電池熱耦合仿真的案例
COMSOL鋰電池技術仿真與應用(九)鋰電池電-熱-力-相全耦合模型搭建與應用
在紐曼框架基礎上，可以耦合各種其他物理過程方程來擴展模型的能力(應對紐曼模型描述不了的場景)
電熱耦合
電化學-熱耦合模型是基于電化學反應產熱而建立的電池模型，在紐曼模型的框架上耦合固體傳熱接口，主要用于模擬電池的溫度變化分布情況。鋰離子電池電化學-熱耦合模型由兩部分組成：研究電池內部化學反應的電化學模型以及描述電池溫度分布的熱模型。這兩個部分分工明確并相互耦合。首先，電化學模型計算出發熱功率，然后將發熱功率傳遞給熱模型，熱模型根據發熱功率計算出溫升，然后將此時電池溫度傳遞給電化學模型中受溫度影響的各參數，以此互相耦合實現電池的電壓和溫度模擬。電化學-熱耦合模型涉及的理論方程也分為兩部分，一部分是電化學模型所用 到的電荷守恒、質量守恒以及電極動力學，另一部分是熱模型構建所用的結合生熱、傳熱與散熱的能量守恒關系。兩部分相互耦合，使得模型能夠準確地反映出電池的電化學性能與熱性能，示意圖如下。?
電力耦合
電化學-力耦合模型基于電化學插層反應而建立的電池模型，在紐曼模型的框架上耦合固體力學接口，主要用于模擬電池的內部應力變化分布情況。
展開 儲能電池的熱仿真及其產熱分析
,電池溫度升高會進一步促使反應的加劇,從而形成產熱與溫升的正反饋?當溫度超過一定限制時,電池可能會出現膨脹?泄露?乃至爆炸等不安全因素?不僅如此,在充電過程中負極側極易產生鋰枝晶而易縮短電池壽命?因此,對電池的產熱行為深入研究對電池的安全保障及延長電池壽命有著極大的幫助?
目前已經商業化生產并使用的獨立式光伏系統中一般采用蓄電池作為儲能裝置,但蓄電池的使用壽命一般僅在6~7年,所以目前采用鋰電池構建儲能裝置已成為目前研究的一大重點?本文采用儲能電池常用的磷酸鐵鋰電池(LiFePO4)作為研究目標,計算出仿真過程中所需的熱物理參數,使用ICEM CFD繪制電池模型并畫出結構化網格,轉而使用ANSYS Fluent軟件進行數值仿真,研究單體電池在1C恒流放電時溫度分布情況,最后與實驗數據對比驗證仿真結果的準確性。
展開 基于扁平熱管的電池熱管理系統耦合模型與熱電性能分析
動力電池是決定電動汽車整體性能的關鍵部件之一，近年來，鋰離子電池以其功率密度高、自放電率低、制造成本不斷降低等優點得以大力推廣。然而，不合適的工作溫度和不均勻的溫度分布會導致動力電池性能下降和壽命縮短，這也為電動汽車的發展帶來了挑戰。因此，采用適當的電池熱管理系統（BTMS）十分重要。
一般來說，BTMS的分類主要基于系統內采用的工作介質，包括風冷、液冷、熱管、相變材料（PCM）等。風冷具有結構簡單、維護成本低、輕量化設計和增強安全性等優點。然而，它的傳熱能力有限，特別是對于大型或高放電倍率的電池組，可能導致電池溫度升高或電池單元之間的溫差不均勻。液冷是電動汽車中最流行的 BTMS 方法，具有更高的傳熱系數，盡管如此，它也存在結構復雜、系統重量增加和泄漏風險等缺點。相變材料, 基于固-液相變原理，有效吸收電池產生的熱量，并隨后與其他冷卻方法相結合將其消散，從而對實現電池溫度均勻性產生顯著影響，但PCM也會遇到與體積變化和低導熱率相關的挑戰。綜合考量下，扁平熱管（FHP）具有輕質結構和高導熱率，在BTMS領域受到越來越多的關注。
02
成果掠影
近期，清華大學張揚軍教授團隊和重慶大學謝翌教授團隊提出了一種基于 FHP 的 BTMS 配置，考慮FHP工質的蒸氣流效應，建立了FHP與電池的耦合模型，可以實時計算電池電化學參數、電池生熱率、FHP傳熱等。研究團隊通過實驗驗證了耦合模型，隨后，對不同放電條件下的電池熱電性能進行仿真模擬，分析電池電化學參數與放電倍率之間的關系。結果表明，3C倍率放電下，電池最高溫度可限制在50℃以下，最大溫差可保持在2.26℃以下。
展開 熱仿真分享 | 動力電池PACK熱管理系統性能研究-STARCCM+
摘要：為延長電池使用壽命，提高電池安全性，需要對電池進行熱管理。電動汽車動力電池熱管理系統在理論分析、仿真建模、實驗驗證基礎上開展設計工作，綜合考慮了電池產熱原理、產熱模型、發熱功率后，確定了基于液體的熱管理模式。使用CFD軟件對所設計系統進行仿真和分析，并對工程樣機熱管理有效性進行了實驗驗證。
當前，整個電動汽車行業蓬勃發展。電池是電動汽車核心部件，電池的熱特性對整車性能、安全性、壽命及使用成本產生關鍵影響。
配置電池熱管理系統是改善電池組熱特性關鍵措施之一，系統熱管理功能包括：(1)在電池溫度較高時進行有效散熱，防止產生熱失控事故；(2)在電池溫度較低時進行預熱，提升電池溫度，確保低溫下的充放電性能和安全性；(3)減小電池組內的溫度差異，抑制局部熱區的形成，防止高溫電池過快衰減而降低電池組整體壽命[1]。
電池熱管理按照能量提供的來源分為被動式冷卻和主動式冷卻，其中只利用周圍環境冷卻的方式為被動式冷卻。隨著國家對電池能量密度、安全性、使用壽命以及快充要求的不斷提高，被動式的自然冷卻技術已經不能滿足電池散熱要求。當前主要的主動式熱管理形式有空氣強制對流熱管理、液體熱管理、熱管熱管理和相變材料熱管理等，而液體熱管理受到越來越多廠商的青睞[2-4]，特別是國外車企對于液體熱管理技術研究起步早，已經取得了一定成果，國內還處于研究探索階段。公眾號-新能源電池熱管理。
TeslaMotors公司的Roadster純電動汽車采用了液冷式電池熱管理系統。冷卻管道曲折布置在電池間，冷卻液在管道內部流動，傳輸電池產生的熱量。報告顯示在行駛約16萬公里后，Roadster電池組的容量仍能維持在初始容量的80%～85%，而且容量衰減只與行駛里程數明顯相關，而與環境溫度、車齡關系不明顯[1,5]。
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熱仿真分享 | 動力電池PACK熱管理系統性能研究-STARCCM+
摘要：為延長電池使用壽命，提高電池安全性，需要對電池進行熱管理。電動汽車動力電池熱管理系統在理論分析、仿真建模、實驗驗證基礎上開展設計工作，綜合考慮了電池產熱原理、產熱模型、發熱功率后，確定了基于液體的熱管理模式。使用CFD軟件對所設計系統進行仿真和分析，并對工程樣機熱管理有效性進行了實驗驗證。
當前，整個電動汽車行業蓬勃發展。電池是電動汽車核心部件，電池的熱特性對整車性能、安全性、壽命及使用成本產生關鍵影響。
配置電池熱管理系統是改善電池組熱特性關鍵措施之一，系統熱管理功能包括：(1)在電池溫度較高時進行有效散熱，防止產生熱失控事故；(2)在電池溫度較低時進行預熱，提升電池溫度，確保低溫下的充放電性能和安全性；(3)減小電池組內的溫度差異，抑制局部熱區的形成，防止高溫電池過快衰減而降低電池組整體壽命[1]。
電池熱管理按照能量提供的來源分為被動式冷卻和主動式冷卻，其中只利用周圍環境冷卻的方式為被動式冷卻。隨著國家對電池能量密度、安全性、使用壽命以及快充要求的不斷提高，被動式的自然冷卻技術已經不能滿足電池散熱要求。當前主要的主動式熱管理形式有空氣強制對流熱管理、液體熱管理、熱管熱管理和相變材料熱管理等，而液體熱管理受到越來越多廠商的青睞[2-4]，特別是國外車企對于液體熱管理技術研究起步早，已經取得了一定成果，國內還處于研究探索階段。公眾號-新能源電池熱管理。
TeslaMotors公司的Roadster純電動汽車采用了液冷式電池熱管理系統。冷卻管道曲折布置在電池間，冷卻液在管道內部流動，傳輸電池產生的熱量。報告顯示在行駛約16萬公里后，Roadster電池組的容量仍能維持在初始容量的80%～85%，而且容量衰減只與行駛里程數明顯相關，而與環境溫度、車齡關系不明顯[1,5]。
展開 新能源動力電池熱仿真熱關鍵參數獲取解密
首先，參考電池廠家羅列的資料，如下表所示，獲取電池材料的密度、比熱容、導熱系數等參數。
實際熱仿真建模，不可能按照真實的疊層材料結構進行精細建模，我們需要通過理論經驗公式獲取電池單體的熱物性參數，即：利用整體思路解析出電池的密度、比熱容和導熱系數等參數。
另外，就是電池熱耗獲取，電池熱耗包含反應熱，內熱阻焦耳熱，極化熱和副反應熱，實際評估，副反應熱可以忽略不計。
最后，就是網格劃分和模擬計算了。
展開 新能源汽車動力電池熱管理熱流體仿真案列分析
熱管理系統設計結構圖如下：
圖5 熱管理系統設計結構圖
三、 仿真分析
鋰電池Pack設計中往往會借助熱流體仿真分析來輔助工程師完成pack熱管理系統設計，在熱管理系統設計階段，可對Pack、模組或電池進行熱場仿真分析，根據仿真結果快速地選擇出冷卻、加熱和保溫方式；在冷卻子系統設計階段，可以對Pack、模組或電池（帶冷卻子系統）進行熱場和流場仿真分析，根據仿真結果確定冷卻通道設計、冷卻介質、冷卻入口溫度和流量以及風扇或泵的參數等。
借助熱流體仿真分析工具，大部分的Pack熱管理設計工作和部分測試工作都可以在電腦上完成。大量的設計、制造、測試工作可以被省略，Pack設計的成本也會大幅度下降。下面基于案例的方式，介紹一下動力電池熱管理仿真分析的基本流程和技巧。
該案列液冷系統的設計目標為：在指定工況下運行，電池系統內部電芯的最大溫度小于50℃；電芯之間的溫差小于等于5℃；液冷系統的壓降小于10kPa，依據下圖7電芯單體的產熱數據，計算在1c滿放的情況下電池系統的產熱功率。
利用STAR-ccm+軟件的VOF模型，清楚的仿真出液冷板內從開始注入冷卻液到注滿冷卻熱的過程。
設置進口兩相材料的體積分數：cooling water：air=1：0
設置出口兩相材料的體積分數cooling water：air=0：1
定義進口質量流量值：4L/min
從云圖6中我們可以看到，在不到1min的時間內，冷卻液充滿整個液冷板內腔。同時在流道的轉彎區有漩渦現象，有優化空間。
展開 鋰電池仿真熱失控仿真解決方案
本文主要分享公司某工程師關于鋰電池仿真、熱失控仿真解決方案。
本案例模型及相關操作，請與我溝通交流。
LS-DYNA中鋰電池的電化學-熱-結構耦合擠壓、針刺模型
小結
LS-DYNA R14版本更新了三個不同的電化學鋰電池模型， Newman型模型（6方程模型），熱模型（10方程模型）和多物理場模型（14方程模型）。同時對所有模型采用了修正的BV動力學方程以建立高速充放電仿真。熱模型和多物理場模型，還包含了電池老化模型、SEI的形成和分解的反應、熱失控模型以及電池膨脹模型。對于多物理場模型，LS-DYNA還實現了基于氧化和鋰水化反應機制的氣體生成模型，該模型主要應用于性能測試、過充測試和新型鋰電池設計等領域。
LS-DYNA還支持將三種電池求解器中的任何一種與熱以及結構求解器進行耦合。LS-DYNA中電化學模型同時支持SMP和MPP并行計算，可用于電池濫用測試，也可用于各種耦合問題。通過仿真，能夠建立電池系統的最小點火能量模型。基于該模型，可以在車輛的儀表板上安裝一個警告信息系統，當電池系統的狀態達到失控臨界條件時發出警告，從而使車內人員可以在電池發生熱失控之前安全逃離。
關于未來的發展方向，我認為我們必須結合基于大數據的AI或機器學習技術。首先基于電芯級的分析，我們可以構建用于參考的大數據，所有狀態變量都可以保存為隨時間變化的充放電情況的函數。然后通過模組級別的分析將這些狀態數據與機械外力關聯起來，最后運用在一個動力電池包的碰撞測試中。我認為這將是邁向AI或機器學習方法的第一步。
私信回復“電化學”可獲取相關模型哦~
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文章來源：2022 第五屆LS-DYNA技術論壇
視頻鏈接：LS-DYNA中鋰電池的電化學-熱-結構耦合擠壓、針刺模型
技術校對：董驍， Ansys高級應用工程師；整理編輯：俞琴
展開 基于comsol的鋰電池疊片電化學耦合熱分析 ￥3000
COMSOL</p><p>Multiphysics是一種多物理場耦合軟件，通過有限元法對問題進行求解。</p><p>（以上內容轉載至：<a href="https://zhuanlan.zhihu.com/p/28899186" rel="noopener noreferrer" target="_blank">https://zhuanlan.zhihu.com/p/28899186</a>，淺談基于COMSOL的鋰離子電池仿真）</p><p><br></p><p>本模型為5層鋰電池薄層并聯模型</p><p><img src="https://img.jishulink.com/upload/201908/c86cdf03a70a4d99bc3eec3a7a003dfc.png"></p><p>每個薄層 由 ： 正集流體-正極-隔膜-負極-負集流體 5個基本構件構成，構成一個完整運行電化學充放電的最小薄層。</p><p>之后將制作5個薄層， 每個薄層正集流體連接隔壁薄層的負集流體，完成5個薄層的串聯。</p><p>本模型采用全三維的 鋰電池模塊進行建模，其核心還是Doyle等提出的P2D模型理論。
展開 基于comsol的鋰電池疊片電化學耦合熱分析 ￥2500
COMSOL</p><p>Multiphysics是一種多物理場耦合軟件，通過有限元法對問題進行求解。</p><p>（以上內容轉載至：<a href="https://zhuanlan.zhihu.com/p/28899186" rel="noopener noreferrer" target="_blank">https://zhuanlan.zhihu.com/p/28899186</a>，淺談基于COMSOL的鋰離子電池仿真）</p><p><br></p><p>本模型為5層鋰電池薄層并聯模型</p><p><img src="https://img.jishulink.com/upload/201908/c86cdf03a70a4d99bc3eec3a7a003dfc.png" height="286" width="365"></p><p>每個薄層 由 ： 正集流體-正極-隔膜-負極-負集流體 5個基本構件構成，構成一個完整運行電化學充放電的最小薄層。</p><p>之后將制作5個薄層， 每個薄層正集流體連接隔壁薄層的負集流體，完成5個薄層的串聯。</p><p>本模型采用全三維的 鋰電池模塊進行建模，其核心還是Doyle等提出的P2D模型理論。
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設計仿真 | 直播預告-電池熱失控仿真與電力電子散熱仿真解決方案
隨著移動和運輸系統的電氣化程度不斷提高，電池設計和熱管理日益成為原始設備制造商和系統供應商高度優先考慮的領域，希望在其產品中提供一流的安全性。而電池的生熱和熱失控熱性是影響電動汽車使用和安全性的重要條件。
為了保證鋰電池的最佳性能、安全性和使用壽命，鋰電池必須在特定的溫度范圍內工作。因此，電池系統的熱管理至關重要。此外，在模擬中對實際電池單元進行真實物理建模的成本非常高。針對新能源電池行業面臨的挑戰，?？怂箍倒I軟件旗下Cradle CFD軟件可以進行高效的熱失控仿真分析，解決電池中的熱失控的仿真難題。
本次直播將帶來?？怂箍?em>電池熱失控仿真解決方案，包含熱失控仿真流程、新能源電控系統解決方案、新能源電控系統的優化方法以及儲能系統熱仿真解決方案，歡迎報名預約！
展開 仿真模型 | 圓柱鋰電池表面自然對流換熱系數仿真估算
仿真模型
導語
據悉，為研究鋰離子電池熱特性機理，針對電池表面自然對流換熱系數展開研究，通過實驗得到了電池基本生熱參數并以此建立了單體鋰離子電池生熱模型，仿真分析了恒溫條件下不同放電電流的表面自然對流換熱系數。
鋰離子電池因其高比能量特性而被廣泛應用于電動乘用車輛，其使用壽命受到自放電率、溫度等因素的制約。
研究發現，鋰離子電池舒適溫度需要控制在20~35 ℃之間，溫度過高時，其不可逆反應加劇容易產生自放電、熱失控等安全事故；溫度過低，則會使其容量和功率發生明顯下降。
因此，為了改善電動汽車單電池及電池成組后的安全性能，需建立較精確熱仿真模型，以此來預測動力鋰離子電池內部溫度分布狀況及熱傳遞過程，從而精確分析出鋰離子電池熱失控因素。
01
導讀
目前，國內外均針對鋰離子電池熱模型和熱行為進行了相關研究。早期美國D.Bernardi等[1]通過研究電池溫度特性提出了電池生熱率模型，之后通過研究人員的不斷發展研究，鋰離子電池熱模型已經呈現多維度趨勢發展；
Chen等[2]通過研究電池三維分層電化學-熱耦合模型仿真驗證了單體電池和成組電池包溫度分布的真實性；Lopez等[3]通過熱濫用模型實驗驗證了圓柱電池熱響應能力比棱柱電池小；Chacko等[4]將電-熱模型應用到恒流勻速和變電流工況中，研究發現變電流對電池溫升影響較高。
本文在前人研究基礎上，突破傳統仿真中將對流換熱系數、電壓溫度系數設定為常數，通過變化的電壓溫度系數來估算對流換熱系數，以此來達到更高的溫度仿真精度。
展開 免費網絡課程| 電池包熱管理的一維三維耦合解決方案
培訓內容
鋰離子電池技術是汽車電氣化的關鍵技術之一，動力電池模組(包)的熱性能仿真與電路性能仿真共同決定著電池系統性能，工程師采用傳統的仿真方式往往存在計算效率和精度的權衡。本文介紹一種一維/三維耦合分析方法，可以兼顧熱設計工程師和電路性能分析工程師的需求，即滿足真實的三維熱管理精度需求又可考慮電池的一維動態性能。
本文將通過一個簡化電池包熱管理案例說明本仿真技術的實現方式，使用南方某主機廠的試驗數據，計算某充電工況下的電池芯體平均溫度變化，并與三維仿真結果對比，體現該方法的高效性和準確度。該技術已在海外主機廠成熟采用，其試驗結果表明本方法具備精度和效率的綜合優勢。
課程大綱：
1. 項目背景
2. 一維三維耦合解決方案
3. 等效電路模型ECM
4. 三維CFD模型
5. 降階模型ROM
6. ECM和ROM聯合
●含CFD驗證仿真
7. 總結
課程對象
汽車行業，電池熱管理仿真工程師
培訓時長
2小時
培訓時間
3月26日（周二）19:30-21:30AM
主講講師簡介
陳桂杰,畢業于北京師范大學數學科學學院計算數學專業，碩士學位。畢業后曾入職ADINA北京辦事處，任技術工程師。2011年加入IDAJ-China，主要從事流體軟件的技術支持和咨詢項目等工作，參與完成過汽車發動機艙熱管理，熱浸車一體化仿真，空調CAE仿真，油冷電機熱性能分析預測，冰箱門封條傳熱分析，安全殼蒸汽噴放，安全殼空氣流道參數化建模等多個咨詢項目。
費用：免費
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展開 電池熱管理仿真（三）：三維仿真邊界條件和算法
1、 基于starccm+在動力電池熱管理仿真技術應用、
2、新能源汽車PACK熱流體仿真進階20講
3、新能源動力電池熱管理設計入門到進階23講
4、 Hypermesh網格劃分-精講進階視頻教程
5、有限元分析ANSA19.0視頻教程零基礎入門到精通50講
