储能和动力电池热管理仿真策略控制和多面冷却仿真方法

作者 | level 仿真秀优秀讲师

首发 | 仿真秀App

导读：在全球电动化、智能化加速的新形势下，我国新能源汽车与动力电池产业飞速发展，并通过不断创新取得了举世瞩目的成就。工程师们通过工艺创新实现高效率智能制造；通过材料创新对下一代正极、负极、隔膜、电解液等关键材料进行技术攻关；通过结构创新大幅提高电池系统体积利用率，提升系统能量密度和制造效率……

专家表述，掌握设计仿真技术将是我国锂电产业未来发展的一个重要目标。占据正向设计仿真技术这一产业发展的制高点，将有利于推动我国锂电产业从依靠制造优势转变为依靠技术创新优势的发展方式。

自6月8日起，仿真秀《2023动力电池和储能系统设计仿真系列讲座》将围绕储能系统、动力电池结构分析、热仿真和优化、电化学体系和热失控给用户带来7场设计仿真技术讲座。其中6月29日19时30分我们将迎来了《动力电池/储能热管理仿真策略控制和多面冷却仿真方法》专家报告,详情见后文。以下是正文：

一、动力电池热管理仿真策略控制

随着新能源产业的发展，人们对电池包的安全性和充放电性能要求越来越高，电池包向着高能量密度和大倍率充电的方向发展。为了更精确的评估电池热管理性能，热管理的工况越来越复杂，如何把复杂的工况条件转化为仿真输入的边界条件是热管理仿真工程师的一个巨大的挑战，目前基础的软件设置已经满足不了常规的热管理工况，需要结合软件的函数控制和简单编程语言才能实现。

传统的仿真边界条件比较简单，如1C充电，充电时间3600s，电芯的发热量还是测试平均值，或者为测试几个点电芯的发热量，整个过程基本不设置控制，随着技术的发展，现在仿真的工况越来越贴近实际的客户使用情况，这也导致热管理仿真工况越来越复杂，工况的数据越来多，如下做了一些分类：

1、工况复杂性

（1）恒功率放电，需要引入电芯的OCV曲线，计算得到实时恒率放电电流

（2）按照map充放电，电流随着温度和SOC变化，实时的电流曲线在二维矩阵表插值计算得到

（3）电芯发热DCR实时随着温度和SOC变化，依据电芯dcr的map表得到实时的电芯的充放电过程中的dcr值。

（4）工况计算如SOC20%-SOC80%中SOC值更新，通过实时的（I*t+……）/额定容量计算soc变化

2、停止策略的复杂性

（1）充电至某一SOC停止

（2）放电至某一SOC停止

（3）低温加热至NTC最小温度到某一温度停止

（4）低温保温至NTC最小温度到某一温度停止

3、液冷策略的复杂性

（1）温度大于32℃开启液冷，小于29℃关闭液冷，开启或者关闭液冷系统时，需要减小计算时间步长，保证收敛性

（2）加热膜加热，温度低于15开始加热，大于25℃关闭加热

（3）冷却系统进口为制冷功率，需要转化为进口温度边界

（4）冷却系统进口制冷功率随着进口温度变化，同时流量也是随着进口温度变化

（5）循环工况恒功率放电至soc20%+MAP充电至soc90%，按这个充放电方式循环3次。

4.判定条件的多样性

（1）NTC最大值 温度达到ntc最大值停止，并保存文件

（2）NTC最小值 温度达到ntc最小值停止，并保存文件

（3）NTC平均温度

（4）NTC温差

（5）电芯的平均温 dcr取值随着ntc温度变化去插值件

下面为带入策略的通过仿真得到的曲线

二、多面冷却仿真方法应用篇

随着客户对于新能源车充电时间要求和安全性的要求越来越高，热管理设计受到了极大的挑战，新的热管理技术的研发显得十分的重要。宁德时代发布的麒麟电池实现4C快充，在多面冷却和大倍率快充的背景下，传统的仿真方法还能满足目前的仿真精度吗？

对电池进行了解剖分析，从图中能够看到电池内部由两个电芯构成，因此电芯与电池壳的面接触较差，因此热阻较大，所以结果显而易见了。

麒麟电池将传统的底部的液冷系统置于电芯中间，使得换热面积扩大四倍。电芯大面冷却将电芯控温时间缩短一半，达到5分钟快速热启动及10分钟快充（10-80%），在极端的情况下，如发生热失控情况下，电芯可快速降温，有效阻隔电芯间的异常热量传导。同时水冷效果明显提升，提高了安全性和快充性能。

通过上面的分析，得到大面冷却的优势：冷却面积大，换热面积扩大4倍，冷却效率高，5分钟快速热启动及10分钟快充，集成度高。

底部冷却的痛点：电芯本身热阻大，采用液冷冷却/加热响应较慢，电芯底部面积小，和冷板换热面积小 。

下面从仿真的手段的去分析大面冷却和底部冷却的效果

仿真基于1p24s的模组进行验证，底部冷却模组的冷却系统采用8个并列回路冷却回路，侧面冷却的采用两个电芯中间夹一个口琴管液冷板，冷板内流道采用U性回路设计，进口流量0.16kg/s，进口水温15℃，充电电流按照电芯的充电map进行充电，电芯的发热量按照dcr的map进行计算并修正进行仿真。详细结果分析我们直播见。

底部冷却的云图上也可以明显看出底部冷却模组的进出口端的温差较大，另外图中有个电芯的极柱温度异常是由于建模时和电芯未接触。图中的温度监测点是模组电芯的平均温度随时间变化的曲线。

侧面冷却的云图上电芯的总体的温度较均匀，可以看出由于电芯厚度方向导热系数较大，最高温不会出现在远离电芯的一侧，同时图中的温度监测点是模组电芯的平均温度随时间变化的曲线。

三、我的公开课

为了更好地帮助大家更好理解以上文章，6月29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五期讲座将邀请笔者分享《动力电池/储能热管理仿真策略控制和多面冷却仿真方法》报告。内容涵盖动力电池、储能热管理原理和行业内仿真方法；动力电池热管理策略分析（SOC计算、热管理启停策略、电芯热源随soc和温度变化）；还有多面冷却和大倍率快充下电池热管理仿真面临的挑战和产品案例展示等。

审核编辑：汤梓红