通用汽車電動(dòng)汽車電池生產(chǎn)

自20世紀(jì)90年代初期作為商用技術(shù)推出以來，鋰電池就逐漸成為便攜式電子產(chǎn)品和電動(dòng)汽車市場(chǎng)中最受歡迎的可充電能量存儲(chǔ)設(shè)備。包含電極的輕量型鋰化合物和其它類型的電池相比，能實(shí)現(xiàn)更高的比能（瓦特-小時(shí)/千克）。少量電池單元對(duì)手機(jī)或筆記本電腦來說或許夠用，但是要想驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車，就必須將成百上千個(gè)電池單元連接在一起，作為大得多的電池組系統(tǒng)供應(yīng)電力。

24單元電池模塊的ANSYSSimplorer模型，由12個(gè)雙單元電池單位構(gòu)成，具有自動(dòng)電氣連接和熱連接

24單元電池模塊的ANSYSSimplorer預(yù)測(cè)結(jié)果（藍(lán)線）和使用US06駕駛方式測(cè)量得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（紅線）進(jìn)行比較，包括：電池組總電壓a)，單元荷電狀態(tài)b)，平均單元溫度c)，以及電池組熱生成d)。

汽車制造商及其供應(yīng)商在美國(guó)能源部(DOE)汽車技術(shù)辦公室的支持下共同努力，旨在進(jìn)一步提高電動(dòng)汽車(EV)電池的比能，同時(shí)減小電池系統(tǒng)的總體尺寸和重量，并保持安全工作條件，從而攻克EVEverywhere（電動(dòng)汽車普及藍(lán)圖）中提出的多項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。EVEverywhere中的宏大目標(biāo)包括在2022年以前將能源成本降低至125美元/千瓦時(shí)，因此，利用仿真工具設(shè)計(jì)電池系統(tǒng)并精確預(yù)測(cè)性能就成為研發(fā)戰(zhàn)略中的關(guān)鍵一環(huán)。

從2012年開始，通用汽車公司領(lǐng)導(dǎo)的一支團(tuán)隊(duì)參和由DOE國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室管理的一個(gè)項(xiàng)目，即電動(dòng)汽車電池計(jì)算機(jī)輔助工程(CAEBAT)項(xiàng)目。該團(tuán)隊(duì)由GM研究人員和工程師、ANSYS軟件開發(fā)人員和應(yīng)用工程師以及ESimLLC的員工組成。GMCAEBAT項(xiàng)目的目標(biāo)之一就是開發(fā)電池組設(shè)計(jì)工具，包括利用和擴(kuò)展系統(tǒng)級(jí)仿真套件的功能。

電池組分析

汽車電池組可能包含數(shù)百甚至數(shù)千個(gè)單元，這些單元表現(xiàn)出緊密耦合的電化學(xué)和熱行為，因此，一個(gè)重要挑戰(zhàn)是保持最佳的系統(tǒng)工作條件范圍，以最大程度地減少材料降解和容量損失。從汽車OEM廠商的角度來說，使整個(gè)電池組保持在25攝氏度至35攝氏度（77F至95F）的溫度范圍關(guān)于系統(tǒng)可靠性而言至關(guān)重要。由于周圍環(huán)境溫度可達(dá)到-40攝氏度至50攝氏度（-40F至122F），因此每個(gè)單元的溫度均勻性要由專用的熱管理系統(tǒng)來維持。因此，為電池組設(shè)計(jì)高效穩(wěn)健的冷卻系統(tǒng)關(guān)于電動(dòng)汽車制造商而言是一項(xiàng)很重要的工程任務(wù)。

為了分析電池組的耦合電化學(xué)和熱傳遞特性，要根據(jù)整個(gè)電池單元系統(tǒng)的空間分辨率進(jìn)行預(yù)測(cè)。然而，這樣的信息可能只有通過資源密集型和極為耗時(shí)的全場(chǎng)仿真才能獲得，但當(dāng)汽車開發(fā)周期比較緊張時(shí)這種方法往往不切實(shí)際。此外，工程師必須捕捉各種駕駛方式（例如EPA的US06周期，即代表采用多種緊急變速的攻擊性駕駛行為）下影響電池組載荷的瞬態(tài)條件。當(dāng)不必使用全場(chǎng)數(shù)據(jù)時(shí)，ANSYSSimplorer實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)級(jí)方法就非常行之有效。汽車工程師要快速完成設(shè)計(jì)迭代，以評(píng)估潛在的冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。

電池單位模型系統(tǒng)

為解決上述設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，GM的研究人員在Simplorer中對(duì)完整電池組域進(jìn)行拆分，以創(chuàng)建電池單位模型的表達(dá)。單位模型是一個(gè)或多個(gè)電池單元和相鄰冷卻通道的組合。研究團(tuán)隊(duì)使用現(xiàn)成的Simplorer組件來表示內(nèi)部電阻、電容以及電氣和熱行為源，根據(jù)電路和熱傳遞建模的理論和相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式創(chuàng)建多個(gè)不同單位模型。完成后，將這些電池單位方便地存儲(chǔ)在Simplorer用戶庫(kù)中，方便電池組設(shè)計(jì)師今后使用。

在電池組中，獨(dú)立單元通過電線并聯(lián)以構(gòu)成單元組，單元組用電線串聯(lián)以構(gòu)成模塊。為了能夠自動(dòng)復(fù)制電池單位、單元組和模塊，并連接在一起構(gòu)成電池組，CAEBAT團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種用Python編寫的、對(duì)Simplorer用戶界面的擴(kuò)展程序，這樣只要求輸入幾個(gè)整數(shù)值就能指定電池組配置。在定位、走線和分層布局完成后，Simplorer擴(kuò)展程序會(huì)添加用VHDL-AMS建模語(yǔ)言編寫的定制組件來代表冷卻劑歧管，以及表示駕駛方式的瞬態(tài)載荷。然后，電池組設(shè)計(jì)人員可以改變電池組中任何獨(dú)立單位的參數(shù)，以分析可能的熱散逸，或者將其替換為用戶庫(kù)中的其它電池單位，以考慮多種單元至單元制造方法的影響。這種自動(dòng)化和靈活性的結(jié)合使CAEBAT團(tuán)隊(duì)能夠評(píng)估多種電池組配置方法，考慮冷卻器流動(dòng)速率的不同特點(diǎn)，并預(yù)測(cè)對(duì)駕駛方式（例如US06）的熱和電氣響應(yīng)。

ANSYSSimplorer電池單位模型實(shí)例，包含六參數(shù)電路模型（上）和代表一個(gè)電池單元和冷卻通道的熱模型（下）

驗(yàn)證和后續(xù)工作

GM的研究人員將24單元電池參考模塊的Simplorer模型和實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較，從而對(duì)系統(tǒng)級(jí)的方法進(jìn)行驗(yàn)證。在GM電池單位模型中，一個(gè)六參數(shù)的電路子模型和一個(gè)熱循環(huán)子模型耦合在一起。Simplorer中所得到的電池組總電壓、荷電狀態(tài)和每個(gè)單元平均溫度的預(yù)測(cè)值緊緊跟隨通過實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)觀察到的變化趨勢(shì)。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，CAEBAT團(tuán)隊(duì)合作伙伴正在研究這種系統(tǒng)級(jí)仿真方法的增強(qiáng)功能。其中包括，新增電池壽命建模功能以預(yù)測(cè)長(zhǎng)期使用后電池單元的容量衰減；并可將Simplorer電池組模型中所選的電池單位替換為全3DANSYSFluent單元模型以及降階模型，以便更詳細(xì)檢查獨(dú)立電池單元。通過系統(tǒng)級(jí)方法獲得的信息關(guān)于GM來說特別重要，便于其針對(duì)多個(gè)問題進(jìn)行權(quán)衡分析，例如空氣冷卻和液體冷卻的選擇，電池形狀，或者電池管理系統(tǒng)控制邏輯的影響，這些問題必須在構(gòu)建昂貴的原型硬件之前加以解決。將這種仿真方法引入開發(fā)過程，有助于指導(dǎo)總體的電池組設(shè)計(jì)方向，支持汽車制造商達(dá)到DOE的計(jì)劃目標(biāo)，并滿足不斷上升的電動(dòng)汽車消費(fèi)市場(chǎng)的需求。

采用穩(wěn)態(tài)液體冷卻的GM24單元模塊原型設(shè)計(jì)，可用于試驗(yàn)驗(yàn)證