電氣化的工業(yè)應用（包括電動汽車和分布式發(fā)電）必然衍生出更多對電池的需求。這在快速發(fā)展的交通運輸領域中尤為明顯，如：電動汽車與無人機。而且在多電飛機的研發(fā)和能量儲存中，電池的重要性也日益突出。這些電池并非單獨使用，而是作為復雜組件使得大型系統(tǒng)能夠處于最佳運行狀態(tài)，以確保安全高效地利用能源。電池管理系統(tǒng)(BMS)包括硬件和嵌入式軟件，能夠實時監(jiān)測和控制充電電池的狀態(tài)，以便為復雜應用提供可靠的動力。ANSYS面向嵌入式軟件和功能分析的解決方案支持BMS研發(fā)，實現(xiàn)安全、可靠、高效地電池操作。

“隨著越來越多的系統(tǒng)依賴動力電池，仿真工具的組合運用對BMS的快速虛擬原型的設計具有重要意義。”

據(jù)Statista資料顯示[1]，到2025年，電動汽車(EV)在整體汽車市場的占比有望從2017年的1%增長到14%。汽車制造巨頭都爭相研發(fā)電動汽車，希望在這個不斷發(fā)展的市場中獲得領先優(yōu)勢。隨著電氣化進程的日益深入，汽車逐步采用大型電池組來為引擎、空調和供暖以及信息娛樂系統(tǒng)供電，因此電池系統(tǒng)運行的監(jiān)控與維護成為關鍵。工程師正在研發(fā)電池管理系統(tǒng)(BMS)，以確保這種復雜網絡能夠平穩(wěn)運行，進而產生更多地對前沿仿真軟件工具的需求。

BMS主要功能

在電動汽車中，BMS是由軟件驅動的高級控制中心。它負責監(jiān)控電池電壓與溫度，并保證正常的運行條件；監(jiān)控系統(tǒng)連接狀態(tài)；測量電流；計算荷電狀態(tài)(SOC)和健康狀態(tài)(SOH)；平衡電池的輸入輸出；以及建立電池與動力系統(tǒng)或充電系統(tǒng)之間的連接等。

總之，BMS可以獨立確保電池驅動的車輛在最佳性能條件下平穩(wěn)、安全地運行，實現(xiàn)資源的最佳分配利用，而且能夠提前向駕駛員告知潛在的問題。如果遭遇極端情況，BMS可通過物理方式斷開系統(tǒng)中的電池，以防止嚴重故障發(fā)生可能危及車輛乘員安全。

設計如此復雜的控制中心面臨著艱巨的挑戰(zhàn)。ANSYS解決方案可以為工程師在設計研發(fā)BMS的整個過程中提供幫助，甚至能夠在BMS操作環(huán)境中實現(xiàn)系統(tǒng)的實時管理。ANSYS電池管理解決方案包含基于物理場的仿真，使用ANSYS Twin Builder、ANSYS medini analyze以及直接面向BMS的ANSYS SCADE嵌入式代碼為BMS開發(fā)系統(tǒng)級電池視圖。

通過多物理場系統(tǒng)仿真方法
進行電氣驅動建模

針對電池安全性的ANSYS Medini analyze與SCADE嵌入式代碼

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基于ANSYS Twin Builder的系統(tǒng)建模

 

ANSYS Medini analyze可根據(jù)不同行業(yè)的不同標準進行關鍵的安全分析程序，包括危險與可操作性分析[HAZOP]、故障樹分析[FTA]、失效模式和影響分析[FMEA]以及失效模式、影響及診斷分析[FMEDA]。它可以校核汽車系統(tǒng)的BMS軟件是否符合ISO 26262道路車輛功能安全標準。

安全分析首先要識別和描述BMS的功能與故障。一旦發(fā)現(xiàn)故障，則進行危險和風險分析(HARA)，以便確定汽車安全完整性等級(ASIL)、相應安全目標和安全要求，從而確認危險事件及其安全性影響。某些BMS功能要求嚴格的研發(fā)過程，標準要求達到ASIL D級，這是ISO 26262最高的安全完整性等級。

此安全等級同時也對相關軟件提出了非常嚴格的安全要求。

BMS一般具有三個架構組件：

• 包含多個獨立電池的電池組（電池堆）

• 配電箱

• 電子控制器(ECU)，包含用于監(jiān)控電池電壓、溫度與電流的軟件控制器

采用ANSYS SCADE Suite可以自動生成和檢驗ECU中的嵌入式軟件。SCADE產品系列為關鍵嵌入式軟件提供模型化研發(fā)環(huán)境，如：飛行控制與引擎控制系統(tǒng)。SCADE Suite通過簡化關鍵控制應用程序設計，自動執(zhí)行驗證，生成限制/認證代碼與文檔，從而大幅降低項目認證費用。此工具生成的嵌入式軟件可經過各種行業(yè)標準的認證，包括面向航空航天行業(yè)標準的DO-178C A級、面向汽車行業(yè)的ISO 26262:2011 ASIL D級以及面向電子系統(tǒng)功能安全性的IEC 61508 2010 SIL 3級。

基于SCADE Rapid Prototyper的軟件仿真

 

“BMS可獨立確保電池供電車輛在最佳性能下安全平穩(wěn)地運行。”

面向電池優(yōu)化的多物理場仿真

目前最流行的電池是鋰離子技術電池，不過研究人員也一直在探索能效更高、防熱和阻燃能力更強的材料。

在探索材料系統(tǒng)時，科研人員必須重新研究每個材料系統(tǒng)的基本性能。由于材料都具有獨特的熱、結構、電磁與電化學性能，因此需要采用ANSYS多物理場解決方案徹底模擬電池系統(tǒng)。OEM電池制造商及其供應商都使用ANSYS Fluent以解決電池設計、熱管理和熱失控等問題；采用ANSYS Mechanical處理加熱與冷卻的溫差產生的結構應力與應變；采用ANSYS Twin Builder進行電池組運行的系統(tǒng)級建模。這種完整的解決方案可以幫助工程師解釋電池設計、生產和運行過程中的各種物理變化。

Fluent可以基于多尺度多維度(MSMD)方法提供3D計算流體動力學分析。這種方法適合用于從材料尺寸（10-9米）、電極對尺寸（10-4米）到成品電池組尺寸（10-1米）的CFD仿真，涵蓋10個尺度量級。Fluent包含三種不同的電化學模型，可用于優(yōu)化電池系統(tǒng)的發(fā)電能力。

此外，F(xiàn)luent還可用于分析電池與模塊之間的熱流動，以確定方形蓄電池組或者圓柱形蓄電池組在各種強制冷卻條件下的溫度。我們發(fā)現(xiàn)控制鋰離子電池的溫度至關重要，有助于防止其因過熱而發(fā)生火災。

電池在運行過程中各部件的溫度發(fā)生變化，材料由于不同的熱膨脹系數(shù)會產生膨脹或收縮。材料的膨脹與收縮會導致電池組件產生壓縮或拉伸應力，若其誘導應變超出給定材料的臨界水平有可能發(fā)生變形或失效。通過結合使用Mechanical與Fluent，工程師可開展雙向多物理場仿真，以追蹤溫度對結構的影響，從而確保電池組件能夠承受產生的熱應力。

在極端情況下，如：電動汽車發(fā)生碰撞時，應當考慮電池的熱濫用。首先是發(fā)生結構失效，這會降低電池受影響區(qū)域的接觸電阻。ANSYS Mechanical可以模擬這些情況下的結構失效，并評估新的設計能否預防失效。然后，受損電池中的電化學反應會產生熱量，在發(fā)熱率超過散熱率的情況下有可能發(fā)生熱失控。Fluent仿真可以幫助工程師設計一款能夠防止此類熱濫用的電池。同樣，為了全面了解電池在意外碰撞情況下的結構、熱與電化學響應，工程師需要采用Mechanical與Fluent進行多物理場耦合仿真。

最后，當電池系統(tǒng)的所有組件做好連接準備之后，ANSYS Twin Builder可以模擬電池組件如何進行協(xié)同以達到最高效率。最佳的設計組件并非能產生最佳系統(tǒng)。當這些組件作為完整的集成系統(tǒng)進行通電、感應和控制時，它們的表現(xiàn)可能與作為單獨組件接受測試時不盡相同。Twin Builder可以執(zhí)行涵蓋整個連接系統(tǒng)的閉環(huán)測試，以檢測并糾正所有組件的缺點，從而創(chuàng)建一款能夠以最高效率運行的電池系統(tǒng)。

在電池中，ECU負責監(jiān)控電池的運行狀況，如：電池電壓、溫度和整個電池組的電壓與電流。然后，ECU向外部組件發(fā)送相關數(shù)據(jù)，如：SOC與SOH（電池當前狀態(tài)與理想狀態(tài)進行對比），此外它也會發(fā)送冷卻與發(fā)熱信息。

BMS可以根據(jù)這些輸出信息執(zhí)行以下操作：(1)調節(jié)參數(shù)以確保電池在安全運行區(qū)(SOA)內運行，即在SOA的電壓與電流狀況下電池不會發(fā)生自損；(2)在出現(xiàn)碰撞情況時執(zhí)行電池的緊急斷開命令。如果BMS確認SOC或SOH超過預期邊界，它會發(fā)送警告，并且把系統(tǒng)切換到安全狀態(tài)。

面向完整系統(tǒng)仿真的ANSYS Twin Builder

最后一步是采用ANSYS Twin Builder執(zhí)行完整的閉環(huán)系統(tǒng)級電池組仿真，以確保所有組件協(xié)同運行時能夠滿足設計目標。利用Twin Builder，工程師可以創(chuàng)建多物理場模型，以便模擬電池電氣和熱行為等不同的物理效應，從而設計和驗證電池的系統(tǒng)模型。

利用Twin Builder，工程師可以確定關鍵的設計參數(shù)，如：電池系統(tǒng)輸出功率峰值、電池充電與放電速率、運行發(fā)熱量以及發(fā)熱量對電氣性能的影響。Twin Builder可提供一個基于Modelica的庫，其中包含四個面向電池等效電路模型(ECM)的模板，該模板是SOC和溫度的函數(shù)，可用于預測電池性能。

在電池電路集總參數(shù)模型過大的情況下，Twin Builder可以利用ANSYS物理場求解器的功能優(yōu)勢創(chuàng)建降階模型(ROM)。ROM可用非常小的尺寸來表示全尺度3D模型，可以在幾分鐘或數(shù)秒內完成仿真，并且不犧牲精度，因此是系統(tǒng)級建模的理想選擇。電池組的ROM熱模型可以和基于ECM模型的Twin Builder耦合，從而確定熱量對電氣性能的影響。

基于ANSYS Twin Builder的閉環(huán)測試

 

ANSYS完整的BMS解決方案

ANSYS Medini analyze可以確保BMS設計方案的安全性，ANSYS SCADE Suite可以生成和驗證嵌入式控制軟件，而ANSYS Twin Builder使工程師能夠測試與驗證電動汽車電氣系統(tǒng)的整體效率與可靠性。隨著未來有越來越多的系統(tǒng)依賴電池動力，仿真工具組合對BMS的快速虛擬原型設計具有重要作用。

參考文獻

[1] Statista. Projected U.S. electric vehicle market share between 2017 and 2025. statista.com/statistics/744946/us-electricvehicle- market-growth/ (01/31/2019)