如何仿真电池热行为并设计电池热管理系统？

电池热管理系统通过调节电池的温度条件来保持电池安全高效地运行。

高电池温度会加速电池老化并带来安全风险，而低温度会导致电池容量下降和充电/放电性能减弱。

电池热管理系统通过在电池过热时散热或过冷时供热来控制电池的工作温度。

工程师会使用主动、被动或混合热传递解决方案来调节这些系统的电池温度。主动解决方案通常通过风扇或泵推动工作流体（如空气、水或其他液体）来降低或提高电池温度。

在被动解决方案中，导热材料做成的散热片或管道会从电池中带走热量。混合解决方案兼具主动和被动解决方案的关键设计特征。

创建仿真热传递过程的电池散热软件模型可以帮助工程师分析设计参数的权衡、评估性能和实现控制算法。

工程师可以使用 MATLAB 和 Simulink 设计能够确保电池组在各种工况下安全地提供最优性能的电池热管理系统，。



在 Simulink 中对新的和老化的锂离子电池组模型执行热分析，以从功率、性能和封装角度设计满足寿命终止 (EOL) 时间保修标准的电池组。

使用 MATLAB 和 Simulink，您能够：

对电池的详细热行为进行建模

使用各种工作流体（包括气体、液体和相变冷却剂）构建冷却/制热系统模型

通过建模和仿真执行组件选择和组件选型

使用不同组件参数探索设计空间并优化电池热管理系统性能

仿真极端温度条件以针对“假设”场景进行设计

设计温度调节的监督控制逻辑和闭环控制策略

进行案例研究以评估不同设计方案的热影响

通过减少使用生产电池硬件执行高成本、耗时的测试来降低成本

为电池热管理控制自动生成生产就绪的嵌入式代码并符合行业标准

捕获电池热行为

使用 Simscape 和 Simscape Battery，您可以从电芯级别开始创建模型，然后添加环境温度影响、热界面材料和冷却板连接来创建更具代表性的模型。

通过定义到环境、冷却剂和冷却板位置的热路径，您可以从电池到电池、电池到板和电池到环境的角度考虑热传递。

Simscape Battery 提供支持不同流配置的预置冷却板模块，包括并行通道、U 形矩形通道和边缘冷却。



Simscape Battery 中的并行通道模块（左），Simscape Battery 中的 U 形通道模块（中），Simscape Battery 中的边缘冷却模块（右） 将这些冷却板离散化为各个元素可以很好地捕获电池和冷却剂流之间的动态交互产生的温度分布。 电池组级热模型可通过将电池组合成具有热效应的模块并将模块排列在电池组内来构建。

Simscape 内置的电池组模型使用反映实际系统并可以随着电池数量的增加而扩展的电气和热网络。您可以对不同老化程度的电池组执行热性能分析，以满足寿命终止 (EOL) 时的保修标准。



使用 Simscape 中的热元素库对单个电芯进行详细的一维热建模



使用 Simscape Battery 为电池模块定义冷却剂热路径



将冷却板连接到电池模块和并联电芯

冷却/加热系统建模

您可以使用 Simscape 和 Simscape Fluids 中气体、液体和热效应领域的模块对主动、被动或混合冷却/加热解决方案进行建模。您还可以通过绘制示意图来放置管道、阀门、热交换器和流体箱，从而探索冷却/制热系统的架构。对于液体回路系统，您可以对以下各项进行建模：存放储备流体的扩展流体箱；在电芯附近引导工作流体的冷板；具有泵、流路径和阀门的电机驱动循环系统；以及不同类型的热交换器，例如有线加热器或散热器。

在创建冷却/加热系统模型后，您可以运行仿真，通过探索组件选型和系统参数来细化设计，以及满足散热和功耗等要求。



使用 Simulink 和 Simscape 创建的电动汽车 (EV) 电池的主动液体回路冷却/加热系统模型

设计电池热管理的控制功能

Simulink 让您可以轻松设计闭环控制功能。该功能结合前馈和 PID 方法来实现循环系统控制，例如进料流（阀门）控制、质量流量（泵）控制和热交换路径选择控制。使用 Simscape Battery，您可以通过预置的模块（例如电池冷却剂控制和电池加热器控制）来构建电池热管理控制算法。您还可以使用 Stateflow 根据环境温度和电池温度设计用于在不同工作模式（例如加热和冷却）之间切换的监督控制逻辑。



冷却剂控制系统的 Simulink 模型，该控制系统根据电芯之间的温度以及环境温度计算流速

生成代码并执行硬件在环 (HIL) 测试

使用 Embedded Coder 和 HDL Coder，您可以自动生成可读的、优化的 C/C++ 或 HDL 代码，用于在嵌入式微控制器或 FPGA/SoC 目标上部署电池热管理系统软件。

您还可以为被控对象模型生成代码，并执行硬件在环 (HIL) 测试。Simscape Battery 包括可充当电池和电池监督电路之间接口的模块。

通过将这些模块与实时硬件结合使用，您可以将电池仿真连接到现实世界的电池平衡硬件。电池系统的 HIL 测试支持您用实时机器来测试电池热管理系统，从而取代耗时且高成本的硬件测试。

这可以降低在危险的测试条件下损坏电池硬件的风险，让您可以在各种工况（包括极端温度、恶劣工作条件和故障）下测试电池热管理系统。







审核编辑：刘清