直冷电池包热管理的仿真方法_系统仿真_电子

直冷电池包热管理的仿真方法

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摘要

动力电池包的直冷技术具有冷却效率高、系统紧凑且不存在短路隐患等的优点，正在得到越来越广泛的关注。然而直冷技术的复杂性对仿真也带来了新的挑战：电池包内剧烈的相变过程、电芯内部温差大、与HVAC控制策略高度集成。本文将介绍GT-SUITE在电池包直冷方面的仿真方法，该方法可兼顾电池的分辨率和计算速度，能够用于长时间的瞬态仿真。单核计算时间约为2～3倍的物理时间。

前言

纯电动车用锂电池的最佳温度范围20～30℃之间。高温（45℃以上）会加速电池老化，也会增大热安全风险。而低温（0℃以下）会限制电池包充放电性能，也会增大析锂的风险。故电池包的热管理极为重要。

当前热泵空调系统加电池包的液冷系统已经成为电动车热管理的主流方案。液冷技术具有冷却速度快的优点，但液冷系统由于二次冷却液循环，导致其组件多、成本高且存在泄露风险。正因为此，直冷技术正得到越来越多的关注，直冷技术省去了二次冷却液循环，用制冷剂的沸腾传热代替冷却液的单相换热进行电池冷却，冷却效率高、所需组件少，可以有效降低整车重量、提高整车比能量及经济性。但直冷技术的控制系统更为复杂。

在仿真方面，直冷技术也带来了新的挑战。这些挑战主要集中在3个方面：电池包内剧烈的相变过程、电芯内部温差大（要求高分辨率的模型）、需要与HVAC的控制策略高度集成。本文将介绍GT-SUITE在电池包直冷方面的仿真方法，该方法可兼顾电池的分辨率和计算速度，能够用于长时间的瞬态仿真。单核计算时间约为2～3倍的物理时间。

直冷电池包的仿真方法

直冷电池包的仿真目前主要有3种方法。

三维CFD 方法

CFD仿真模型保真度高，能够很好地模拟电池包内部的参数分布。但由于电池包内部剧烈的相变过程，导致其收敛困难。另外，由于CFD电池包计算成本高，故其一般不模拟制冷剂回路，仅对电池包进出口边界进行定义。但很多时候，该边界难以获知。更为严重的是，直冷技术与HVAC系统高度集成，与控制策略（如压缩机、电子膨胀阀）息息相关，CFD无法满足这些要求。虽然一三维耦合可以解决单独 CFD 计算的困难，但其计算成本过高，并不实用。

直冷电芯的温度分布^[1]

系统仿真方法——将电芯分为多个热节点

针对CFD在模拟直冷技术中的困难，特别是与HVAC控制策略高度集成的难点，系统仿真被很多研究者和工程师采用。由于直冷中电芯内部的温度差异很大，故将电芯作为单个热节点的方法并不合适，故在系统仿真中多将电芯切割为多个热节点，以考虑电芯内部粗略的温度差异。该方法计算速度快，可集成HVAC控制策略，但模型分辨率仍然很低。

将电芯切割为多节点

系统仿真方法——将电芯分为有限元

为了提高模型的分辨率，同时又能集成HVAC和控制策略，GT-SUITE可以将电芯划分成有限元，如下图所示，将每个电芯分为960个网格（网格数与网格大小有关）。

GT-SUITE将电芯划分为有限元

由于直冷技术中冷板的均温性较好，故可以将冷板划分成多个热节点，这样也可加速计算。

GT-SUITE将冷板划分为多节点

仿真模型介绍

3.1电池包模型

本文采用的电池包数模结构简单，仅做示例用。该模型的冷板是包含4个通道的口琴管。该电池包共10个模组，每个模组6个电芯。

电池包模型离散

将电池包模型与HVAC系统结合，如下图所示

电池包与HVAC系统集成

结果与讨论

4.1不同充电倍率下的电芯温度

采用给定边界的电池包模型（未与HVAC系统集成）。环境温度43℃，给定制冷剂流量0.05kg/s，进口干度0.3，出口压力为3bar。电池进行1/2/3C充电，SOC充电窗口为0.3-0.8。下图分别为位于模组中间的单体在不同充电倍率下的温度分布。

1C/2C/3C充电倍率下的电芯温度分布

下图为该单体的局部最大温度的变化

单体内部1C/2C/3C充电倍率下的局部最大温度

下图为该单体的局部最小温度的变化

单体内部1C/2C/3C充电倍率下的局部最小温度

下图为电池包内所有单体在1C倍率下的局部最大温度的变化

所有电芯在1C倍率下的局部最大温度

4.2不同电池包出口过热度的影响

将电池包模型与HVAC系统集成。通过PI调节电池包前电子膨胀阀的开度，考察电池包出口不同的目标过热度（1/2/3℃）对结果的影响。

环境温度43℃，冷凝器进风风速为5m/s且进风温度43摄氏度，电池进行1C的放电。本例中的控制策略非常简单（仅做示例用），即压缩机通过PI控制蒸发器出风目标温度3℃，当高压压力大于25bar时，降低压缩机转速至1000rpm，30s后再输出PI控制器的输出值。下图为电池包出口不同目标过热度时压缩机的转速。从图中可以看出压缩机开关频繁。目标过热度越大，流经电池包的流量越小，导致空调系统的压力越高，进而不断触发压力开关。

不同目标过热度下的压缩机转速

下图为电池包出口不同目标过热度时乘员舱的平均温度。从图中可以看出电池包的冷却对乘员舱温度造成了较为明显的影响。

不同目标过热度下的乘员舱平均温度

总结

本文介绍了直冷电池包不同的仿真方法，并推荐一种基于GT-SUITE的系统方仿真方案。该方法兼顾分辨率和计算成本，在保持电芯温度分辨率的同时，还可集成HVAC控制策略。

参考文献

[1]鲍文迪. 直冷式动力电池热管理性能分析[D].吉林大学,2019.

来源：艾迪捷

整车多天线耦合干扰仿真应用

01 摘要随着汽车智能化的推进，车载天线越来越多，整车多天线间的耦合干扰成为潜在风险，严重时影响电子设备的正常工作。所以我们希望在设计早期知道天线安装到整车上以后，各个电子设备天线间的耦合情况，从而预测天线间的相互干扰情况。Ansys HFSS是天线设计利器，现在HFSS集成了SBR+算法，它可以在保证速度和精度的前提下，求解电尺寸非常大的问题。SBR+算法是在SBR弹跳射线法基础上，考虑了物理绕射理论（PTD）、爬行波（CW）和一致性绕射理论（UTD）的加强算法，能快速精确仿真电大尺寸问题，用于天线安装性能预估的最好的射线追踪分析工具，它聚焦电大问题，可计算输出天线安装后辐射方向图、天线与天线间耦合、近远场分布等。所以Ansys SBR+广泛应用于天线与雷达集成、共址干扰、汽车雷达、天线罩、互联车辆、无线传感器等领域。下面以汽车后视镜与手机天线为例，来看看如何利用Ansys HFSS SBR+算法进行整车级多天线耦合仿真评估。02 仿真思路采用HFSS全三维电磁场仿真软件，先分别完成两个天线的设计仿真，然后新建HFSS SBR+仿真环境，导入汽车车体三维模型和天线3D Component模型，利用HFSS FEM和SBR+算法结合，保证计算结果精确性及高效率，仿真两个天线在整车级环境下的天线电磁耦合情况。03 仿真流程与结果3.1仿真流程 3.1.1 模型导入打开Ansys电子桌面，新建HFSS工程，并选择Solution Type为SBR+。导入第三方CAD建模工具已处理好的车体三维模型（导入前可根据仿真需求适当简化，或将CAD模型导入Ansys SCDM模型前处理工具进行简化处理，加快仿真效率）。图1 HFSS仿真模式选择图2 HFSS车体模型导入 3.1.2 导入天线或辐射源模型导入天线或辐射源模型，HFSS有多种处理方式。1、直接在该项目工作区建天线模型；2、可导入天线CAD模型，方法同上页车体模型导入方法；3、如在其他HFSS项目中的天线，可直接拷贝过来；4、将其他HFSS项目中的天线做成3D Component，并导入到该项目中；5、直接在该项目中激励源设置链接天线项目或其他辐射源数据；该项目采用方法4和5，导入天线3D Component和天线辐射远场数据，导入后模型如下图。图3 导入天线模型 3.1.3 车体边界条件仿真设置1、选中车体模型，并设置其材料属性为Perfect E；2、仿真激励源为导入的天线3D Component中的天线激励源；图4 车体边界条件设置 3.1.4 仿真参数设置1、Analysis Setup设置仿真频率要求；图5 仿真参数设置 3.1.5 仿真及后处理1、Validate check无问题后即可开始仿真；2、仿真完成后即可输出这两个天线在整车场景下的耦合关系数据。图6 天线耦合仿真结果图04 结论通过Ansys HFSS SBR+算法进行多天线干扰仿真，可以高效的预评估天线耦合关系，并由此对所设计产品进行优化改进，在物理原型机生产之前提前预判产品特性，大大减小后期测试风险和代价。来源：艾迪捷