安似科技：动力电池包三维耦合热管理方案

Ansys-安似科技有限公司高级应用工程师陈桂杰介绍，Ansys是全球最大多学科CAE综合服务供应商，专注于仿真，客户遍布各行业。Ansys致力于利用仿真帮助客户推动创新。

Ansys长期关注的技术研究方向包括数值计算、网格模型、机器学习、云部署和数字孪生增材等各个领域，全方位发展。Ansys的产品涵盖了结构、流体、电磁、半导体、光学、系统功能安全等各个方面的软件。

Ansys-安似科技有限公司高级应用工程师

以下为演讲内容整理:

Ansys动力电池整体解决方案

动力电池在研发过程中，在流体和结构方向遇到的主要问题如下。

图源:嘉宾演讲材料

流体方向应用最广泛的就是热管理，还包括电化学、水管理、短路、降阶模型、寿命模型和电池膨胀模型等。结构方向可以涉及到结构的刚度强度、振动、疲劳耐久、冲击跌落、耦合和优化等方面的分析。

图源:嘉宾演讲材料

为了解决动力电池研发中遇到的系统和工艺问题，Ansys也有相应的系统工具提供解决方案。系统方向的应用包括动力系统、降阶模型、电磁兼容问题。工艺方向的应用包括匀浆、涂布、干燥、辊压、切割、注液等工艺操作。

这是目前用户最多的热电耦合电池管理案例。使用电化学模型和共轭传热计算在Fluent中实现三维的热电耦合仿真。

图源:嘉宾演讲材料

在刚才的模型中，由于是通过三维仿真实现的，计算时间较长，如果涉及到真实驱动循环的计算，三维仿真时间就无法满足系统仿真需求。因此，就用到降阶模型。也就是在系统仿真中，使用等效电路模型计算电池热性能，然后通过降阶模型将三维CFD计算的热部分通过降阶实现，从而快速得到准确结果。通过电和热的耦合，就可以得到实时的热电耦合仿真结果，得到实际驱动循环中的温度变化。

图源:嘉宾演讲材料

这个案例是电池加上BMS管理系统的系统仿真，也用到了降阶模型，其中BMS系统可以起到监控和遇到突发情况时采取措施的作用，在电池过热时采用限流措施，实现系统仿真效果。

关于电池热失控热蔓延，电池热失控通常是从一个电芯开始，如果不采取措施，将会继续蔓延，甚至蔓延到整个电池模组和电池包。进行热失控仿真分析的目的，就是通过一些防护措施消除热失控，或者即使不能消除，也可以延迟热失控在电芯上蔓延的时间，让人员有相应的反应时间。

关于电池寿命模型，在热电耦合模型中，如果再加上基于经验的寿命模型，就可以更准确地预测电池老化的情况，例如在预估续航里程时就会更精确。

以下是电池工艺方面的仿真实例，如匀浆时的搅拌、涂布、拉膜及装配后的注液等，Ansys都有相应的解决方案。

图源:嘉宾演讲材料

电池共轭传热和降阶模型

图源:嘉宾演讲材料

Ansys Fluent前处理具有自动网格化流程。在做电池模组和电池包的时候，推荐的是Watertight workflow，流程易用性非常好，上手快，很快就可以得到类似的网格。对于网格类型，流程支持多种网格类型，如四面体、多面体、六面体核心等，还有Ansys申请专利的Mosaic网格，也就是六面体核心和多面体混合的网格，且网格生成速度非常快。

对于共轭传热界面，有些客户可能用过我们以前的版本，新版本对电池模块进行了更新，通过全新的耦合方式，将共轭传热功能集成到整个电池模块中，操作起来会更方便直观。

功能模拟接口是一个开放的标准，允许不同的软件在耦合仿真过程中交换信息，功能模拟单元是根据FMI标准编写的文件，并且Fluent现在支持在电池包热分析系统的联合仿真中加载FMU文件。同时她还表示，通过使用FMI接口，可实现Fluent与第三方软件间的联合仿真，如Simulink、Matlab、Cosmol；前提是第三方软件可将相应模型导出为FMI2.0格式的FMU文件；以共扼传热为例，将第三方FMU导入，实时将电池总热功率导入到Fluent中作为源项，进行共扼传热计算。

关于降阶模型，从提供热源到得到温度输出，降阶模型满足线性时不变系统，线性时不变可以简单理解为，热源叠加的温度变化呈现线性特性，不随时间改变。从数学角度看，是一个卷积过程，做法是三维仿真模型根据热源输出温度响应，将三维CFD计算视为训练数据生成降阶模型。降阶模型的输入是在实际驱动循环工况中，对于长时间的瞬态输入，可以很快得到相应温度变化的输出。

图源:嘉宾演讲材料

而且降阶模型的计算时间非常短，三维计算可能需要几个小时，而降阶模型只需几秒钟就可以完成。因为是基于三维CFD模型得到的训练数据，所以精度非常高。

热电耦合模拟的做法是使用等效电路模型来模拟电的性能，在热部分使用降阶模型，最后通过系统工具实现热和电耦合。图中是大众汽车的案例。

图源:嘉宾演讲材料

中创新航也使用了Ansys的降阶模型，ECM和ROM的耦合能准确地输出每个电池上的温度分布。荣盛盟固利的案例计算了多个循环工况，并使用降阶模型。通过CFD结果和降阶结果的曲线对比，发现实际上偏差只有零点几度。天津力神使用Ansys的降阶模型做的案例显示，三维计算时间为7200秒，而降阶模型只需两秒钟。

LTI-ROM降阶模型可以得到电芯上的平均温度或最大温度等定量结果，如果想了解三维电芯上的温度分布，另外还有一个降阶模型叫SVD-ROM，与LTI原理相似，只是最后任务会多一步，要把降阶模型得到的结果返回到三维Fluent里，得到三维温度分布云图。

电池热电耦合仿真

图源:嘉宾演讲材料

在Fluent里提供了一个MSMD方法，叫做多尺度多维度方法。因为电池涉及的尺度非常大，所以多尺度多维度方法可以理解为，在三维层面上寻求能量守恒和电势方程，将每个CFD网格看作一个小电池，在小电池上求解电化学反应，然后通过结果中的q和j来封闭三维模型里的方程。

Fluent里提供了几种电化学子模型，其中Newman P2D模型由于需要求解的方程个数较多，参数也很多，且不易得到，因此实际应用相对较少。

我们推荐的两个模型，一个是等效电路模型，在学术界和工程界已经得到广泛认可。使用ECM电化学子模型会用到HPPC实验数据，通过脉冲放电数据拟合等效电路模型里相应的参数。另一个电化学子模型是NTGK模型，对比等效电路模型会更简化，因为等效电路模型有两个RC回路，对剧烈负载变化的跟随性较好，但NTGK模型里没有，所以相对简化一些，数据拟合也会更容易一些，需要用到的实验数据是倍率放电曲线，拟合工作可以在Fluent里自动完成。

中创新航案例中使用等效电路模型，对单个电芯热电耦合仿真结果和实验结果进行对比，还进行了模组仿真和实验的对比，以及整个电池包PACK仿真与实验对比，结果都吻合得很好，很好地证明了Fluent三维热电耦合的仿真精度。

图源:嘉宾演讲材料

电池热安全仿真

关于热安全仿真，Fluent提供了两种热失控模型，一种是一方程模型，一种是四方程模型。一方程模型把反应速率作为温度函数统一在一个方程中进行表示，四方程模型会根据不同的反应时间和位置表示为四个方程。

图源:嘉宾演讲材料

Ansys与清华大学合作了热失控案例。

虚线是Fluent结果，实线是实验结果，通过曲线对比，仿真结果和实验结果对比都非常好。

广汽弹匣电池组的热失控案例，初始设计是会发生热失控，客户找到了优化方法，在侧面开孔，把多余的热量导走。通过优化措施，可以保证热失控只发生在一个弹匣里，而不向另一个弹匣蔓延。

电池热失控常常会伴随电池爆喷，Ansys也提供了电池爆喷仿真功能。爆棚案例中从第一个电芯开始发生爆喷，然后热失控依次向下蔓延，但因为整个电池里没有把喷出的热气与电池包隔离，所以热失控并非按顺序排列。所以现在在电池包设计中，通常需要将产生的热气与电池包隔离。此外，爆喷会产生许多可燃气体，再加上氧气，会出现燃烧现象。Ansys也提供相应的燃烧解决方案。

电池寿命和膨胀仿真

电池寿命可以分为日历寿命和循环寿命。日历寿命是指电池长时间放置后的容量下降，可以根据已有实验数据总结出经验模型。循环寿命可以根据实验数据，如多少次循环，以及温度情况得到电池衰减数据，并将基于经验的模型加入仿真中。

图源:嘉宾演讲材料

Fluent还增加了基于物理老化的寿命模型，

三维老化模型可以使用电化学模型中的Newman P2D模型，考虑SEI膜增厚和析锂两个副反应，导致电极孔隙率下降，有效电导率下降，在模型中增加基于物理电池老化的模型。

关于电池膨胀模型，是最近几个版本才增加的模型。基于物理的认知模型，不是给出一个膨胀系数，而是考虑了老化引起的电池膨胀以及在电池膨胀过程中结构变形引起的外部应力变化。在最新发布的2022版本中，也增加了基于经验的电池膨胀模型，可以模拟充放电过程中电池膨胀引发的中间冷却通道位置宽窄度的变化。

Fluent原生GPU计算能力

GPU计算是现在很火的方向，因为CPU计算很多时候可能会有瓶颈。Fluent的原生GPU计算，在软件功能方面都有了很大的发展。

图源:嘉宾演讲材料

通过整车外气动的案例进行对比，对比的基准是Fluent CPU48核并行计算。TeslaA100的计算效率是基准模型的8倍。通过对比可以看出，GPU并行对大规模模型计算非常有用。

图源:嘉宾演讲材料

有限公司高级应用工程师陈桂杰于2023年7月6日在2023新能源汽车热管理论坛发表的《动力电池包三维耦合热管理方案》主题演讲。)