業務挑戰

鑒于鋰離子(Li-ion)動力電池的市場需求不斷攀升， AVL需要為企業研發找到更優熱-電性能的電池包成組方案。

解決方案

AVL采用Abaqus Uni?ed FEA電-熱仿真能力，結合專業求解器，對電芯特性進行有效捕捉，同時在不同電池系統配置下分析其熱行為。

業務成效

FEA模型與實驗數據的高度吻合使得AVL可以信心十足地開發復雜度越來越高的電池模型，從而能夠向其客戶提供更詳盡的性能評估和產品設計建議。

現如今的鋰離子(Li-ion)動力電池需要高度復雜的電子電路和可靠的控制。AVL技術專家Kim Yeow表示：“寬泛地說，電池管理系統持續監測并保護電池包中的每一個電芯。同時，它也不斷地與電機及其他車輛控制系統進行通信，從而確保電池包安全高效地運行。電池系統必須能夠承受極端環境，在極端環境下正常工作，還必須實時地迅速響應車輛駕駛狀況的改變。這十分的復雜。”

Kim Yeow是先進仿真技術團隊的成員。這支團隊幾年來一直都在密歇根州普利茅斯的AVL技術中心為各個領域的客戶研究和評估鋰離子電池系統。在普利茅斯的一個內部研發項目中，研發團隊需要基于一臺燃油車開發電動汽車及增程器展示平臺(EVARE)，其中的一項挑戰就是為電池包打造一套高效的冷卻系統。整個電池包由14個標準化模組組裝而成，研發團隊需要在有限的設計空間中尋找最優化熱-電性能的方案。Kim Yeow指出：“顯然，我們此時需要借助有限元分析(FEA)工具開展高保真仿真，以預測電池工作溫度。”

鋰離子電池誕生已有數十年之久。FEA現在還能體現什么應用價值？Kim Yeow表示：“還有很多領域。由于市場大規模轉型，在過去幾年里AVL大量的應用在汽車電動化的研究中。”Kim Yeow在AVL研究中心參與的許多研究都與電池組的熱管理有關。

設計用于電動汽車（電動、插電混動、混動）上的電池系統時必須考慮眾多的因素，比如電池系統的容量、電芯選擇、電芯與模組成組約束、電池包架構、電池包的體積與質量能量密度、成本、各種負載下電池系統的結構耐久性、環境溫度限制等。

不同幾何結構的電芯電-熱模型

Kim Yeow表示：“電池組熱管理只是眾多重要的衡量維度之一。從電池性能與安全的角度，我們需要讓電池包在不同環境溫度和工況下，持續運行在最佳工作溫度范圍內。在電池過熱時，我們需要為電池包降溫。在電池溫度過低時，我們需要為電池包升溫。”

通過3D FEA建模，可以評估整個電池包內每個電芯的溫度分布。這種FEA模型能辨別電池包內的電芯溫度分布，從而為溫度傳感器布局提供指導，以便監控并反饋電池包的內部的工作溫度。Kim Yeow指出：“電池包功率性能受內部電芯溫度影響顯著；如果某個電芯的溫度過高，必然需要降低整個電池包的輸出功率，以防止這個電芯過熱。另一方面，如果溫度過低，就必須為它升溫，因為較低的電芯溫度同樣會限制電芯的輸出功率。”電芯最大溫度和電芯最大溫度差是影響電芯安全和耐用性的關鍵因素。

“我們需要一種合適的工具分析電池系統熱行為。Abaqus FEA的電-熱仿真功能就完美符合我們的需求。”

                                                                                               —Kim Yeow，AVL技術專家

圖1：連續充放電條件下的間接風冷模塊的分析與實測吻合良好

在EVARE項目上，AVL團隊遇到的難題是如何開發出成本盡可能最低、電池冷卻效率最高的電池包配置。成功的要訣是充分了解電池組的內部狀況。Kim Yeow表示：“我們需要一種合適的工具分析電池系統熱行為。Abaqus FEA的電-熱仿真功能就完美符合我們的需求。”該軟件已在AVL被廣泛地運用于內燃發動機以及需要進行的熱-結構分析的零部件系統上。

由于這個工具不是專門為電池仿真而設計的，AVL團隊編寫了專用的子例程并將它們耦合到Abaqus。Kim Yeow指出：“對用戶子程序的良好適配性是Abaqus諸多優勢的一個，這為我們將自行開發的電芯模型與有限元模型的耦合提供了便利。”

為EVARE項目開發的專用子程序可以幫助AVL評估各種不同尺寸，不同種類電芯的熱行為，各類冷卻方案的效率也可以對應評估。Kim Yeow表示：“每個鋰離子電池都有自己的獨特性。因此對不同類型的電芯，無論是幾何結構不同還是化學體系不同，都需要將電芯幾何結構信息和性能信息輸入到我們的子例程。這樣我們才能特征化不同的電芯。”

AVL團隊的電池建模通常從快速1D仿真開始。Kim Yeow指出：“這讓我們大致了解了電池包的性能，在此基礎上我們可以決定電芯選用和冷卻系統要求。”在取得電池包冷卻系統的完整信息后，AVL從模組的電-熱分析開始，開展詳細的3D評估。

Kim Yeow表示：“首先我們假定冷卻板和電芯間的熱傳遞路徑良好。Abaqus具備良好的接觸辨識及仿真能力，因此所有組件的接觸都能有效地描述清楚。隨著設計逐步成熟，我們會模擬真實的裝配狀態并找到導熱路徑上可能存在的阻礙，一方面我們會尋求優化接觸條件盡量消除阻礙，另一方面這些阻斷對整體冷卻效果的影響也會進行詳盡的分析評估。 

電芯結構自身的復雜性為這項工作平添了一道難題。取決于電芯容量，一個電芯可能擁有多達50對正極-負極薄層，每層厚度在200微米左右。Kim Yeow表示：“電池包內的電芯通常不少于96個，甚至更多，從工程和生產的角度來說，建立如此細化的電芯模型不切實際。因此我們用一三層等效電芯層模型近似表達每個電芯，使用等效各向異性材料屬性，在宏觀層面特征化電池行為。

他補充道：“準確的材料數據是一件復雜的工作。這方面始終都像是在探秘。電芯制造商為我們提供了一些粗略的數字，我們最終往往需要查閱相關文獻，或求助其他科研人員以獲得更準確的數字。我們經常發現，最終得到的是一個材料值的范圍。

他解釋道：“這些點滴數據最終都影響到模型計算結果。假設值的有效性將由測試驗證。”

盡管面對眾多挑戰，Kim Yeow表示，無論是連續放電條件下還是循環充放電條件下，無論是液冷還是風冷，無論是用直接冷卻系統還是用間接冷卻系統，他們都觀察到他們的模型與實際的實驗室測量值實現了良好的吻合。校準后的模型被用于進一步改進和優化電池系統設計（如圖1-2所示）。

圖2：Abaqus FEA描述下的

三種模組設計在穩態下呈現類似的溫度分布，

對比基線設計，方案1和3溫度都較低，

但方案1需要更強的氣流提供更大的對流換熱系數

Kim Yeow提到，如同任何新興技術，他們的技術還處在研究中。“我們深諳無法做到均勻冷卻，盡管這是我們想要實現的目標。我們將不斷改善我們模型的準確度，優化我們的假設場景并補充更多參數。在對鋰離子電池的電氣行為和熱行為開展結構評估方面，Abaqus是我們理想的分析工具選擇。我們已經將它用在開展所需的結構完整性評估方面。今后，我們將進一步增強電池系統電-熱模型與相應的結構模型和CFD模型的關聯度。”