本文來源于西門子Simcenter，目的在了解電池的模擬仿真系統，優化新能源電池設計。鳴謝 自主研制NTC芯片的特普生儲能CCS集成溫度采集母排，對本文的大力支持，感謝特普生海外技術翻譯官林博女士！（資料來源：西門子Simcenter）

早在任何人想到電池模擬之前，第一輛電動汽車就達到了 100 公里/小時（62 英里/小時）并在 1899 年創造了速度世界紀錄。具有諷刺意味的是，它看起來像一個裝在輪子上的大手榴彈。這種具有悲傷名字“ la jamais contente ”（“永不快樂”）的汽車的爆炸性設計可以解釋為電動汽車中一個令人不快的事實的象征：電池的續航里程和電氣性能越高，爆炸性就越大它的行為在意外破壞的情況下。

電池可能發生的最壞情況是所謂的熱失控。它描述了幾種在很短的時間內釋放出大量能量的放熱反應：它看起來怎么樣？火災、爆炸，最后變成了曾經是電動汽車的燒焦熔體。可能引發此類災難性事件的機制是電池過熱或短路。

電池安全是我們長途駕駛必須付出的代價嗎？

好的一面是：

有一些安全且環保的電池化學物質可用，例如 LFP（磷酸鐵鋰）。今年，寧德時代或比亞迪等公司也可能將鈉離子（鈉）引入市場，用于汽車應用。使用這些化學物質的電池不會因機械損壞（例如釘子穿透）而開始燃燒。

壞的一面是：

安全替代品的能量密度遠低于高端汽車領域的化學物質，如 NMC（鋰-鎳-錳-鈷-氧化物）或 NCA（鋰-鎳-鈷-鋁-氧化物）和它們的應用將僅限于范圍和性能有限的汽車。純鈉電池可能很好，足以滿足城市內部的出行需求，但對于在一個只有幾個分散的充電站的度假地方來說，這并不是正確的選擇。將鈉電池與具有更高范圍和性能化學電池的額外電池混合可能是一個很好的折衷方案，但是具有非常高性能電池化學（如 NMC 或 NCA）的電池再次引發了安全問題。

那么電池安全是不是我們要長途行駛必須付出的代價呢？

答案是不！

如果在設計過程中考慮到安全要求，安全電池設計是可能的，即使是高功率電池化學也是如此。最有效的方法是將現代電池模擬技術與實驗測試相結合。這樣可以節省時間、成本，最重要的是：它可以挽救生命！

現代電池開發中的仿真

仿真已成為現代電池設計工程的支柱。它們有助于識別影響系統的主要參數，選擇最佳設計并找到各種系統參數的最佳調整。成功的關鍵是在設計過程中的正確時間有效組合正確的電池仿真技術。

為了節省成本并盡可能利用協同效應，汽車行業有一種趨勢是使用統一的電池單元格式，其中可以包含不同的電池化學成分。這些電池集成在一個模塊化平臺中，可以擴展以實現不同的電池組配置。

盡管在平臺層面采用了這種有效的方法，但在電池設計過程中一直存在一個經典錯誤：即考慮到熱失控這一安全關鍵主題為時已晚。

電池測試非常昂貴，而且由于要求很高，很難在可以執行熱失控測試的測試設施中獲得一席之地。此外，許多工程師不知道如何模擬熱失控或缺乏足夠的軟件工具來執行這些電池模擬。因此，電池設計開始時通常只包含一個 CAD 部件，其中包含用于熱失控保護材料（如隔熱罩或絕緣泡沫）的猜測尺寸。對于在熱失控的情況下應釋放壓力和熱氣體的通風系統，CAD 工程師畫了一個圓圈，應該代表爆破片，但如果尺寸足夠，如果一個圓片就足夠了，沒有人知道觀點。不同的團隊開始并行開發電池組件，如冷卻回路，

不幸的是，第一次熱失控測試在時間線的后期出現了：如果電池不滿足官方要求的熱失控要求，則所有團隊的所有部件的尺寸都必須從頭開始。如果您被選中向高層管理人員傳達壞消息，那么恭喜您！

為了避免這些遲來的意外，Simcenter STAR-CCM+ 開發了一種新的電池模擬工作流程，可以在電熱電池模擬和熱失控模擬之間輕松切換。用戶可以在一個電池仿真模型中研究電性能、電池冷卻回路、熱失控保護材料和排氣系統。這使用戶能夠根據不同的物理特性輕松地擴展具有不同電池化學成分的電池平臺。

Simcenter STAR-CCM+ 中的熱失控仿真

電池的熱失控是多種物理現象的混合。如果電池接收到一定量的能量，則會發生多個化學氧化還原反應并釋放大量熱量。電池內部的壓力迅速增加，在某個時刻，電池會噴出溫度可達 1000°C 以上的熱排氣。為了安全的電池設計，必須考慮所有這些影響。Simcenter STAR-CCM+ 提供了一種簡單的高精度建模方法。

簡而言之，釋放的熱量分為兩種機制：

I.排放氣體釋放的熱量

II.固體電池部件釋放的熱量

電池模擬的輸入值來自在所謂的加速速率量熱法（“ARC”）測試中使用單個電池進行的實驗。它們由兩個表組成：

在用戶定義的電池單元中結合熱釋放和等效電路模型

Simcenter STAR-CCM+ 電池仿真模塊工作流程中的一個新功能是熱失控放熱模型，它描述了電池固體部分在熱失控期間釋放的熱量。它可以添加到等效電路電池模型（= Simcenter STAR-CCM+ 中的“RCR 模型”）。

放熱模型基于包含電池溫度 [K] 和固體電池部件的熱速率 [W] 作為輸入參數的表格。數據可以來自加速量熱儀（“ARC”-）測試，也可以使用軟件 Simcenter Amesim 確定，該軟件在庫中提供一些最常見的電池化學 ARC 測試數據，并且這些值可以根據電池形狀和容量。對于具有包含電池模型的連續體的區域的任何部分，熱釋放被自動激活。熱釋放的激活可以由用戶指定，例如通過電池組的指定溫度。

這種簡單的設置使用戶能夠從第一步開始就將熱失控安全方面集成到電池設計中。參數化幾何結構、執行智能設計探索以及在不同的電氣和熱失控模型之間輕松切換的能力使 Simcenter STAR-CCM+ 成為設計和擴展具有不同電池化學成分的現代電池平臺并優化其熱管理和安全組件的理想工具。

客戶通過使用相同的電池平臺配置不同的電池實現相同的協同效應，Simcenter STAR-CCM+ 讓用戶使用參數模型。

優化電池設計的綜合仿真方法

在電池系統的設計過程中，需要一個包含不同電池仿真方法的工具箱。范圍從系統級的快速 1D 電池模擬到組件級的精確 3D CFD 模擬，最后到結合了兩全其美的技術：所謂的降階模型 (ROMS)。后者結合了 3D 模型的準確性和系統仿真模型的速度。在以下示例中，演示了不同的仿真技術以設計安全的電池組。

假設我們是一家未來公司的 3D 仿真工程師，該公司希望基于單一電池平臺開發不同的車輛。這些車輛自動駕駛，用于公共交通和送貨服務。我們要開發的交通工具是可以在大城市內運行的小型公共汽車。公交車應具有足夠的續航里程，安全性高，并應采用快速充電程序進行快速充電。為了開發，我們的 3D 仿真團隊正在與 1D 系統仿真團隊密切合作。使用的軟件工具是用于3D 仿真的Simcenter STAR-CCM+和用于 1D 系統仿真的Simcenter Amesim 。

使用一維系統仿真的電池組概念設計

第一步，我們來自系統仿真團隊的同事根據范圍和性能要求分析了不同的電池化學成分，還在 Simcenter Amesim 中進行了首次老化電池仿真。通過通用電池組模型，他們開發了第一個電池架構，并為電池冷卻系統提出了第一個概念（電池架構和基本電池數據受來源啟發）

使用計算流體動力學仿真的詳細電池設計

鑒于這種基本的電池概念，3D 電池仿真團隊面臨的挑戰是確保在快速充電期間的熱失控和熱管理方面的安全電池設計。

第 1 部分： 安全第一——如何控制熱失控

根據應用和行業部門的不同，熱失控安全有不同的策略和要求。如果電池一旦接收到啟動其放熱反應所需的能量，就幾乎不可能阻止電池燃燒。要防止的最重要的事情是電池單元進入熱失控的快速連鎖反應。這會產生過多的熱量和壓力，因為電池外殼可以安全地釋放它而不會傷害乘客。

更好的策略是，減緩熱失控在電池單元之間的傳播，這樣電池組中包含的能量不會立即釋放，而是為每個電池少量釋放，并在中間有足夠的時間逐步釋放。結合良好的電池通風系統以有效釋放氣體和堅固的耐熱電池盒，這可以最大限度地降低風險并保護乘客。

可以通過專門設計用于承受高溫的隔熱材料（即所謂的隔熱罩）來減緩傳播的傳播。我們聯系了一家隔熱罩供應商，他向我們推薦了一種產品，他提供 3 種不同厚度的產品：1 毫米、3 毫米和 6 毫米。

隔熱罩的厚度對電池的整體尺寸和 y 方向的冷卻系統有很大影響。為了評估最佳選擇，我們使用 Simcenter STAR-CCM+ 來設置一個完整的參數化電池幾何結構，該幾何結構根據隔熱罩厚度向上或向下縮放所有部件

為了節省時間，在具有周圍空氣的單個模塊上分析熱失控行為。電池頂部和電池外殼蓋之間的間隙經過精確建模，以將熱排放氣體的反射考慮在內。

我們對厚度為 1 毫米、3 毫米和 6 毫米的隔熱罩進行了 3 次熱失控模擬，包括通風，并分析了單電池傳播之間的時間。由于我們的模塊是參數化的，我們可以設置一次熱失控模型，然后使用 STAR-CCM+ 中的設計研究管理器為不同的幾何形狀應用相同的模型設置。

目標：

熱失控安全的要求取決于工業部門，不能一概而論。對于這個虛構的場景，假設如果對于超過 80% 的電池，單電池傳播之間的時間超過 20 秒，則電池組被認為是安全的。溫度圖中 2 個或更多個細胞傳播之間的時間低于該值的區域在下文中稱為關鍵區域。如果一個模塊在傳播過程中顯示出超過 1 個臨界區，則認為它是不安全的。此外，我們需要在第一次細胞傳播和最后一次細胞傳播之間至少間隔 15 分鐘。這只是一個示例，但正如我們展示的參數化工作流程一樣，可以根據具體情況調整要求。

這里的重要信息是識別電池的傳播時間太短，以及模塊的第一個和最后一個電池之間進入熱失控的最長時間，當然還有最高溫度。電池蓋的溫度對于檢查它是否融化也很關鍵，但這不包括在本研究中。對于這個例子，我們專注于傳播速度，更深入的分析包括由于高溫導致的熔化部件將在其他演示中展示。

對于隔熱板厚度為 1 mm 的電池模塊，可以識別出 2 個關鍵區域，其中單個電池傳播之間的時間太短。對于 3 mm 隔熱板厚度，存在 3 個關鍵區域，電池對之間的傳播時間增量很短。最后，具有 6 毫米隔熱板厚度的模塊是最安全的設計！很多幫助很多！對于具有 6 毫米厚隔熱罩的設置，只剩下一個關鍵區域，兩個電池之間的時間差為 7 秒。其余電池在其間有足夠的時間傳播，導致總體熱失控時間最長，因此設計可以被認為是安全的！

第 2 部分：快速充電并保持涼爽——熱管理系統的設計

在熱失控安全分析之后，參數電池根據隔熱罩厚度按比例放大，設計可以繼續熱管理系統。如上所述，過熱會引發電池熱失控，電池的工作溫度也會對其壽命和性能產生很大影響。

包括冷卻系統在內的 3D CFD 電池模擬使用戶能夠在設計過程的早期識別熱點和冷點。此信息稍后可用于放置用于實驗測試的溫度傳感器或獲取有關電池上最大溫度梯度的信息，這對老化分析很重要。對于液冷系統的分析，不需要像熱失控模擬那樣模擬電池模組內部的空氣。模擬冷卻液并以對流邊界條件的形式定義電池內部固體部分和空氣之間的傳熱系數就足夠了。

與所有電動汽車一樣，小型城市公交車最具挑戰性的過程是快速充電操作。此處出現最高電流，冷卻性能最為關鍵。公交車充電要求如下：

使用 Simcenter STAR-CCM+ 內的電路編輯器可以最好地為復雜的電氣程序建模。它包含一個電子元件工具箱，可以實現大多數操作。

對于恒流恒壓充電程序，采用如下電路架構：

電路由8個串聯的模塊和2個并聯支路組成。

分支 1：模擬充電過程的恒流階段。

分支 2：對充電過程的恒壓階段建模。

為了加快計算速度，使用了設計研究管理器中的設計掃描操作。如果使用 Simcenter STAR-CCM+ 按需供電許可證，六個電池模擬可以并行運行。

從所有分析的邊界條件來看，0.05 的質量流量和 21°C 的入口流體入口溫度的組合顯示出將電池保持在 24°C 和 27°C 之間的最佳溫度范圍內的最佳結果。

最后，電池的設計就完成了。在熱失控的情況下，電池具有足夠的被動保護。已對快速充電程序進行建模以確保電池及時充電，并且已設置冷卻系統參數以將所有電池單元保持在所需的溫度范圍內。

使用降階模型 ROM提高電池仿真速度，同時保持準確性

為了電動汽車的進一步發展，預測電池如何與環境控制系統等其他部分相互作用是很有意義的。Simcenter 提供了一種新型的降階模型，它結合了 3D 電池仿真的高精度和系統仿真的速度。

它是用于溫度預測的神經網絡模型和系統等效電路模型之間的混合體：使用Simcenter ROM builder創建的神經網絡需要訓練數據才能預測電池度。在這種情況下，用于確定冷卻系統參數的六個 3D 電池模擬被作為訓練的輸入。

從下圖中可以看出，降階模型可以很好地預測電池組的溫度，并顯示出與 3D 模型幾乎相同的結果。這里的一大優勢是所需的時間。3D 模型需要 3.92 小時來模擬 2225 秒的快速充電周期，而神經網絡模型能夠在 0.04 秒內完成同樣的操作！這使得電池模型能夠在軟件在環 (SIL) 和硬件在環 (HIL) 模型中使用，并允許用戶將其集成到電池的整體系統模型中。

使用 Simcenter 克服安全性和遠程電動汽車之間的權衡

Simcenter 電池設計解決方案使工程師能夠提高電池的電氣性能，從而提高電動汽車的續航里程，同時確保電池設計符合全球安全法規，同時控制開發成本。因此，由于隨之而來的數字孿生的部署，電動汽車將永遠不會像“ la jamais contente ”（“永不快樂”） 曾經那樣，成為車輪上的大手榴彈。