电池单元热设计挑战

电池热管理的主要挑战之一是确保温度低于最大工作限值。较高的温度会导致效率降低、加速老化和潜在的安全隐患。工程师必须了解电池产生的热量，才能充分设计冷却系统。

了解和预测电池模块的热行为需要将电池的热损耗与电池单元的电气机械特性相结合。通过链接电池单元的电气特性，可以提高电池热抑制率，用于冷却系统设计。
 

工程解决方案

通过电池单元的物理测试数据，可以增强电池热行为的仿真。一种类型的电池测试称为混合脉冲功率表征 （HPPC）。此测试可以计算电池内阻。以下是来自示例 HPPC 数据集的一个脉冲示例。电池单元的内阻与电压降除以电流成正比。Twin Builder 从整个 HPPC 数据集生成电阻值，其中可能包括多个温度和充电状态 （SOC） 水平。该电阻与电路电流和电压一起用于预测电池热损失功率。

 

 

Ansys Twin Builder 软件提供了用于仿真和分析电池单元和模块热行为的工具。凭借其 Battery Wizard 功能，Twin Builder 允许工程师对复杂的热交互进行建模并评估不同的电池放电行为。Twin Builder 能够利用 HPPC 数据快速生成排热值。

通过使用 Twin Builder，工程师可以进行参数化研究以探索各种设计配置。这样可以确定确保均匀温度分布和高效散热的解决方案，最终提高电池性能和安全性。

为了应对热管理挑战，工程师可以使用 Ansys 软件评估多个输入。这些输入可以包括不同的电池容量、C-Rate 和 HPPC 数据。Twin Builder 的模拟功能允许评估这些不同的输入。

 

方法

在本讨论中使用 Ansys Twin Builder 设置电池仿真涉及几个步骤。这些步骤包括思维导图、产品图和 Twin Builder 案例设置。

思维导图：生成电池单元的思维导图是为了以结构化的方式组织和表示想法、概念或信息。下面的思维导图显示了模拟研究的目标以及为实现目标而提出的问题。每个问题后面都有一个理论、行动和预测来解决每个问题。生成结果时，结果也会添加到每个分支的底部。
 

 

产品地图：生成电路中电池单元的产品图，以列出和分类产品特性。产品图表示与思维导图中的理论/行动相对应的因素。

下面的地图显示了一个示例 battery HPPC 数据文件和一个 Twin Builder 电路。红色文本项是可变因子或常数因子。

 

 

下图显示了该研究的示例电池 HPPC 数据集和纵的电压脉冲。红色文本项是可变因子。

 

 

Twin Builder 模拟：Twin Builder 模型是根据思维导图生成的研究生成的。在这种情况下，采用 7 因子、2 水平、分数因子 DOE，从而产生 8 种独特的 Twin Builder 处理。下图显示了填充电池模型输入的步骤顺序。第一张图片是 Battery Wizard 中的 Cell Configuration Tool，第二张图片是电路中生成的 Cell 单元。

 

 

 

 

电流源使用幅度为 10 安培的梯形剖面，初始延迟为 20 秒，持续时间为 10 秒。

 

执行仿真计算以生成结果，重点关注电池单元的热损失、电压和电流。分析热损失的处理数据以回答理论问题并确认或反驳预测。
 

Twin Builder 电池仿真结果

图形分析： 下图显示了治疗的瞬态电池单元功率损失结果。该图表表明电压深度是最重要的因素。当 HPPC 数据中的压降较大时，电池电阻较高，导致功率损耗较高。其他输入因素导致热损失变化较小。

 

下面的图表还显示，HPPC 电压深度是影响电池功率损耗的最重要因素。电路输入温度、HPPC 电流和 Twin Builder 电池容量略有显著性。电压偏移和时间拉伸的影响可以忽略不计。

 

 

 

观察

电压降深度：HPPC 脉冲中的电压降深度越高，内阻越高，因此热损耗越高。

电路温度：电路温度对电阻的影响较小，因为 25C 时脉冲的电压降大于 45C 时的电压降，较大的电压降会导致更高的电阻和更高的热损失。

HPPC Data Current：HPPC 文件中指定的电流越高，电阻越小，因此热损失越小。

Battery Wizard 电池容量： 电池容量对电阻的影响很小，因此对热损失的影响很小。

HPPC SOC： HPPC SOC 对电阻的影响很小，因此对热损失的影响很小。

电压偏移：电压偏移对电阻的影响可以忽略不计，因此对热损失的影响可以忽略不计。

电压时间拉伸：时间拉伸对脉冲电压降的影响可以忽略不计，因此对热损失的影响可以忽略不计。

总结

每个 Twin Builder 模拟都用了不到 2 秒的时间来解决。工程师可以从 HPPC 数据中快速确定电池单元的热损失。