基于机器学习Cradle CFD电池热失控仿真与储能设备热管理仿真

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作者优秀: 优秀教师/意见领袖/博士学历/特邀专家/独家讲师
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导读：随着移动和运输系统的电气化程度不断提高，电池设计和热管理日益成为原始设备制造商和系统供应商高度优先考虑的领域，希望在其产品中提供一流的安全性。而电池的生热和热失控热性是影响电动汽车使用和安全性的重要条件。

7月13日19时30分仿真秀2023动力电池和储能系统设计仿真系列讲座第七期讲座将邀请笔者分享《基于Cradle CFD的电池热失控仿真与储能设备热管理仿真》报告。介绍基于MSC的多物理场仿真，即一维仿真工具Elements和三维CFD仿真工具CradleCFD，针对新能源电池行业面临的挑战：对电池中的热失控的仿真解决方案，通过实例介绍热失控仿真分析。详情见后文。

一、认识Cradle CFD

Cradle CFD是作为多物理场计算流体动力学计算的有效工具，可以提升您的设计、研究和制造生产力。

为了保证锂电池的最佳性能、安全性和使用寿命，锂电池必须在特定的温度范围内工作。因此，电池系统的热管理至关重要。此外，在模拟中对实际电池单元进行真实物理建模的成本非常高。

Cradle CFD针对电池热管理提供了两种模型，一种是RC模型，另一种是P2D模型。

二、电池的RC模型

RC模型提供了一种快速且准确的电池建模方法。通过使用等效电路模型（Equivalent Circuit Model）可以建立电池模型，等效电路模型即所谓的RC模型，这种方法不需要对电池的物理细节建模。它通过组合简单的电路元件来近似电池的工作状态及响应。通过采用开路电压(OCV)并连接多个电阻和电容器的组合，可以有效预测实际电池随时间的输入和输出功率以及热生成响应。

三、电池的P2D模型

该模型基于物理方程，如固体中的电荷守恒方程、液体中的电荷守恒方程、Butler-Volmer方程、固体中的扩散方程和液体中的扩散方程，计算电池内部微观尺度上的锂浓度分布和电场。因此，您可以更精确地预测电池单元的行为，包括电池充电率、输出电压和发热量。

四、Elements介绍

Elements是一款1D系统仿真软件，涵盖了多学科的元件库，是一个多学科的系统仿真工具。通过Elements软件，用户可以快速创建高保真度、多领域的仿真模型。用户可以快速分析设计方案，评估系统性能以及方案的可行性。

图 Elements软件界面

Elements采用直观的拖-放建模连接方式，使多领域部件的建模变得更加简单，并且其覆盖丰富的学科，用户可以在单一软件模型中完成复杂多学科的模型创建，以解决机械、电气、热力、液压、气动以及其他因素引起的系统级问题。

Elements得益于海克斯康的技术-SmartFMU,可以与其他Hexagon产品（如Adams、Cradle、Easy5等）友好的互联，同时，Elements也支持传统FMU功能，接口也向非海克斯康工具开放。Elements提供强大的仿真分析能力，支持机器人、能源、包装与物流、汽车、航空航天、重型机械等领域的系统集成分析。

五、热失控分析

对于热失控而言，其仿真挑战如下：热失控仿真分析

（1）热失控描述了一个因温度升高而加速的过程，进而释放能量，进一步提高温度。

（2）如果一个电池过热，熔毁将扩散，并将持续到整个电池组被摧毁。

（3）热失控的早期检测很重要。

本文针对上述问题，结合Elements和CradleCFD的耦合仿真解决热失控的仿真分析。耦合采用FMI连接策略，电池模型的系统级建模采用elements，而热仿真采用Cradle CFd的scflow，elements基于scFLOW计算的每个电池温度计算发热量，并把每一个电池的发热量实时传递给scflow，由此实时耦合方式分析整个电池包的热失控。