使用 Simcenter STAR-CCM+ 和 Simcenter Battery Design Studio 帮助研究机构交付更加安全高效的锂离子电池组

开发更好的热管理系统

锂离子 (Li-ion) 电池的使用将电动汽车变为现实，我们可以在不远的未来看到人们普遍接受电动出行。然而，由于热管理系统 (TMS) 故障频出以及粗暴驾驶的泛滥，电动汽车中的锂离子电池已发生过多起着火事故。这凸显了找出新方法以高效准确地设计 TMS，从而控制温度并优化锂离子电池性能的重要性。

为解决这些难题，印度班加罗尔的三星研发研究院与韩国的三星先进技术研究所展开合作，并在近期提出了一种基于冷却液的新型 TMS，它尤为适合大型锂离子电池组。他们为建议的电池组构建了耦合的 3D 电化学/热模型。仿真显示，接触热阻对电池组的热性能影响最大。

计算流体动力学的作用

考虑到电池组内电芯周围流体的三维性质以及发热过程中涉及的空间变化，使用计算流体力学 (CFD) 对电池组进行仿真的做法已成为解决热管理问题的有效设计和优化手段。

大型电池组可在高放电率下运行，通常用于电动汽车 (EV) 和混合动力电动汽车 (HEV)。CFD 研究表明，对于大型电池组而言，液冷的效率高于气冷，可支持更加紧凑且高效的电池设计。

电池组几何形状和实验设置

在图 1 所示的锂离子电池组中，使用了可商用的 18650 电芯 Li-NCA/C 电池。由高传导性金属制成的元件将热从圆柱电芯传递到冷却液通道，并最终传递到冷却液（在本例中为水）。制成的测试电池组包含 30 个电芯，其中串联使用 6 个电芯，并联使用 5 个电芯（见图 1）。

3D CFD 模型

构造基于 3D CFD 的电池电化学模型后，可以根据实验结果验证模型，然后使用模型对不同运行条件下的 TMS 性能进行仿真和评估，从而获得完整的发热特性。

该项目使用了两款 Siemens Digital Industries Software 产品：Simcenter STAR-CCM+® 软件和 Simcenter Battery Design Studio™ 软件。Simcenter STAR-CCM+ 用于对流体和共轭传热进行仿真，Simcenter Battery Design Studio 则用于获取电化学输入数据。该软件组合用于对电池组的性能进行仿真。

根据单个电芯精确预测温度

3D TMS 模型用于计算典型电池组的性能。计算发现，最热电芯和最冷电芯之间的平均温差仅为 0.5 开氏度 (°K)。当观察到温度上升呈现的明显规律时，作者意识到，适当定义的温度系数仅根据一个电芯的温度就能预测其他电芯的温度。

冷却液流率是关键

在电动汽车中，TMS 的运行电力来自于从电池中提取的能量。降低 TMS 的能量需求会降低其对电池的消耗，从而优化冷却液流率，这一点至关重要。Simcenter STAR-CCM+ 模型表明，冷却液流速越低，电池组中存储的热量越多，这意味着流速越低，传递到冷却液的热量越少。

在大多数电池组中，流向方向的最大温度变化限制为 3 °K。实验模型很容易就达到了 3 °K 限制，即使在低流速下也可以有效地冷却电池组。

石墨烯是一种新颖但昂贵的材料，紧凑型 TMS 中就使用了此类材料。根据使用石墨烯作为基于相变材料 (PCM) 的热管理系统的研究文献以及图 2 中的结果，在使用实验 TMS 的电池组中，其温度上升与研究文献中报告的温度上升处于同一等级。虽然此类基于 PCM 的 TMS 比较紧凑，但该新型 TMS 不需要使用这些新型材料，因此可以降低生产成本。

结语

借助使用 Simcenter STAR-CCM+ 和 Simcenter Battery Design Studio 创建的基于 CFD 的 TMS 功能模型，根据实验验证模型并使准确度超过 90%，实现了仿真结果和实验测量结果的一致。对使用对称性总电池组构造的典型电池组及 TMS 进行了成功的仿真以降低计算成本。

TMS 可在严苛条件下安全高效地工作，是适用于电动汽车大型锂离子电池组的理想候选方案。