新能源热管理仿真干货：一维分析实战分享

对于电动汽车而言，如何精确控制电池温度是电池热管理系统设计的重要指标。过高或者过低的温度均会对电池产生不良影响：过高的电池温度会缩短电池寿命，过低的电池温度会降低电池活性，电池无法快速充放电。

在进行电池设计时，无法避免的两个课题是：电池温度是否合理，电芯温差是否合理。为了解决这两个问题，首先需要分析电池本身的结构设计是否合理，如水冷板结构、电池模组布置方案，然后进行外围系统的设计，这时需要考虑电池包所需要的冷却液流量和冷却液温度，进而进行热管理系统设计，比如换热器规格、空调系统设计等。除此之外，还需要对系统组件和控制策略进行优化，从而实现最佳的产品设计，降低热管理系统功耗。

同时一辆好的电池车必须关注乘员舱空调舒适度，也就是空调系统，即在夏天和冬天情况下能否满足乘客加热和冷却需要，必然从电池包消耗能量或从争夺能量，属于整个系统各个子系统匹配问题，需要通过一维仿真软件搭建一维模型，对相关参数进行计算和匹配，制定相应的控制策略，同时满足电池包、乘员舱及其他系统冷却或加热的需求。

首先看一下电池包热管理工程师、整车热管理工程师、控制工程师所关注热管理关键问题。电池包热管理工程师：如何满足电池温度要求？如何控制温度均匀性？如何平衡压降与温差？冷却液进口条件如何设定？

整车热管理工程师：如何满足电池包冷却介质进口条件需求？如何预估动态工况下的发热量？如何设计整车热管理架构，以平衡多种需求？如何优化热管理系统自身的能耗？

控制工程师：低温起动策略？Sox计算的参考温度点选取？热失控预警？环境控制及能量管理策略？

3D仿真VS 1D仿真

液冷系统传热简介

一般情况下，在进行仿真建模时需了解液冷系统的传热路径，掌握每条传热路径主要传热方式。在1D建模时，同样根据传热路径来进行一维建模，相对于三维仿真，一维更多是物理模型参数输入，需全面掌握传热相关理论知识，明白每个物理量所代表物理含义及过程。

1D建模简介

以Amesim一维仿真软件为例，简单介绍一维仿真软件建模流程。下图对应为电池包内电芯3D和1D建模，3D仿真中对电芯进行网格划分，1D仿真中对电芯进行离散，设置材料属性。首先实验数据，通过等效电路模型对电芯进行标定，建立电芯一维仿真，然后建立模组到PACK级别的电芯模型。

1D电池包模型

根据电池包模型建立1D模型，定义不同材料属性，建立液冷管道、液冷板与电芯的热传导、电芯与液冷板的基础热阻模型。1D电池包建模过程主要用到Amesim中热库（Thermal）、热液压库（Thermal Hydraulic）、电存储库（Electric Storage）、信号控制库（Signal、Control）。
 

超级元器件布置

Amesim中可以将不同的模块进行封装，保留输入输出端口与其他部分进行信号传输，使得仿真模型结构方便。

3D与1D仿真结果对标

通过1D仿真结果与3D仿真结果进行对标，同时可以得出在不同工况下（NEDC）电池温度曲线、电池输出功率。此外，搭建电池包1D模型与整车其他模块系统模型，得出整车系统能量管理参数。
 

本文介绍了电池热管理系统中3D和1D协同仿真的工作流程。同时，一维和三维可以进行联合仿真，将三维仿真某些计算结果或者一维仿真计算结果作为一维仿真（三维仿真）建模的输入。在1D仿真前期阶段，需要花费更多时间来校准1D模型以减少其模拟误差。一旦建立一维模型，就可以在各种瞬态或循环条件下快速获得仿真结果，这可以大大提高仿真效率。此外，可以通过与外部系统仿真来模拟和优化控制策略。

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