作者 | level 仿真秀優(yōu)秀講師

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導(dǎo)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(shí)現(xiàn)高效率智能制造；通過材料創(chuàng)新對下一代正極、負(fù)極、隔膜、電解液等關(guān)鍵材料進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)；通過結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)仿真技術(shù)將是我國鋰電產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展的一個(gè)重要目標(biāo)。占據(jù)正向設(shè)計(jì)仿真技術(shù)這一產(chǎn)業(yè)發(fā)展的制高點(diǎn)，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(shù)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(shè)計(jì)仿真系列講座》將圍繞儲能系統(tǒng)、動力電池結(jié)構(gòu)分析、熱仿真和優(yōu)化、電化學(xué)體系和熱失控給用戶帶來7場設(shè)計(jì)仿真技術(shù)講座。其中6月29日19時(shí)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(bào)告,詳情見后文。以下是正文：

一、動力電池?zé)峁芾矸抡娌呗钥刂?/p>

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?zé)峁芾硇阅埽瑹峁芾淼墓r越來越復(fù)雜，如何把復(fù)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(gè)巨大的挑戰(zhàn)，目前基礎(chǔ)的軟件設(shè)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(shí)現(xiàn)。

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

1、工況復(fù)雜性

（1）恒功率放電，需要引入電芯的OCV曲線，計(jì)算得到實(shí)時(shí)恒率放電電流

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

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

（4）工況計(jì)算如SOC20%-SOC80%中SOC值更新，通過實(shí)時(shí)的（I*t+……）/額定容量計(jì)算soc變化

2、停止策略的復(fù)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(fù)雜性

（1）溫度大于32℃開啟液冷，小于29℃關(guān)閉液冷，開啟或者關(guān)閉液冷系統(tǒng)時(shí)，需要減小計(jì)算時(shí)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(guān)閉加熱

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

（4）冷卻系統(tǒng)進(jìn)口制冷功率隨著進(jìn)口溫度變化，同時(shí)流量也是隨著進(jìn)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(gè)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(dá)到ntc最大值停止，并保存文件

（2）NTC最小值 溫度達(dá)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(yīng)用篇

隨著客戶對于新能源車充電時(shí)間要求和安全性的要求越來越高，熱管理設(shè)計(jì)受到了極大的挑戰(zhàn)，新的熱管理技術(shù)的研發(fā)顯得十分的重要。寧德時(shí)代發(fā)布的麒麟電池實(shí)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(jìn)行了解剖分析，從圖中能夠看到電池內(nèi)部由兩個(gè)電芯構(gòu)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(kuò)大四倍。電芯大面冷卻將電芯控溫時(shí)間縮短一半，達(dá)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(dǎo)。同時(shí)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(kuò)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(diǎn)：電芯本身熱阻大，采用液冷冷卻/加熱響應(yīng)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(jìn)行驗(yàn)證，底部冷卻模組的冷卻系統(tǒng)采用8個(gè)并列回路冷卻回路，側(cè)面冷卻的采用兩個(gè)電芯中間夾一個(gè)口琴管液冷板，冷板內(nèi)流道采用U性回路設(shè)計(jì)，進(jìn)口流量0.16kg/s，進(jìn)口水溫15℃，充電電流按照電芯的充電map進(jìn)行充電，電芯的發(fā)熱量按照dcr的map進(jìn)行計(jì)算并修正進(jìn)行仿真。詳細(xì)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(jìn)出口端的溫差較大，另外圖中有個(gè)電芯的極柱溫度異常是由于建模時(shí)和電芯未接觸。圖中的溫度監(jiān)測點(diǎn)是模組電芯的平均溫度隨時(shí)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(yuǎn)離電芯的一側(cè)，同時(shí)圖中的溫度監(jiān)測點(diǎn)是模組電芯的平均溫度隨時(shí)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(shí)30分，仿真秀2023動力電池和儲能系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(bào)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?zé)峁芾聿呗苑治觯⊿OC計(jì)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?zé)峁芾矸抡婷媾R的挑戰(zhàn)和產(chǎn)品案例展示等。