儲能和動力電池熱管理仿真策略控制和多面冷卻仿真方法

作者 | level 仿真秀優(yōu)秀講師

首發(fā) | 仿真秀App

導讀：在全球電動化、智能化加速的新形勢下，我國新能源汽車與動力電池產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展，并通過不斷創(chuàng)新取得了舉世矚目的成就。工程師們通過工藝創(chuàng)新實現(xiàn)高效率智能制造；通過材料創(chuàng)新對下一代正極、負極、隔膜、電解液等關鍵材料進行技術攻關；通過結(jié)構創(chuàng)新大幅提高電池系統(tǒng)體積利用率，提升系統(tǒng)能量密度和制造效率……

專家表述，掌握設計仿真技術將是我國鋰電產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展的一個重要目標。占據(jù)正向設計仿真技術這一產(chǎn)業(yè)發(fā)展的制高點，將有利于推動我國鋰電產(chǎn)業(yè)從依靠制造優(yōu)勢轉(zhuǎn)變?yōu)橐揽考夹g創(chuàng)新優(yōu)勢的發(fā)展方式。

自6月8日起，仿真秀《2023動力電池和儲能系統(tǒng)設計仿真系列講座》將圍繞儲能系統(tǒng)、動力電池結(jié)構分析、熱仿真和優(yōu)化、電化學體系和熱失控給用戶帶來7場設計仿真技術講座。其中6月29日19時30分我們將迎來了《動力電池/儲能熱管理仿真策略控制和多面冷卻仿真方法》專家報告,詳情見后文。以下是正文：

一、動力電池熱管理仿真策略控制

隨著新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，人們對電池包的安全性和充放電性能要求越來越高，電池包向著高能量密度和大倍率充電的方向發(fā)展。為了更精確的評估電池熱管理性能，熱管理的工況越來越復雜，如何把復雜的工況條件轉(zhuǎn)化為仿真輸入的邊界條件是熱管理仿真工程師的一個巨大的挑戰(zhàn)，目前基礎的軟件設置已經(jīng)滿足不了常規(guī)的熱管理工況，需要結(jié)合軟件的函數(shù)控制和簡單編程語言才能實現(xiàn)。

傳統(tǒng)的仿真邊界條件比較簡單，如1C充電，充電時間3600s，電芯的發(fā)熱量還是測試平均值，或者為測試幾個點電芯的發(fā)熱量，整個過程基本不設置控制，隨著技術的發(fā)展，現(xiàn)在仿真的工況越來越貼近實際的客戶使用情況，這也導致熱管理仿真工況越來越復雜，工況的數(shù)據(jù)越來多，如下做了一些分類：

1、工況復雜性

（1）恒功率放電，需要引入電芯的OCV曲線，計算得到實時恒率放電電流

（2）按照map充放電，電流隨著溫度和SOC變化，實時的電流曲線在二維矩陣表插值計算得到

（3）電芯發(fā)熱DCR實時隨著溫度和SOC變化，依據(jù)電芯dcr的map表得到實時的電芯的充放電過程中的dcr值。

（4）工況計算如SOC20%-SOC80%中SOC值更新，通過實時的（I*t+……）/額定容量計算soc變化

2、停止策略的復雜性

（1）充電至某一SOC停止

（2）放電至某一SOC停止

（3）低溫加熱至NTC最小溫度到某一溫度停止

（4）低溫保溫至NTC最小溫度到某一溫度停止

3、液冷策略的復雜性

（1）溫度大于32℃開啟液冷，小于29℃關閉液冷，開啟或者關閉液冷系統(tǒng)時，需要減小計算時間步長，保證收斂性

（2）加熱膜加熱，溫度低于15開始加熱，大于25℃關閉加熱

（3）冷卻系統(tǒng)進口為制冷功率，需要轉(zhuǎn)化為進口溫度邊界

（4）冷卻系統(tǒng)進口制冷功率隨著進口溫度變化，同時流量也是隨著進口溫度變化

（5）循環(huán)工況恒功率放電至soc20%+MAP充電至soc90%，按這個充放電方式循環(huán)3次。

4.判定條件的多樣性

（1）NTC最大值 溫度達到ntc最大值停止，并保存文件

（2）NTC最小值 溫度達到ntc最小值停止，并保存文件

（3）NTC平均溫度

（4）NTC溫差

（5）電芯的平均溫 dcr取值隨著ntc溫度變化去插值件

下面為帶入策略的通過仿真得到的曲線

二、多面冷卻仿真方法應用篇

隨著客戶對于新能源車充電時間要求和安全性的要求越來越高，熱管理設計受到了極大的挑戰(zhàn)，新的熱管理技術的研發(fā)顯得十分的重要。寧德時代發(fā)布的麒麟電池實現(xiàn)4C快充，在多面冷卻和大倍率快充的背景下，傳統(tǒng)的仿真方法還能滿足目前的仿真精度嗎？

對電池進行了解剖分析，從圖中能夠看到電池內(nèi)部由兩個電芯構成，因此電芯與電池殼的面接觸較差，因此熱阻較大，所以結(jié)果顯而易見了。

麒麟電池將傳統(tǒng)的底部的液冷系統(tǒng)置于電芯中間，使得換熱面積擴大四倍。電芯大面冷卻將電芯控溫時間縮短一半，達到5分鐘快速熱啟動及10分鐘快充（10-80%），在極端的情況下，如發(fā)生熱失控情況下，電芯可快速降溫，有效阻隔電芯間的異常熱量傳導。同時水冷效果明顯提升，提高了安全性和快充性能。

通過上面的分析，得到大面冷卻的優(yōu)勢：冷卻面積大，換熱面積擴大4倍，冷卻效率高，5分鐘快速熱啟動及10分鐘快充，集成度高。

底部冷卻的痛點：電芯本身熱阻大，采用液冷冷卻/加熱響應較慢，電芯底部面積小，和冷板換熱面積小 。

下面從仿真的手段的去分析大面冷卻和底部冷卻的效果

仿真基于1p24s的模組進行驗證，底部冷卻模組的冷卻系統(tǒng)采用8個并列回路冷卻回路，側(cè)面冷卻的采用兩個電芯中間夾一個口琴管液冷板，冷板內(nèi)流道采用U性回路設計，進口流量0.16kg/s，進口水溫15℃，充電電流按照電芯的充電map進行充電，電芯的發(fā)熱量按照dcr的map進行計算并修正進行仿真。詳細結(jié)果分析我們直播見。

底部冷卻的云圖上也可以明顯看出底部冷卻模組的進出口端的溫差較大，另外圖中有個電芯的極柱溫度異常是由于建模時和電芯未接觸。圖中的溫度監(jiān)測點是模組電芯的平均溫度隨時間變化的曲線。

側(cè)面冷卻的云圖上電芯的總體的溫度較均勻，可以看出由于電芯厚度方向?qū)嵯禂?shù)較大，最高溫不會出現(xiàn)在遠離電芯的一側(cè)，同時圖中的溫度監(jiān)測點是模組電芯的平均溫度隨時間變化的曲線。

三、我的公開課

為了更好地幫助大家更好理解以上文章，6月29日19時30分，仿真秀2023動力電池和儲能系統(tǒng)設計仿真系列講座第五期講座將邀請筆者分享《動力電池/儲能熱管理仿真策略控制和多面冷卻仿真方法》報告。內(nèi)容涵蓋動力電池、儲能熱管理原理和行業(yè)內(nèi)仿真方法；動力電池熱管理策略分析（SOC計算、熱管理啟停策略、電芯熱源隨soc和溫度變化）；還有多面冷卻和大倍率快充下電池熱管理仿真面臨的挑戰(zhàn)和產(chǎn)品案例展示等。