電池的熱管理與設(shè)計(jì)采用數(shù)值仿真加速電池開(kāi)發(fā)

熱管理 2021-02-04

電池設(shè)計(jì)面臨的挑戰(zhàn)

較之其他種類的電池，鋰離子電池以其高能量密度、高電壓、低自放電率和良好的穩(wěn)定性而成為混合動(dòng)力車以及電動(dòng)汽車能源的首選。但是，混合動(dòng)力車和電動(dòng)汽車所用的鋰離子電池容量遠(yuǎn)大于市場(chǎng)上常見(jiàn)的消費(fèi)電子中所用的鋰離子電池的容量。由于鋰離子電池在大功率放電時(shí)有可能會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的溫升，甚至可能有發(fā)熱失控的危險(xiǎn)，當(dāng)前電動(dòng)汽車用鋰電池開(kāi)發(fā)面臨的主要問(wèn)題是安全性問(wèn)題。設(shè)計(jì)良好的熱管理系統(tǒng)對(duì)于避免電池的過(guò)熱和電池組內(nèi)的不均勻發(fā)熱至關(guān)重要，過(guò)熱以及不均勻發(fā)熱會(huì)導(dǎo)致電池性能退化、電池單體容量不匹配和內(nèi)部潛藏的熱量失控。電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的設(shè)計(jì)不但需要冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的知識(shí)，還需要具備電池組內(nèi)部電池單體發(fā)熱量計(jì)算方面的知識(shí)。

仿真如何發(fā)揮輔助設(shè)計(jì)的作用

仿真在兩個(gè)層次上起到輔助作用：電池單體級(jí)和系統(tǒng)級(jí)。電池單體級(jí)是指一個(gè)電池單體，而系統(tǒng)級(jí)可以是電池組模塊或者整個(gè)電池組。

對(duì)于電池單體級(jí)，關(guān)注點(diǎn)是電池單體內(nèi)部發(fā)熱的詳細(xì)情況和溫度的分布。這一類問(wèn)題主要由電池制造商和電池研究者在開(kāi)展研究工作。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明電池充、放電過(guò)程中生熱率是時(shí)變的。發(fā)熱可能是由內(nèi)部的電阻損耗、局部電極過(guò)電壓極化、電池反應(yīng)熵、混合熱和副反應(yīng)等引起。如果只考慮其中最重要的電阻損耗和局部電極過(guò)電壓極化的影響，發(fā)熱可以由開(kāi)路電勢(shì)和正、負(fù)極之間的電勢(shì)差來(lái)描述?；谶@一假設(shè)的模型可以用來(lái)預(yù)測(cè)鋰離子電池電極的電勢(shì)和電流密度分布，它們是放電時(shí)間的函數(shù)。

然后，基于該模型計(jì)算出來(lái)的電勢(shì)和電流密度分布結(jié)果可以用于計(jì)算鋰離子電池的溫度分布。接下來(lái)，利用該溫度分布的計(jì)算結(jié)果就可以檢驗(yàn)電極配置，諸如電極的長(zhǎng)寬比和集電片的布局，對(duì)發(fā)熱的影響，還可以基于電池的熱性能確定電池的放電速率。圖1a和圖1b給出了基于該模型由Ansys Fluent計(jì)算得到的典型結(jié)果。該模型計(jì)算得到的溫度分布結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果吻合得很好。然而，在需要給出詳細(xì)的溫度和電流密度分布信息的時(shí)候，這種模型就顯得簡(jiǎn)單了，它需要實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)作為輸入量。因此，如果沒(méi)有再一次的測(cè)試，這種模型就不能預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)改變對(duì)電池?zé)嵝阅艿挠绊憽５?，基于物理的電化學(xué)模型可以用來(lái)研究電池設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)電池性能的影響。這些設(shè)計(jì)參數(shù)包括幾何尺寸參數(shù)，材料屬性以及最關(guān)鍵的溫度。基于物理的模型還可以提供輸入，否則，像上述模型則需要具備實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。最著名的基于物理的模型由加州大學(xué)伯克利分校的約翰?紐曼教授最先提出，該模型已在Ansys Simplorer中實(shí)現(xiàn)。圖3所示為根據(jù)約翰?紐曼電化學(xué)模型得到的電池單體在充、放電循環(huán)時(shí)的電流、電勢(shì)曲線。圖4所示為放電過(guò)程中的電解液濃度變化曲線。研究圖4馬上會(huì)引出一個(gè)優(yōu)化問(wèn)題：如何確定電池單體內(nèi)電解液濃度的初始值。圖4中所用的濃度初始值是預(yù)先假設(shè)的，因?yàn)殡妼?dǎo)率的最大值大約出現(xiàn)在該濃度下。然而，圖4表明陰極處的大部分區(qū)域處于極低的濃度下，從而該處的電導(dǎo)率也低。這導(dǎo)致在電極深度方向上存在著嚴(yán)重的導(dǎo)電粒子輸運(yùn)限制。

這意味著越高的初始濃度可能會(huì)導(dǎo)致越低的隔離物電導(dǎo)率，但是在復(fù)合陰極中會(huì)導(dǎo)致更高的導(dǎo)電率，對(duì)于符合陰極這是非常重要的。圖5顯示的是不同溫度下的濃度變化曲線。這些數(shù)據(jù)中包含的信息告訴電池設(shè)計(jì)者什么時(shí)候會(huì)達(dá)到電流限值，從而幫助確定冷卻系統(tǒng)必須維持的溫度范圍以避免達(dá)到限定電流值。圖5隱含的另一個(gè)信息是電池運(yùn)行時(shí)間是時(shí)間的強(qiáng)耦合函數(shù)，更高的工作溫度可以使電池壽命更長(zhǎng)。這一點(diǎn)也可以從圖6基于物理的電化學(xué)模型的計(jì)算結(jié)果得到驗(yàn)證。當(dāng)然更高的溫度會(huì)帶來(lái)安全隱憂，這便是電池設(shè)計(jì)中的另一個(gè)優(yōu)化問(wèn)題。

系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)工程師的工作是電池模塊級(jí)或者電池組級(jí)的設(shè)計(jì)，他們有其它的一系列不同的需求。通常，這些工程師不用擔(dān)負(fù)像電池單體級(jí)工程師那么細(xì)致的仿真工作，而且他們的仿真目標(biāo)也有諸多不同。例如，分析電池?zé)崃抗芾淼挠?jì)算流體動(dòng)力學(xué)工程師關(guān)心的是將溫度維持在期望的范圍內(nèi)，降低壓降，維持電池組內(nèi)部溫度的一致性，而其他問(wèn)題如熱產(chǎn)生機(jī)制和電池單體的結(jié)構(gòu)卻不是他們所主要關(guān)心的。計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)過(guò)去被廣泛用于預(yù)測(cè)流量和傳熱的分析，現(xiàn)在電池?zé)崃抗芾碇徊贿^(guò)是計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)仿真的另一個(gè)應(yīng)用。作為計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)仿真軟件供應(yīng)商，ANSYS致力于為用戶創(chuàng)造易用的程序。無(wú)需采用不同的工具來(lái)完成幾何建模、網(wǎng)格剖分、后處理和優(yōu)化等工作，ANSYS Workbench已經(jīng)將上述計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)組件集成融匯于其中。通過(guò)Workbench自帶的幾何建模工具或者從其它CAD軟件中導(dǎo)入的幾何模型都是參數(shù)化的。從模型的幾何參數(shù)改變到Workbench中的結(jié) 果更新可以一鍵完成。Workbench內(nèi)部不同仿真工具之間可以進(jìn)行無(wú)縫數(shù)據(jù)傳遞。在ANSYS Workbench的幫助下，電池組整體的熱流體動(dòng)力學(xué)分析及優(yōu)化可以完全在ANSYS Workbench環(huán)境下完成。圖7和圖8顯示的是某重要汽車原始設(shè)備制造商利用ANSYS Workbench做的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)仿真的實(shí)例。

盡管計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)可以給出電池?zé)崃抗芾硐到y(tǒng)詳細(xì)的熱分布信息，但是要對(duì)不同駕駛循環(huán)時(shí)的瞬態(tài)過(guò)程仿真頗費(fèi)時(shí)間。利用模型降階技術(shù)可以從計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)結(jié)果中提取出一個(gè)Foster網(wǎng)絡(luò)模型。Foster網(wǎng)絡(luò)模型可給出與完整計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模型相同的結(jié)果，但是與完整計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模型相比仿真速度要快得多。對(duì)于圖7和圖8所示模型，在單CPU計(jì)算機(jī)上采用完整計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模型需兩個(gè)小時(shí)才能仿真一個(gè)駕駛循環(huán)。但是，采用提取的Foster網(wǎng)絡(luò)模型可以將仿真時(shí)間壓縮超過(guò)兩個(gè)數(shù)量級(jí)，達(dá)到20秒鐘左右。并且，F(xiàn)oster網(wǎng)絡(luò)模型可以給出與原始完整計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模型相同的結(jié)果。圖9顯示的是這兩個(gè)結(jié)果的對(duì)比。ANSYS Simplorer將計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)結(jié)果作為輸入量，自動(dòng)完成模型的降階處理。這一模型降階技術(shù)為之前不實(shí)用的仿真技術(shù)的實(shí)用化打開(kāi)了一扇門(mén)，像電池組熱控制系統(tǒng)分析就可由此受益。

對(duì)于電氣工程師，他們主要關(guān)心的是電池組的電氣性能而不是熱性能。然而，如前所述，電池組的電氣性能是溫度的強(qiáng)耦合函數(shù)。因此，電氣工程師需要一個(gè)精確而簡(jiǎn)單的與電池組電路模型耦合的熱模型。圖10給出了這樣的一個(gè)完整的動(dòng)態(tài)模型。該鋰離子電池組完整電路模型充分考慮了非線性平衡電勢(shì)、速變性、溫變性、熱效應(yīng)和瞬態(tài)功率輸出響應(yīng)等的影響。傳統(tǒng)的熱網(wǎng)絡(luò)模型也可以用來(lái)和電路模型耦合。利用Simplorer支持的IEEE標(biāo)準(zhǔn)硬件仿真語(yǔ)言VHDL-AMS可以很容易地搭建一個(gè)傳統(tǒng)的熱網(wǎng)絡(luò)模型。事實(shí)上，VHDL-AMS語(yǔ)言可用于更為復(fù)雜的多物理和多域問(wèn)題的建模，上述約翰?紐曼電化學(xué)模型就已經(jīng)在Simplorer中通過(guò)VHDL-AMS語(yǔ)言搭建出來(lái)了。