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极限。温度过高会导致效率降低、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。
要了解和预测电池模块的热行为，就必须将电池的散热与电池单元的电气机械特性结合起来。通过将电池单元的电气特性联系起来，可以为冷却系统设计提供更好的电池散热率。
工程解决方案
通过电池单元的物理测试数据可以增强对电池热行为的模拟。 其中一种电池测试称为混合脉冲功率表征（HPPC）。 这种测试可以计算电池内阻。 下面是 HPPC 数据集中的一个脉冲示例。 在电池单元的内阻与压降除以电流成正比。 Twin Builder 可根据整个 HPPC 数据集生成电阻值，该数据集可包括多个温度和充电状态 (SOC) 级别。该电阻值与电路电流和电压一起用于预测电池热损耗功率。
Ansys Twin Builder 软件提供了模拟和分析电池单元和模块热行为的工具。借助电池向导功能，Twin Builder 允许工程师模拟复杂的热相互作用，并评估不同的电池放电行为。Twin Builder 能够利用 HPPC 数据快速生成热抑制值。
通过使用 Twin Builder，工程师可以进行参数研究，探索各种设计配置。这样就能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 软件对多种输入进行评估。 这些输入可包括不同的电池容量、C-Rate 和 HPPC 数据。 Twin Builder 的模拟功能可对这些不同的输入进行评估。
方法
在本讨论中，使用 Ansys Twin Builder 设置电池仿真涉及多个步骤。这些步骤包括思维导图、产品图和 Twin Builder 案例设置。
思维导图： 绘制电池单元思维导图是为了有条理地组织和表达想法、概念或信息。 下面的思维导图显示了模拟研究的目标和针对目标提出的问题。 每个问题后面都有针对每个问题的理论、行动和预测。 每个分支的底部还将添加生成的结果。
产品地图： 生成电路中电池单元的产品图，列出产品特征并进行分类。产品图显示了与思维导图中的理论/行动相对应的因素。
下图显示了电池 HPPC 数据文件和 Twin Builder 电路的示例。 红色文本项为变量或常数因子。
下图显示了电池 HPPC 数据集示例和用于研究的操作电压脉冲。红色文本为可变因素。
Twin Builder 仿真： Twin Builder 模型是根据思维导图产生的研究结果生成的。 在本例中，采用了 7 因子、2 级、分数因子 DOE，产生了 8 个独特的 Twin Builder 处理。 下面的图片显示了为电池模型填充输入的步骤顺序。 第一张图片是电池向导中的电池配置工具，第二张图片是电路中的电池。
电流源在初始延迟 20 秒后使用振幅为 10 安培的梯形曲线，持续时间为 10 秒。
执行模拟计算以生成结果，重点关注电池单元的热损耗、电压和电流。对热损耗的处理数据进行分析，以回答理论问题并确认或反驳预测结果。
双电池模拟结果
图形分析： 下图显示了处理过程中电池单元的瞬态功率损耗结果。图表显示，电压深度是最重要的因素。 当 HPPC 数据中的电压降越大时，电池电阻越大，导致功率损耗越高。 其他输入因素导致的热损耗变化较小。
下图也分别显示了 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 电流和孪生电池容量的影响较小。电压偏移和时间拉伸的影响可以忽略不计。
观察结果
电压降深度： HPPC 脉冲的压降深度越高，内阻越大，因此热损耗也越大。
电路温度： 电路温度对电阻的影响较小，因为 25 摄氏度时的脉冲压降比 45 摄氏度时的大。 电压降越大，电阻越大，热损耗也越大。
HPPC 数据电流： HPPC 文件中指定的电流越大，电阻越小，因此热损失也越小。
电池向导电芯容量： 电池容量对电阻的影响较小，因此对热损耗的影响也较小。
HPPC SOC： HPPC SOC 对阻力的影响较小，因此对热损失的影响也较小。
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也可以忽略不计。
电压时间拉伸： 时间拉伸对脉冲压降的影响可以忽略不计，因此对热损耗的影响也可以忽略不计。
摘要
Twin Builder 仿真的求解时间均少于 2 秒。 工程师可以根据 HPPC 数据快速确定电池单元的热损失。