiàn)代電池平臺并優(yōu)化其熱管理和安全組件的理想工具。通過使用相同的電池平臺配置不同的電池來實現(xiàn)相同的協(xié)同效應(yīng)。

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電池優(yōu)化設(shè)計的綜合仿真方法

在電池系統(tǒng)的設(shè)計過程中，需要一個包含不同電池仿真方法的工具。范圍從系統(tǒng)級的快速 1D 電池仿真到組件級的3D CFD 仿真，最后是結(jié)合了兩全其美的技術(shù)：所謂的降階模型 （ROMS）。后者將3D模型的精度與系統(tǒng)仿真模型的速度相結(jié)合。

a.系統(tǒng)級1D電池仿真

首先，對電池的化學(xué)成分和電池性能進行分析，并在Simcenter Amesim對電池的的老化進行模擬仿真。并基于通用的電池組模型和電池的性能要求，設(shè)計出基礎(chǔ)的電池架構(gòu)，并為電池的冷卻系統(tǒng)提出概念設(shè)計（根據(jù)電池和基本的電池數(shù)據(jù)）： 

B. 組件級3D CFD 仿真

在對電池組件進行3D CFD仿真時，面臨的挑戰(zhàn)是的在快速充電期間的熱失控和熱管理方面的安全電池設(shè)計問題。

控制熱失控

對產(chǎn)品熱失控安全的策略和要求，具體取決于應(yīng)用和行業(yè)領(lǐng)域。如果電池接收到足夠的能量來啟動放熱反應(yīng)，那么阻止電池燃燒幾乎是不可能的。那么在發(fā)生熱失控之后，最重要的事情就是防止電池模組發(fā)生連鎖反應(yīng)，這樣可以盡可能減少熱量和壓力的產(chǎn)生，使得電池外殼在不傷害乘客的前提下，安全的將熱量釋放掉。 

面對熱失控更好的策略是，減緩電池單元之間熱失控的擴散，這樣電池組中包含的能量就不會立即釋放，而是每個電池單元分階段釋放，這樣就有足夠的時間結(jié)合良好的電池冷卻系統(tǒng)將熱量排出，這可以將風(fēng)險降到最低并保護乘客。

減緩熱的擴散可以通過隔熱材料來實現(xiàn)，這種隔熱材料專門設(shè)計用于耐受高溫，也就是所謂的隔熱罩。隔熱罩的厚度對電池和冷卻系統(tǒng)在y方向的整體尺寸有很大影響。為了評估隔熱性能，我們使用Simcenter STAR-CCM+來設(shè)置一個全參數(shù)電池幾何結(jié)構(gòu)，該幾何結(jié)構(gòu)根據(jù)隔熱板厚度向上或向下縮放所有部件。 

我們對三種不同厚度（1mm/3mm/6mm）的隔熱罩進行了3次熱失控分析，包括通風(fēng)和分析單電池之間擴散的時間。由于我們的模塊是參數(shù)化的，我們可以設(shè)置一次熱失控模型，并使用 STAR-CCM+ 中的設(shè)計研究管理器為不同的幾何形狀應(yīng)用相同的模型。

• 熱失控安全性的要求取決于行業(yè)部門，不能一概而論

  
  

• 對于這個虛構(gòu)的場景，如果對于超過80%的電池，單電池傳播之間的時間超過20秒，則電池組被認(rèn)為是安全的

  
  

• 溫度圖中存在2個或多個電池單元溫度曲線之間的時間間隔太小的區(qū)域稱為臨界區(qū)域

• 如果在傳播過程中顯示 1 個以上的臨界區(qū)域，則認(rèn)為它是不安全的

  
  

• 這只是一個例子，但當(dāng)我們展示參數(shù)化工作流程時，可以根據(jù)具體情況調(diào)整要求。 

1mm隔板厚2個臨界區(qū)域

3mm隔板厚3個臨界區(qū)域

6mm隔板厚1個臨界區(qū)域

這里主要是對傳播時間間隔太短的電池進行識別，以及進入熱失控的第一個電池和最后一個電池之間最大時間及最高溫度。對于具有1mm熱屏蔽厚度的電池模塊，在單個電池單元傳播之間的時間太短的情況下，存在2個臨界區(qū)域。對于3mm熱屏蔽厚度，存在3個臨界區(qū)域，電池單元對之間的傳播時間增量很小。最后，具有6毫米散熱器厚度的模塊是最安全的設(shè)計，對于配備6mm厚散熱器罩的裝置，只剩一個臨界區(qū)域，兩個電池之間的時間差為7秒。其余電池在兩個電池之間有足夠的時間傳播，導(dǎo)致總的熱失控時間最長，因此設(shè)計可以被認(rèn)為是安全的！

熱管理系統(tǒng)的設(shè)計

在熱失控安全分析之后，根據(jù)隔熱罩厚度對電池可以進行參數(shù)化的修改，設(shè)計可以繼續(xù)使用熱管理系統(tǒng)。如上所述，過熱會觸發(fā)電池進入熱失控狀態(tài)，電池單元的工作溫度也對其壽命和性能產(chǎn)生強烈影響。

包括冷卻系統(tǒng)在內(nèi)的 3D CFD 電池仿真使用戶能夠在設(shè)計過程的早期識別熱點和冷點。這些信息以后可用于放置溫度傳感器進行實驗測試，或獲取有關(guān)電池上最大溫度梯度的信息，這對于老化分析很重要。對于液體冷卻系統(tǒng)的分析，沒有必要像熱失控模擬那樣模擬電池模塊內(nèi)的空氣。模擬冷卻液并以對流邊界條件的形式定義固體部件與電池內(nèi)部空氣之間的傳熱系數(shù)就足夠了。

為了模擬電池的電熱行為，使用了具有2個RC元件的等效電路模型。它是用戶定義的電池單元的一部分，就像之前用于熱失控模擬的熱失控釋放模型一樣。 

通過使用 Simcenter STAR-CCM+ 中的電路編輯器，可以最好地對復(fù)雜的電氣程序進行建模。它包含一個電氣元件工具箱，可以使用它實現(xiàn)大多數(shù)操作。對于恒流恒壓充電程序，使用以下電路架構(gòu)：

• 電路由8個串行連接模塊和2個并聯(lián)分支組成

• 分支 1：對充電過程的恒流階段進行建模

• 分支 2：對充電過程的恒壓相位進行建模

基于仿真模型，對以下冷卻系統(tǒng)的參數(shù)進行分析并對比。

從所有分析的邊界條件來看，質(zhì)量流量為0.05和入口流體入口溫度為21°C的組合顯示出最佳結(jié)果，可將電池保持在24°C至27°C之間的最佳溫度范圍內(nèi)。

 最后，完成電池的設(shè)計。電池在熱失控的情況下具有足夠的被動保護。對快速充電程序進行了建模，以確保電池及時充電，并設(shè)置了冷卻系統(tǒng)參數(shù)，以使所有電池單元保持在所需的溫度范圍內(nèi)。

C. 降價模型（ROMS)

為了進一步發(fā)展電動汽車，預(yù)測電池如何與環(huán)境控制系統(tǒng)等其他部件相互作用是一件有趣的事情。Simcenter 提供了一種新型的降階模型，它將 3D 電池仿真的高精度與系統(tǒng)仿真的速度相結(jié)合。它是用于溫度預(yù)測的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和系統(tǒng)等效電路模型之間的混合體： 

使用Simcenter ROM 生成器創(chuàng)建的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)需要訓(xùn)練數(shù)據(jù)才能預(yù)測電池溫度。在這種情況下，用于確定冷卻系統(tǒng)參數(shù)的六個3D電池模擬被作為訓(xùn)練的輸入。

從下面的圖中可以看出，降階模型可以很好地預(yù)測細(xì)胞堆棧的溫度，并顯示出與 3D 模型幾乎相同的結(jié)果。這里最大的優(yōu)勢是所需的時間。雖然 3D 模型需要 3.92 小時來模擬 2225 秒的快速充電周期，但神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型能夠在 0.04 秒內(nèi)完成相同的工作！這樣就可以在軟件在環(huán) （SIL） 和硬件在環(huán) （HIL） 模型中使用電池模型，并允許用戶將其集成到電池的整體系統(tǒng)模型中。 

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使用Simcenter平衡電車的安全性和性能    

Simcenter 電池設(shè)計解決方案使工程師能夠提高電池的電動性能，從而提高電動汽車的續(xù)航里程，同時確保電池設(shè)計符合全球安全法規(guī)，同時控制開發(fā)成本。因此，由于隨之而來的數(shù)字孿生部署，電動汽車將永遠(yuǎn)不會成為“la jamais contente”（“永遠(yuǎn)不快樂”）。