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【数字前沿】仿真助力：Simcenter赋能锂电池实现便捷热管理！
发布时间：
2025-08-15
西门子Simcenter软件是一种多尺度和多物理场数字孪生产品组合，也是 Siemens Xcelerator 软件、硬件和服务业务平台的一部分。其被电池组制造商、原始设备制造商 (OEM)和供应商广泛应用于地面交通和重型设备、航空和电动垂直起降 (eVTOL)、船舶和储能系统等领域。
锂离子电池的最佳工作温度在20℃左右，过高或过低都会影响性能和寿命。低温会降低充放电效率并可能造成永久损伤，高温则会加速老化。为此，锂离子电池通常情况下都配备了内置温度调节系统进行温控，但极端情况下仍可能发生热失控风险，这种快速升温会传播到附近电池，导致电池组起火。虽大部分现代电池会采用阻燃材料、隔热设计等多重防护措施，但电池组大多依靠电池之间的物理屏障和排气孔来遏制散逸传播，而智能电池管理系统可及时发现过热情况，并在该问题扩散到其他电池之前采取措施进行隔离处理。
电池热管理系统（BTMS）设计需要在电池寿命、快速充电能力、车辆续航里程和安全性之间取得微妙平衡。西门子Simcenter软件是一种多尺度和多物理场数字孪生产品组合，也是 Siemens Xcelerator 软件、硬件和服务业务平台的一部分。其被电池组制造商、原始设备制造商 (OEM)和供应商广泛应用于地面交通和重型设备、航空和电动垂直起降 (eVTOL)、船舶和储能系统等领域。
电池性能表征
在进行任何热管理系统开发或热散逸相关仿真活动之前，首先一定要预测实际工作条件下的电池电热响应。为此，西门子通过 Simcenter Amesim软件提出了一种基于实验测试和模型参数识别的可靠解决方法。该方法分为以下几步：
· 自动生成测试协议以识别电池模型参数；
· 使用面向应用的工具识别电池模型参数（等效电路模型）；
· 逐步识别热散逸参数。
开发理想的热电池管理系统
电池热管理系统旨在使电池保持在理想温度范围内，而不受天气状况和充/放电周期影响。但与此同时，尤其是在需要充分提升续航里程的交通应用中，又要尽可能降低BTMS能耗。
因此，BTMS开发必须考虑以下四项要求：
· 电池寿命：电池热管理系统必须能够冷却和加热电池，使其保持理想温度，并限制电池组中电池之间和每个电池内部的温差（对叶片电池尤甚）。
· 快速充电：自加热不应过于明显。温度可以暂时接近但不应超过 45℃。在低温环境下，我们希望能够快速充电，因此需要预热。
· 车辆续航里程：在低温环境下，BTMS需要加热电池，但这需要能量，会导致车辆续航里程下降。因此，我们希望尽量减少该现象发生。
· 安全性：在电池组层面，BTMS应有助于减缓热散逸传播。
BTMS设计需要在电池寿命、快速充电能力、车辆续航里程和安全性之间取得微妙平衡。为此，用户可以使用Simcenter提供的数字孪生方法，其中包括：
· BTMS要求的定义：将快速系统级模型与由性能表征步骤生成的电池模型结合使用。通过模拟电池组在关键工作条件（快速充电、寒冷工作环境等）下的性能，该模型能够确定所需的冷却和加热性能。
· 热管理系统的开发：该开发需要进行复杂的权衡，其中涉及最大性能、能效和成本等。采用系统级方法可以研究各种系统组件（例如泵和压缩机、散热器、冷却器、控制阀等）的创新架构和尺寸。
· 电池组内部冷却架构的开发：无论使用何种技术（空气、含液体或制冷剂的冷板、浸没式等），都必须采用 3DCFD 方法正确优化电池组几何形状并计算电池热3D分布，以准确预测温度图。
· 系统和控制验证：电池及其热管理系统和控制逻辑的完整模型可用于虚拟验证。借助带有嵌入式人工智能的 Simcenter技术，该系统级模型可利用来自之前开发的3D电池组模型的数据，这样可以将高保真3D模型轻松转换为具有实时功能的系统级模型。简化的电池模型不仅比实时更快，还支持软件在环 (SIL) 和硬件在环 (HiL) 技术。
减缓热散逸传播
要有效控制电池热散逸传播，首先可从材料选择入手。LFP（磷酸铁锂）电池因其出色的热稳定性成为优选方案，即使在内部短路时也较难发生热失控，但其能量密度不及NMC系列电池。
其次，在电池组结构设计上，也可采取多重防护措施来阻断热量传播。通过使用耐高温隔热材料分隔电芯、优化散热片布局以及设置智能泄压装置，可以构建多道安全防线。其中，相变材料和隔热层的应用能有效延缓热扩散速度，而合理的泄压设计则能及时释放内部压力，避免连锁反应的发生。这些结构优化需要综合考虑防护效果与空间利用率之间的平衡。
此外，现代仿真技术为电池热管理设计提供了高效验证手段。借助Simcenter STAR-CCM+等专业工具，工程师可以准确模拟热失控过程，将实验数据与虚拟测试相结合，快速评估不同设计方案的有效性。这种数字化研发方法不仅能缩短开发周期，还能通过多物理场仿真全面预测电池在各种极端工况下的安全表现。
Simcenter仿真驱动 护航电池安全
保持理想温度对锂离子电池的性能和寿命至关重要。BTMS的开发需在电池寿命、快充能力、续航里程及安全性之间寻求平衡，同时应对自身技术挑战。Simcenter产品组合通过数字孪生与多尺度仿真方法，助力实现定量的电池性能表征、系统化热管理及针对性的热失控缓解策略。其工具可预测真实工况下的电池行为，优化热管理以平衡能耗与性能，并通过敏捷仿真提升安全性，从而协同优化电池寿命、快充、续航与安全，推动电动汽车技术与可持续交通的发展。
关键词：
PLM | ALM | iMerge | NX | MOM | Simcenter
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