我們可以發(fā)現(xiàn)，最近幾年路上跑的新能源汽車(chē)越來(lái)越多，隨著汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展及國(guó)內(nèi)政策的驅(qū)動(dòng)下，我國(guó)的新能源汽車(chē)及其相關(guān)的產(chǎn)業(yè)得到飛速的發(fā)展。動(dòng)力電池是電動(dòng)汽車(chē)的重要組成部分，其性能優(yōu)劣直接制約整車(chē)動(dòng)力性、安全性和經(jīng)濟(jì)性。動(dòng)力電池能量密度決定電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)駛里程，功率密度決定最大爬坡度及最高車(chē)速，循環(huán)壽命和成本影響整車(chē)成本和使用經(jīng)濟(jì)性，動(dòng)力電池的電/熱安全性和環(huán)境適應(yīng)性，是決定電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)安全性和環(huán)境適應(yīng)性的關(guān)鍵因素。

電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)是應(yīng)對(duì)電池的熱相關(guān)問(wèn)題，保證動(dòng)力電池使用性能、安全性和壽命的關(guān)鍵技術(shù)之一。熱管理系統(tǒng)的主要功能包括：在電池溫度較高時(shí)進(jìn)行有效散熱，防止產(chǎn)生熱失控事故；在電池溫度較低時(shí)進(jìn)行加熱，提升電池溫度，確保低溫下的充電、放電性能和安全性；另外就是減小電池組內(nèi)的溫度差異，抑制局部熱區(qū)的形成，避免高溫或低溫狀態(tài)下使用電池以防止電池包壽命過(guò)快衰減。那么我們?nèi)绾瓮ㄟ^(guò)Amesim系統(tǒng)仿真軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)電池包熱管理相關(guān)的性能進(jìn)行設(shè)計(jì)及預(yù)測(cè)呢？今天借著這個(gè)機(jī)會(huì)，分享一些電池?zé)峁芾矸抡嫦嚓P(guān)的內(nèi)容。

首先，我們要知道以下幾種典型的EV車(chē)型的熱管理架構(gòu)，不同的架構(gòu)，對(duì)應(yīng)了不同的電池包熱管理方式，其仿真建模的方式也不相同，目前風(fēng)冷仿真已經(jīng)過(guò)時(shí)，主流熱管理技術(shù)為chiller水冷，隨著高倍率充電的要求，冷媒直冷技術(shù)逐漸被越來(lái)越多工程師采用，一般高端車(chē)型會(huì)考慮采用熱泵系統(tǒng)。

幾種典型的EV車(chē)型的熱管理架構(gòu)

對(duì)于電池包熱管理，分為電池包內(nèi)的部件級(jí)熱管理和含有電池包內(nèi)不和外部的系統(tǒng)及熱管理。通常，對(duì)于電池包內(nèi)的熱管理性能仿真，一般用STAR CCM+進(jìn)行三維CFD仿真,對(duì)于整個(gè)電池包熱管理系統(tǒng)，通常使用Amesim進(jìn)行一維系統(tǒng)仿真。本文，將主要介紹基于A(yíng)mesim的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)仿真。常規(guī)的分析步驟為：

仿真內(nèi)容規(guī)劃，如：計(jì)劃一下需要做哪些工況的分析，是否帶電池?zé)峁芾砜刂撇呗裕姵啬Ｐ偷脑敿?xì)程度，即電池模型是直接用一個(gè)電池模型代替整包呢還是要將所有電芯都搭建出來(lái)，是否要耦合STAR CCM+,或者考慮使用STAR CCM+的三維降階模型。

在完成仿真內(nèi)容規(guī)劃后，可以考慮進(jìn)行基礎(chǔ)電池?zé)峁芾砟Ｐ湍Ｐ痛罱?，該模型主要用?lái)評(píng)估在沒(méi)有熱管理介入的情況下，電池包在特定工況下的熱力學(xué)、電學(xué)表現(xiàn)。

電池充電模型

充電過(guò)程仿真結(jié)果

該模型的電芯模型是通過(guò)BDS軟件定義的電芯，充電策略為常見(jiàn)的先恒壓后恒流充電策略。在實(shí)際項(xiàng)目中，可以根據(jù)實(shí)際充電MAP進(jìn)行充電，或者根據(jù)相關(guān)控制策略進(jìn)行充放電。

下圖中是某熱銷(xiāo)車(chē)型的電池包模結(jié)構(gòu)，一號(hào)模塊和四號(hào)模塊有11個(gè)模組，二號(hào)和三號(hào)模塊有13個(gè)模組，整個(gè)電池包有4816個(gè)電芯。

某車(chē)型電池包結(jié)構(gòu)

在確定了電池包的結(jié)構(gòu)成組成后，可以通過(guò)電池標(biāo)定工具修改電芯參數(shù)，然后搭建電芯的熱模型。由于該電池包有4816個(gè)單體電芯，由于電芯數(shù)量太多，如果把每個(gè)電芯都搭建出來(lái)，是非常不科學(xué)的行為，所以，這里使用模組為一個(gè)單元進(jìn)行模型搭建。

成組后的電池模型如下圖。

成組后的電池模型

當(dāng)按照最大充電倍率2C來(lái)充電，其功率大約為150 KW,當(dāng)SOC達(dá)到75%后，逐漸減少充電倍率，電池包的冷卻流量為30 L/Min，入口水溫為25℃。

電池包電壓電流結(jié)果

該工況下，電池包內(nèi)各個(gè)模組的溫度變化如下，一號(hào)和四號(hào)模塊的最高溫為37攝氏度，該時(shí)刻的最低溫度為27攝氏度，二號(hào)和三號(hào)模塊最高溫度為39攝氏度，該時(shí)刻最低溫度為27攝氏度，由此可以得出，整包的溫差為12攝氏度。

電池包溫度變化

類(lèi)似下圖中的這種軟包電芯該如何進(jìn)行其熱管理性能仿真呢？前面用的那種思路就不太適合這種電池包冷卻仿真了。

某軟包電芯及熱管理結(jié)構(gòu)

下面就來(lái)介紹如何搭建，首先將電芯離散為6部分，不同部分用導(dǎo)熱原件連接，并建立超級(jí)元件，使用超級(jí)元件的方式可以方便后續(xù)的建模操作，或者電池包整包模型搭建。

軟包電芯固體質(zhì)量塊模型

水冷板模型及等效原理如下圖，其分為水冷板水路模型和導(dǎo)熱模型

水路模型

導(dǎo)熱模型

對(duì)于電芯模型，可以使用前面介紹的方式來(lái)定義，最終，完整的熱管理單元模型如下：

完整熱管理單元模型

接下來(lái)，為模型定義邊界條件和設(shè)定工況，工況為：從40%SOC用2C的充電倍率給電芯充電，充電至100%，冷卻液流量為0.05L/min，進(jìn)口水溫30攝氏度。

最后，仿真結(jié)果如下

仿真結(jié)果

我們可以從上圖得出以下結(jié)果，在整個(gè)充電過(guò)程中，最高溫度出現(xiàn)在C02上，最高溫度為34.5攝氏度，最大溫差為1.6攝氏度。

電池?zé)峁芾硇阅艹伺c電池?zé)峁芾聿考膿Q熱性能有關(guān)，還與控制策略相關(guān)，如果在電池包樣件及控制器樣件生產(chǎn)出來(lái)再進(jìn)行熱管理性能評(píng)估，一旦熱管理性能不能滿(mǎn)足要求，則有可能會(huì)需要產(chǎn)品工程師進(jìn)行設(shè)計(jì)變更，甚至?xí)?dǎo)致項(xiàng)目延期，那么如何將二者在早期的設(shè)計(jì)過(guò)程中有機(jī)的結(jié)合起來(lái)從而避免設(shè)計(jì)變更或者項(xiàng)目延期呢？一般可以通過(guò)模型在環(huán)（MIL）及硬件在環(huán)（HIL）進(jìn)行性能測(cè)試。

控制器開(kāi)發(fā)V模型

前面介紹了電池包熱管理模型的搭建，在模型具有一定精度基礎(chǔ)后，有一定功底的電池?zé)峁芾砉こ處煏?huì)通過(guò)Amesim的控制庫(kù)、Statechart或其它軟件搭建控制邏輯模型，然后對(duì)帶有控制策略的熱管理模型進(jìn)行仿真分析，并通過(guò)策略或者參數(shù)的調(diào)整，使電池包的溫度處于合理的溫度區(qū)間，使整包的電芯間溫差減少，此時(shí)可能還需要考慮熱管理系統(tǒng)本身的能耗，最終制定出一個(gè)綜合性能比較熱管理控制策略。在控制策略開(kāi)發(fā)達(dá)到一定程度，就可以進(jìn)入到HIL開(kāi)發(fā)階段，可以考慮使用電池包+虛擬控制器，電池包模型+控制器，或者電池包+控制器中的一種或多種手段進(jìn)行硬件在環(huán)的測(cè)試，排除控制策略中的一些問(wèn)題。

下圖中的模型為在A(yíng)mesim中搭建熱管理模型，包括電池包詳細(xì)模型、整車(chē)熱管理模型、充放電（電池負(fù)載）模型、以用控制庫(kù)及Statechart搭建的控制模型

Ameism熱管理模型

技術(shù)展望：通過(guò)三維star ccm+進(jìn)行整包的流場(chǎng)及溫度場(chǎng)仿真，其熱負(fù)荷來(lái)自Amesim的電池包電學(xué)模型，再通過(guò)模型降階的方式將三維star ccm+模型進(jìn)行降階，這樣便可以得到一個(gè)精度很高的溫度模型，再配合上Amesim中的整車(chē)其它熱管理系統(tǒng)、電機(jī)、電控、車(chē)輛、乘員艙及控制相關(guān)等模型進(jìn)行整車(chē)更多屬性的模擬分析及優(yōu)化。