電動車電池
隨著移動和運輸系統的電氣化程度越來越高， 電動車電池 的設計和熱管理已經成為原始設備製造商和系統供應商的首要考量，他們希望在產品中提供頂級的安全性能，而電池的熱量生成與熱失控特性，則是影響電動車使用體驗與安全性的關鍵因素。
本篇內容將介紹基於MSC的多物理場分析技術，包括一維系統工具Elements和三維CFD熱流工具Cradle CFD，並針對新能源電池行業面臨的挑戰，提出電池熱失控的分析解決方案，並通過實例進行詳細說明。
認識MSCOne：Cradle CFD
Cradle CFD 作為多物理場計算流體動力學的高效工具，可以顯著提升設計、研究與製造的效率和生產力，以MSCOne的方式使用，更添加了許多彈性與整合。為了確保鋰電池達到最佳性能、安全性與使用壽命，鋰電池必須在特定的溫度範圍內運行。因此，電池系統的熱管理顯得尤為重要。此外，在模擬中對實際電池單元進行真實物理建模的成本非常高，這也對設計提出了不小的挑戰。
Cradle CFD 為電池熱管理提供了兩種模型選擇：RC模型和P2D模型。
電池的RC模型
RC模型提供了一種快速且準確的電池建模方法，是基於等效電路模型（Equivalent Circuit Model）的一種簡化方式，不需要對電池的物理細節進行精確建模。
核心原理：
RC模型利用簡單的電路元件，如電阻（R）和電容（C）的組合，來模擬電池的工作狀態及響應特性。
- 開路電壓（OCV）：作為模型中的基礎電壓來源，反映了電池在穩態下的電壓特性。
- 電阻和電容組合：多個電阻與電容串並聯組成的網絡，用來模擬電池的瞬態響應和熱行為。
優點：
- 快速建模：不需深入了解電池內部的物理結構，只需參數化特性即可建立模型。
- 準確預測：能有效地模擬電池在不同工況下的輸入與輸出功率，以及隨時間的熱生成響應。
- 成本低廉：相較於多物理場仿真，RC模型的計算資源需求更低，適合進行大規模熱管理分析。
適用範圍：
RC模型特別適合需要快速預測電池性能的應用場景，如電動車動力電池模擬、大規模電池模組的熱管理設計以及初步方案驗證等。
電池的P2D模型
P2D模型（Pseudo-2D Model，擬二維模型）是一種基於物理方程的精細化電池建模方法，專注於模擬電池內部微觀尺度上的行為。
核心原理：
P2D模型結合了一系列物理方程，模擬電池內部的物理和化學過程，包括：
- 固體中的電荷守恆方程：描述鋰離子在電極顆粒內部的傳輸行為。
- 液體中的電荷守恆方程：模擬電解液中離子的遷移和分佈。
- Butler-Volmer方程：計算電化學反應動力學，模擬電流密度與過電位的關係。
- 固體中的擴散方程：模擬鋰離子在固體電極中的擴散過程。
- 液體中的擴散方程：模擬鋰離子在電解液中的擴散行為。
特點與優勢：
- 高精度：基於物理和化學機制，能夠精確預測電池內部的微觀狀態，包括鋰濃度分佈和電場特性。
- 全方位分析：可模擬電池的充電速率、輸出電壓、熱量生成等多項性能指標。
- 微觀解析：適用於研究電池內部材料行為和設計細節，幫助優化電池性能。
適用場景：
P2D模型特別適合需要高精度模擬的應用，例如：
- 新型電池材料的設計與開發。
- 鋰離子電池內部機制的深入研究。
- 高性能電池單元的精密熱管理和結構優化。
挑戰：
由於涉及多個複雜方程，P2D模型的計算成本較高，通常需要更多的計算資源和時間，適合用於精細化研究或高性能設計的後期階段。
認識MSCOne：Elements
Elements 是一款專為 1D 系統模擬設計的軟體，內建多學科元件庫，是一個功能強大的跨領域模擬工具，透過 Elements使用者能輕鬆建立高精度、多領域的模擬模型，快速進行設計方案分析，評估系統性能以及方案的可行性。
Elements 採用直觀的拖放式建模連接方式，讓多領域元件的建模變得更簡單，它涵蓋多種學科，使用者可以在單一軟體中建立複雜的跨領域模型，輕鬆解決機械、電氣、熱力、液壓、氣動等多種因素引起的系統級問題。
Elements 受益於海克斯康的 SmartFMU 技術，可以與其他海克斯康產品（如 Adams、Cradle、Easy5 等）無縫互聯。同時，Elements 也支援傳統 FMU 功能，其介面對非海克斯康工具完全開放。Elements 提供強大的模擬分析能力，能應用於機器人、能源、包裝與物流、汽車、航太、重型機械等領域的系統整合分析。
熱失控分析
針對熱失控的模擬挑戰，主要問題如下：
- 熱失控是一個隨溫度升高而加速的過程，會釋放大量能量，進一步升高溫度。
- 若單個電池過熱，可能導致熔毀擴散，最終破壞整個電池組。
- 提早檢測熱失控非常重要。
本文針對上述問題，使用MSCOne，結合 Elements 與 Cradle CFD 的耦合模擬，提出解決熱失控模擬分析的方法。
透過 FMI 連接策略，電池模型的系統級建模使用 Elements，熱模擬則採用 Cradle CFD 的 scFLOW。Elements 根據 scFLOW 計算出的每個電池的溫度，動態計算其發熱量，並將每個電池的發熱量實時傳遞給 scFLOW，這種即時耦合方式，有效分析整個電池包在熱失控過程中的行為。
新能源電力電子系統的小型化對於溫控提出了更高的要求，主要挑戰包括以下幾點：
- 高功率與小型化設計的熱管理
隨著功率的提高和尺寸的縮小，必須進行有效的熱管理以應對高熱密度，確保系統穩定運行。 - 印刷電路板溫度分布評估
精確估算印刷電路板的溫度分布，並考慮元件由多種材料構成的特性，以防止過熱導致的元件故障。 - 冷卻方法研究
探討風扇、散熱器、水套等冷卻設備的有效性，找到最適合系統需求的解決方案，以提高散熱效率。 - 水套冷卻效率與壓力損失評估
在設計水套時，需評估其冷卻效率，同時考慮壓力損失，以及變速箱和變速器的熱效應對整體系統的影響。
這些挑戰要求針對性地採用先進的模擬與分析工具，以實現高效的熱管理和可靠的系統運行。
MSCOne：Cradle CFD可以做到的事：
- PICLS 簡單快速地評估印刷電路板的熱設計
PICLS 提供了一種高效且直觀的工具，用於快速驗證印刷電路板的熱設計效果，幫助工程師節省設計時間。 - Cradle CFD 高效分析電子設備
Cradle CFD 無需繁瑣的 CAD 模型清理，內建實用的熱設計零件，並且具有良好的操作性，大幅提升電子設備熱設計分析的便利性。 - 模擬電力電子設備的溫度分布
Cradle CFD 可以精準模擬電力電子設備（例如 IGBT 模塊）的溫度分布，確保設備運行在最佳溫度範圍內，提升性能與可靠性。 - 評估冷卻能力
Cradle CFD 可分析熱流，幫助評估風扇、散熱器或水套等冷卻設備的效能，提供更優化的冷卻設計方案。 - 揭示熱路徑與瓶頸
Cradle CFD 能清楚地揭示電力電子設備的熱傳路徑，幫助工程師快速定位熱流的瓶頸，改善熱管理設計。
文章擷取於 https://mp.weixin.qq.com/s/4lP-vs-LRVPMFnobGoUCyg
MSC 開發 MSCOne 集結了最先進的分析軟體，使用 Token ，您可以更彈性地探索無限可能，不再局限於單一軟體，各領域的整合與同步進行已經是現在的趨勢。
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