仿真天地 • 汽车｜AVL的动力电池探索创新之路
本文摘要（由AI生成）：
AVL公司采用Abaqus Unified FEA电-热仿真能力，结合专业求解器，对锂离子动力电池进行热-电性能分析，以开发更优的电池包成组方案。文章介绍了电池管理系统的重要性，AVL技术专家Kim Yeow强调了电池组热管理在电池性能与安全方面的重要性。通过3D FEA建模，可以评估整个电池包内每个电芯的温度分布，为温度传感器布局提供指导。AVL团队编写了专用的子例程并将它们耦合到Abaqus，以评估不同种类电芯的热行为和冷却方案的效率。校准后的模型被用于进一步改进和优化电池系统设计。
业务挑战
鉴于锂离子(Li-ion)动力电池的市场需求不断攀升， AVL需要为企业研发找到更优热-电性能的电池包成组方案。
解决方案
AVL采用Abaqus Unified FEA电-热仿真能力，结合专业求解器，对电芯特性进行有效捕捉，同时在不同电池系统配置下分析其热行为。
业务成效
FEA模型与实验数据的高度吻合使得AVL可以信心十足地开发复杂度越来越高的电池模型，从而能够向其客户提供更详尽的性能评估和产品设计建议。
现如今的锂离子(Li-ion)动力电池需要高度复杂的电子电路和可靠的控制。AVL技术专家Kim Yeow表示：“宽泛地说，电池管理系统持续监测并保护电池包中的每一个电芯。同时，它也不断地与电机及其他车辆控制系统进行通信，从而确保电池包安全高效地运行。电池系统必须能够承受极端环境，在极端环境下正常工作，还必须实时地迅速响应车辆驾驶状况的改变。这十分的复杂。”
Kim Yeow是先进仿真技术团队的成员。这支团队几年来一直都在密歇根州普利茅斯的AVL技术中心为各个领域的客户研究和评估锂离子电池系统。在普利茅斯的一个内部研发项目中，研发团队需要基于一台燃油车开发电动汽车及增程器展示平台(EVARE)，其中的一项挑战就是为电池包打造一套高效的冷却系统。整个电池包由14个标准化模组组装而成，研发团队需要在有限的设计空间中寻找最优化热-电性能的方案。Kim Yeow指出：“显然，我们此时需要借助有限元分析(FEA)工具开展高保真仿真，以预测电池工作温度。”
锂离子电池诞生已有数十年之久。FEA现在还能体现什么应用价值？Kim Yeow表示：“还有很多领域。由于市场大规模转型，在过去几年里AVL大量的应用在汽车电动化的研究中。”Kim Yeow在AVL研究中心参与的许多研究都与电池组的热管理有关。
设计用于电动汽车（电动、插电混动、混动）上的电池系统时必须考虑众多的因素，比如电池系统的容量、电芯选择、电芯与模组成组约束、电池包架构、电池包的体积与质量能量密度、成本、各种负载下电池系统的结构耐久性、环境温度限制等。
不同几何结构的电芯电-热模型
Kim Yeow表示：“电池组热管理只是众多重要的衡量维度之一。从电池性能与安全的角度，我们需要让电池包在不同环境温度和工况下，持续运行在最佳工作温度范围内。在电池过热时，我们需要为电池包降温。在电池温度过低时，我们需要为电池包升温。”
通过3D FEA建模，可以评估整个电池包内每个电芯的温度分布。这种FEA模型能辨别电池包内的电芯温度分布，从而为温度传感器布局提供指导，以便监控并反馈电池包的内部的工作温度。Kim Yeow指出：“电池包功率性能受内部电芯温度影响显著；如果某个电芯的温度过高，必然需要降低整个电池包的输出功率，以防止这个电芯过热。另一方面，如果温度过低，就必须为它升温，因为较低的电芯温度同样会限制电芯的输出功率。”电芯最大温度和电芯最大温度差是影响电芯安全和耐用性的关键因素。
“我们需要一种合适的工具分析电池系统热行为。Abaqus FEA的电-热仿真功能就完美符合我们的需求。”
—Kim Yeow，AVL技术专家
图1：连续充放电条件下的间接风冷模块的分析与实测吻合良好
在EVARE项目上，AVL团队遇到的难题是如何开发出成本尽可能最低、电池冷却效率最高的电池包配置。成功的要诀是充分了解电池组的内部状况。Kim Yeow表示：“我们需要一种合适的工具分析电池系统热行为。Abaqus FEA的电-热仿真功能就完美符合我们的需求。”该软件已在AVL被广泛地运用于内燃发动机以及需要进行的热-结构分析的零部件系统上。
由于这个工具不是专门为电池仿真而设计的，AVL团队编写了专用的子例程并将它们耦合到Abaqus。Kim Yeow指出：“对用户子程序的良好适配性是Abaqus诸多优势的一个，这为我们将自行开发的电芯模型与有限元模型的耦合提供了便利。”
为EVARE项目开发的专用子程序可以帮助AVL评估各种不同尺寸，不同种类电芯的热行为，各类冷却方案的效率也可以对应评估。Kim Yeow表示：“每个锂离子电池都有自己的独特性。因此对不同类型的电芯，无论是几何结构不同还是化学体系不同，都需要将电芯几何结构信息和性能信息输入到我们的子例程。这样我们才能特征化不同的电芯。”
AVL团队的电池建模通常从快速1D仿真开始。Kim Yeow指出：“这让我们大致了解了电池包的性能，在此基础上我们可以决定电芯选用和冷却系统要求。”在取得电池包冷却系统的完整信息后，AVL从模组的电-热分析开始，开展详细的3D评估。
Kim Yeow表示：“首先我们假定冷却板和电芯间的热传递路径良好。Abaqus具备良好的接触辨识及仿真能力，因此所有组件的接触都能有效地描述清楚。随着设计逐步成熟，我们会模拟真实的装配状态并找到导热路径上可能存在的阻碍，一方面我们会寻求优化接触条件尽量消除阻碍，另一方面这些阻断对整体冷却效果的影响也会进行详尽的分析评估。
电芯结构自身的复杂性为这项工作平添了一道难题。取决于电芯容量，一个电芯可能拥有多达50对正极-负极薄层，每层厚度在200微米左右。Kim Yeow表示：“电池包内的电芯通常不少于96个，甚至更多，从工程和生产的角度来说，建立如此细化的电芯模型不切实际。因此我们用一三层等效电芯层模型近似表达每个电芯，使用等效各向异性材料属性，在宏观层面特征化电池行为。
他补充道：“准确的材料数据是一件复杂的工作。这方面始终都像是在探秘。电芯制造商为我们提供了一些粗略的数字，我们最终往往需要查阅相关文献，或求助其他科研人员以获得更准确的数字。我们经常发现，最终得到的是一个材料值的范围。
他解释道：“这些点滴数据最终都影响到模型计算结果。假设值的有效性将由测试验证。”
尽管面对众多挑战，Kim Yeow表示，无论是连续放电条件下还是循环充放电条件下，无论是液冷还是风冷，无论是用直接冷却系统还是用间接冷却系统，他们都观察到他们的模型与实际的实验室测量值实现了良好的吻合。校准后的模型被用于进一步改进和优化电池系统设计（如图1-2所示）。
图2：Abaqus FEA描述下的
三种模组设计在稳态下呈现类似的温度分布，
对比基线设计，方案1和3温度都较低，
但方案1需要更强的气流提供更大的对流换热系数
Kim Yeow提到，如同任何新兴技术，他们的技术还处在研究中。“我们深谙无法做到均匀冷却，尽管这是我们想要实现的目标。我们将不断改善我们模型的准确度，优化我们的假设场景并补充更多参数。在对锂离子电池的电气行为和热行为开展结构评估方面，Abaqus是我们理想的分析工具选择。我们已经将它用在开展所需的结构完整性评估方面。今后，我们将进一步增强电池系统电-热模型与相应的结构模型和CFD模型的关联度。”
