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：

1. 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。
2. 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。
3. 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：

1. 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。
2. 液體中的電荷守恆方程：模擬電解液中離子的遷移和分佈。
3. 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。
4. 固體中的擴散方程：模擬鋰離子在固體電極中的擴散過程。
5. 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：

1. 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。
2. 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。
3. 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：

1. 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。
2. 若單個電池過熱，可能導致熔毀擴散，最終破壞整個電池組。
3. 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：

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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：

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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

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這篇文章 電動車電池 安全性與效能 – MSCOne 最早出現於 星恆科技有限公司。