电池模块热设计挑战
为使用周期设计电池模块会面临一些独特的热工程挑战。
使用循环（如驱动循环）涉及可变负载、速度和环境条件，要求电池在动态压力下提供一致的性能。管理热行为至关重要，因为波动电流会产生热量，从而导致电池老化。设计人员必须确保最佳的能量密度、功率输出和安全性，同时兼顾尺寸、重量和成本限制。此外，还必须仔细匹配电池，避免出现影响性能和寿命的失衡现象。预测实际循环条件下的长期衰减会使设计更加复杂。总之，要在不同的驾驶场景下实现耐用性、效率和可靠性，需要精心的工程设计和先进的控制策略。
工程解决方案
为解决电池模块在驱动循环中遇到的难题，工程师们采用了多种解决方案。热管理系统（如液体冷却或相变材料）可调节温度并防止过热。电池管理系统 (BMS) 监控电压、电流和温度，确保电池平衡和安全运行。先进的建模和仿真工具有助于预测各种驱动条件下的性能和衰减。电池的选择和匹配提高了一致性和使用寿命。结构设计优化了封装，以保证重量、耐用性和碰撞安全性。此外，自适应控制算法可实时调整功率输出，以提高效率并延长电池在各种驾驶情况下的使用寿命。
使用 ANSYS Fluent 是评估电池热系统解决方案的有效工具；但是，这些评估可能会面临一些挑战。创建精确的模型需要详细的输入数据，包括各种条件下的材料特性和电池行为，而这些数据可能很难获得。考虑到使用周期，在 Fluent 中验证高保真模拟需要大量的计算和时间。 通过利用 Ansys Digital Twin 中的降阶模型，可以实时评估使用周期的热解决方案。 本博客将讨论电池模块的线性时间不变（LTI）降阶模型（ROM）。
方法
在本讨论中，使用 Ansys Fluent 和 Digital Twin 设置电池模块热仿真涉及多个步骤。这些步骤包括思维导图、产品图、Fluent 案例设置和 Twin Builder Digital Twin 设置。
思维导图： 生成吹塑成型特征思维导图的目的是以结构化的方式组织和表示想法、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： 生成吹塑型坯和模具的产品图，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/行动相对应的一些因素。
流畅培训模拟： 根据思维导图产生的研究结果，为训练目的执行 Fluent 模型。 首先进行稳态冷流模拟，以生成零电池热释放和零标签电流的冷板冷却剂流解决方案。 然后停用流动方程，激活能量方程。 下图显示了在 Fluent 电池模型中使用单输入多输出和多输入多输出降阶模型训练 LTI 模型的步骤顺序。
下图显示了激活电池 ROM 工具包以及从电池模型面板选择 LTI ROM 类型的过程。
下图显示在选择体积热量时，单输入多输出（SIMO）和多输入多输出（MIMO）ROM 的不同选择程序。 提示：单击 “添加为一组 “或 “单独添加 “按钮前，请指定功率值。
两种情况下都激活了焦耳热的输入标签电流；两种情况下都使用单独添加的单元，用于单元区平均值，如下图所示。 设置瞬态设置后，应用设置并激活运行训练。
数字孪生模拟 可通过 Twin Builder > Toolkit > Thermal Model Identification 访问 Twin Builder 中线性时不变 ROM 的数字孪生功能。 下图显示了在 Twin Builder 中使用单输入多输出降阶模型（左）和多输入多输出降阶模型（右）执行 LTI 模型的步骤顺序。
将生成的模型从元件库拖入原理图窗口。 热负荷和电流的恒定输入被添加并连接到模型中。由于热负荷是电流平方的函数，因此在电流常数块和焦耳热输入之间添加了一个平方函数。 对于 SIMO ROM，恒定的热负荷与模块的头部负荷相对应。 对于 MIMO ROM，恒定热负荷连接到所有输入端，其值等于每个单元的热负荷。
双子生成器分析用于生成瞬态温度结果。 执行模拟计算以生成结果，重点是温度和模拟时间。 Fluent 运行由 10 个处理器并行执行，使用的时间步长等于为 Digital Twin 运行指定的最大时间步长。 对处理数据进行分析，以回答理论问题并确认或反驳预测结果。
Fluent 和数字孪生模拟结果
训练时间图形分析： 下图显示了在 Fluent 中训练 ROM 所花费的时间。 多输入多输出训练（MIMO）所需时间是单输入多输出训练（SIMO）的六倍多，因为有 13 个输入，而不是 2 个输入。
仿真时间图形分析： 下图显示了在 Fluent 和 Digital Twin 中模拟使用所花费的时间。 第一种情况是恒定热负荷，第二和第三种情况是瞬态热负荷。 Digital Twin 的运行时间不到 4 秒。 而相应的 Fluent 运行则需要数小时。
模拟温度的图形分析： 下图显示了在热负荷恒定的情况下，Fluent 运行与相应 SIMO 和 MIMO ROM 之间的温度比较。很难看到温度差异，但模拟时间差异很大。
仿真温度图形分析： 下图显示了 Fluent 运行和相应的 Digital Twin 运行在正向和反向循环负载下的温度比较。 很难看到温度差异，但模拟时间差异很大。
电池电流影响的图形分析： 下图显示了正向和反向循环负载下两种电流水平的温度比较。 在循环结束时，可以看到温度相差半度。 每次运行用时不到 4 秒。
视频
设置详情： 以下视频将介绍使用 Fluent 和 Twin Builder 进行 SIMO 和 MIMO 设置的要点。
安思解决方案的优势
ANSYS 为模拟电池模块热系统提供了先进的功能，这些功能具有众多优势，包括增强设计优化、提高可靠性和节约成本。通过准确预测电池模块在每个使用周期中的性能，制造商可以更高效地设计出满足特定要求的产品。
ANSYS Fluent 和 Digital Twin 最终为评估使用周期和微调冷却系统提供了全面的虚拟环境。
ANSYS Fluent 和 Digital Twin 能够评估多种设计/输入因素，如电流、恒定或可变热负荷。 电池热工程师可以在 Digital Twin 中评估多个设计方案，实时了解热行为。除 Digital Twin 和 Fluent 外，ANSYS 还提供 LS-Dyna、DesignXplorer、OptiSLang 和 Mechanical 等工具，用于进一步设计参数化和评估。