010-82938771
ANSYS IGBT建模與系統(tǒng)設計解決方案
前言
新型電子電力器件IGBT (絕緣柵雙極型晶體管)是世界公認的電力電子第三次技術革命的代表性產品，具有高頻率、高電壓、大電流，特別是易于開通和關斷的優(yōu)良性能特點，目前已經在各種變流器應用中占有統(tǒng)治地位，是未來功率器件的主流發(fā)展方向。
近年來隨著智能電網(wǎng)、電動汽車、高速鐵路、家電產品、工業(yè)控制和風力、光伏發(fā)電等領域的快速發(fā)展，IGBT器件市場需求不斷擴大。國內龐大的市場基礎、潛在的電力電子裝備關鍵器件完全依靠進口的風險和國家產業(yè)升級共同推動了本土IGBT芯片設計、模塊封裝的技術進步和創(chuàng)新。
由于IGBT模塊的電氣性能、熱性能、機械特性、壽命和可靠性基本上取決于芯片性能、材料性能、封裝設計和生產工藝，要設計高性能的IGBT模塊，除了引進或開發(fā)高性能的芯片、采用更好的材料，引進或改進生產工藝外，還需要對IGBT封裝進行全面設計，包括：布局設計、結構設計、散熱設計和材料選型等，解決IGBT模塊電、磁、熱、機械等多物理域中設計問題。
ANSYS IGBT封裝設計解決方案
針對國內外IGBT封裝設計的技術需求，ANSYS提出了全面的設計解決方案，以Workbench為電磁、熱、結構、流體多物理域耦合設計平臺，以Simplorer為器件特征化建模、開關特性測試、變流電路設計及傳導干擾分析平臺，通過單/雙向的多物理域耦合技術和魯棒性設計，器件與系統(tǒng)的降價模型和協(xié)同仿真接口，高效解決IGBT封裝設計所面臨的、多物理域耦合設計和高精度器件與電路、系統(tǒng)設計問題。
ANSYS無縫集成的IGBT封裝設計解決方案
ANSYS IGBT封裝設計解決方案的典型應用
2 IGBT特征化建模和開關特性測試
IGBT封裝設計和變流器設計用戶都會面臨一個問題，即如何在設計階段精確考慮IGBT開關特性對變流電路及系統(tǒng)性能的影響。這就需要對IGBT進行精確建模，從而評估其對系統(tǒng)的影響。ANSYS解決方案可根據(jù)供貨商提供的datasheet實現(xiàn)特征化IGBT建模（包含各種特征參數(shù)和特性曲線），并可一鍵生成IGBT的半橋測試電路和系統(tǒng)仿真模型，高效解決IGBT開關特性測試和系統(tǒng)性能分析問題。
基于Simplorer的IGBT特征化電氣、熱特性建模
Simplorer一鍵輸出IGBT半橋測試電路
2 IGBT寄生參數(shù)提取及系統(tǒng)性能分析
IGBT封裝設計和部分變流器設計用戶都關注一個問題，那就是傳導路徑的寄生參數(shù)對IGBT開關特性和系統(tǒng)性能的影響，這就需要對IGBT封裝進行三維建模，通過電磁場仿真，提取其寄生參數(shù)并集成到系統(tǒng)設計中。ANSYS解決方案可直接導入IGBT封裝的CAD模型，自動進行模型處理、自適應網(wǎng)格剖分和傳導網(wǎng)絡辨識，并通過電磁場求解輸出其原始或降價RLCG矩陣，通過動態(tài)鏈接集成到變流電路或系統(tǒng)設計中，精確分析其開關特性和傳導干擾對系統(tǒng)性能的影響。
基于Q3D的IGBT寄生參數(shù)提取
Simplorer逆變電路設計（集成IGBT特征化模型，Q3D母排、IGBT寄生參數(shù)模型）
Simplorer電機控制系統(tǒng)設計和傳導干擾分析（集成Q3D母排、IGBT、電纜寄生參數(shù)，Maxwell電機協(xié)同仿真模型和Simulink協(xié)同仿真算法）
2 IGBT電磁性能分析和傳導路徑優(yōu)化
IGBT封裝設計和部分變流器設計用戶還關注一個問題，那就是IGBT傳遞額定或過大電流（例如：短路）時的電磁特性，包括：電流密度分布、空間磁場分布、損耗分布、均流特性等。ANSYS解決方案可直接導入IGBT封裝的CAD模型，自動進行模型處理和自適應網(wǎng)格剖分，并通過靜態(tài)或瞬態(tài)電磁場分析，精確評估IGBT在各種正常或故障工況電流激勵下的電磁性能，包括：瞬態(tài)電流、損耗、電磁力曲線等，不同激勵時刻的電流、損耗、電磁力分布等，有助于均流設計、傳導路徑優(yōu)化，熱設計、結構設計等。
基于Maxwell的IGBT電磁特性分析（均流、損耗分布等）
2 IGBT多物理域耦合特性分析
IGBT封裝設計和部分變流器設計用戶還需要考慮多物理域耦合設計問題，因為IGBT傳遞額定或過大電流（例如：短路）時可能會產生不均勻分布的電磁損耗和電磁力，可能導致局部點過熱或應力形變過大，從而導致IGBT失效或損壞。ANSYS解決方案可輕松解決單/雙向的電磁與熱、電磁與結構、熱與結構、電磁與流體等多物理域耦合分析問題，即：直接映射靜態(tài)或瞬態(tài)電磁分析的損耗密度分布到熱求解器，分析其溫升，可進一步考慮溫升對導體電導率和電磁性能的影響；直接映射熱分析的溫度分布到結構求解器，或直接映射電磁分析的電磁力密度分布到結構求解器，分析其應力與形變，可進一步考慮其形變對電磁、熱分析的影響；直接映射靜態(tài)或瞬態(tài)電磁分析的損耗密度分布到流體求解器，精確分析其在各種散熱條件下的溫升，可進一步考慮溫升對關鍵部件材料屬性和電磁性能的影響等。
基于Workbench平臺的電磁、熱、結構單/雙向耦合設計流程
基于Maxwell和Mechanical的IGBT電磁、熱、結構耦合分析
基于Maxwell和Mechanical的母排電磁、熱、應力耦合設計
2 IGBT熱模型提取及系統(tǒng)性能分析
部分IGBT封裝設計和變流器設計用戶可能需要考慮IGBT封裝散熱系統(tǒng)設計、熱性能分析及其熱模型對變流系統(tǒng)性能的影響。ANSYS解決方案可便捷地實現(xiàn)IGBT封裝散熱系統(tǒng)建模，考慮功率損耗、風扇、散熱片等作用下系統(tǒng)的熱性能，并可直接提取其熱模型，用于變流電路或系統(tǒng)設計，分析IGBT在各種正常或故障開關損耗作用下的熱性能和系統(tǒng)電氣性能。對于更為復雜的高功率IGBT封裝或變流器散熱系統(tǒng)，ANSYS解決方案中更專業(yè)的流體分析工具Fluent也可解決熱性能分析、熱模型提取問題，甚至還可以和變流系統(tǒng)實現(xiàn)協(xié)同仿真。
基于Icepak的IGBT封裝熱模型提取
基于Simplorer的逆變系統(tǒng)設計（集成Icepak IGBT封裝熱模型）
2 IGBT輻射干擾分析
部分IGBT封裝設計和變流器設計用戶可能還需要考慮IGBT工作時的電磁功率對系統(tǒng)的輻射影響。由于高功率IGBT通常工作在幾千或幾十千赫茲，其開通/關斷時將產生大量的諧波，尤其是在考慮了IGBT、母排、電纜等寄生參數(shù)影響時。這些諧波將導致更高頻率的開關損耗，由于IGBT功率較高，因而需要考慮可能導致輻射的高頻諧波信號影響。ANSYS解決方案可直接輸出Simplorer變流系統(tǒng)中IGBT的電磁功率瞬態(tài)曲線，通過FFT分析可得到其頻譜，將關注頻率下的電磁功率導入HFSS，即可分析該IGBT信號所導致的空間電磁輻射干擾，將該輻射干擾作為源再導入HFSS， 即可仿真IGBT電磁輻射對整機性能的影響。
基于HFSS的IGBT封裝輻射干擾分析
基于HFSS場鏈接的IGBT輻射干擾源對整車系統(tǒng)的電磁干擾分析
熱失控，是指蓄電池電流和內部溫升發(fā)生一種累積的互相增強的作用而導致蓄電池損壞的現(xiàn)象。狹義的熱失控，其主體指的是單體電芯；廣義的熱失控，其主體指的是PACK。
引起動力鋰電池熱失控的因素主要有外部短路、外部高溫和內部短路。
外部短路：實際車輛運行中發(fā)生危險的概率極低，一是整車系統(tǒng)裝配有熔斷絲和電池管理系統(tǒng)BMS，二是電池能承受短時間的大電流沖擊。極限情況下，短路點越過整車熔斷器，同時BMS失效，較長時間的外部短路一般會導致電路中的連接薄弱點燒毀，很少導致電池發(fā)生熱失控事件?，F(xiàn)在，比較多的PACK企業(yè)采用了回路中加裝熔斷絲的做法，更能有效的避免外短路引發(fā)的危害。
外部高溫：由于鋰離子電池結構的特性，高溫下SEI膜、電解液、EC等會發(fā)生分解反應，電解液的分解物還會與正極、負極發(fā)生反應，電芯隔膜將融化分解，多種反應導致大量熱量的產生。隔膜融化導致內部短路，電能量的釋放又增大了熱量的生產。這種累積的互相增強的破壞作用，其后果是導致電芯防爆膜破裂，電解液噴出，發(fā)生燃燒起火。
值得注意的是，三元系電池相比磷酸鐵鋰電池，正極材料易發(fā)生分解反應，釋氧。更加快速的發(fā)生熱失控。以鈷酸鋰為例（如下），達到一定溫度時，正極瞬時分解釋氧，氧氣與溶劑發(fā)生氧化反應產生大量氣體和熱量，導致快速發(fā)生熱失控，極易燃燒。
SEI膜的分解反應(～100℃)：(CH2OCO2Li) 2 → Li2CO3 + C2H4↑+ CO2↑+ 1/2O2↑
電液的分解反應(～150℃)：LiPF6 → LiF + PF5(Lewis酸)
C4H8O3 (EMC) + PF5 → C2H5OCOOPF4 + HF + C2H4↑
C4H8O3 (EMC) + PF5 → C2H5OCOOPF4 + C2H5F ↑
2C2H5OCOOPF4 → 2PF3O+ HF+ C2H5F ↑ + 2CO2↑+ C3H6↑
LiPF6很不穩(wěn)定，在加熱或較高溫度下就會分解。而PF5是呈強Lewis酸的高活性物質，其能使碳酸酯類溶劑熱穩(wěn)定性降低，并與之反應，在分解的氣體產物中，CH3CH2F是該反應的特征產物。
Li0.5CoO2的分解反應(～180℃)
Li0.5CoO2 → 1/2LiCoO2 + 1/6Co3O4 + 1/6O2↑
Co3O4 → 3 CoO+ 1/2 O2↑
電液的氧化反應(～180℃)
5/2O2+C3H4O3 (EC) → 3CO2↑+2H2O ↑
4O2+C4H6O3 (PC) → 4CO2↑+ 3H2O ↑
9/2O2+C4H8O3 (EMC) → 4CO2↑+ 4H2O↑
總氧化反應(以EC為例)
Li0.5CoO2 +1/10C3H4O3 (EC) → 1/2LiCoO2 +1/2CoO+3/10 CO2↑+1/5H2O ↑
結論：O2與溶劑發(fā)生氧化反應是大量氣體的重要來源，同時也是熱量的重要來源。
磷酸鐵鋰的橄欖石結構帶來的是高溫穩(wěn)定性。在熱失控的化學反應中，在電解液噴出前大量發(fā)生的是分解反應，而非氧化反應，產氣較少且慢，這正是磷酸鐵鋰相對安全的原理。磷酸鐵鋰相對安全，但并不意味著磷酸鐵鋰不發(fā)生熱失控，不發(fā)生燃燒，近期的電動客車燃燒事故充分證明了這點。磷酸鐵鋰燃燒的主要原因是，熱失控導致防爆膜破裂，繼而電解液噴出。在此時高溫的環(huán)境中，快速達到電解液的燃點，電解液燃燒，繼而引燃電芯包裹材料等其他可燃物，進而加劇熱量的散發(fā)，導致其他電芯發(fā)生熱失控連鎖反應。錳酸鋰的尖晶石結構具有同樣的穩(wěn)定性，也屬于相對安全的正極材料。
內部短路：由于電池的濫用，如過充過放導致的支晶、電池生產過程中的雜質灰塵等，將惡化生長刺穿隔膜，產生微短路，電能量的釋放導致溫升，溫升帶來的材料化學反應又擴大了短路路徑，形成了更大的短路電流。形成了累積的互相增強的破壞，導致熱失控。下面以鈷酸鋰電芯為例，簡述一個典型熱失控的過程。
A：準備階段，電池處于滿電狀態(tài)；
B：內短路發(fā)生，大電流通過短路點，而產生熱量，并通過LiC6熱擴散，達到SEI膜分解溫度，SEI膜開始分解，放出少量CO2和C2H4 ，殼體輕微鼓脹，隨著短路位置的不斷放電，電池溫度的不斷上升，電液中鏈狀溶劑開始分解、LiC6與電液也開始反應放熱，伴隨著C2H5F 、C3H6和C3H8產生，但反應較慢，放熱量均較??；（此過程用時約2秒）
C：隨著放電的進行，短路位置溫度繼續(xù)升高，隔膜局部收縮熔化，短路位置擴大，溫度進一步升高，當內部溫度達到Li0.5CoO2的分解溫度時，正極瞬時分解，并釋放O2，后者與電液瞬間反應，放出大量熱量，同時放出大量CO2氣體，造成電池內壓增大，如果壓力足夠大，沖破電池殼體——電池爆炸；（此過程用時約1秒）
D：如殼體炸開，極片散落，溫度不會繼續(xù)升高，反應終止；但如殼體只開裂，極片沒有散落，這時LiC6繼續(xù)與電液反應，溫度會繼續(xù)升高，但升溫速率下降，由于反應速率較慢，所以可以維持較長時間；（此過程用時約8秒）
E：當電池內部反應的產熱速率小于散熱速率時，電池開始降溫，直至內部反應完畢。
需要說明的是，大多數(shù)電池火災，首先是內短路引發(fā)的，其熱量和溫度對相鄰電池形成了“外部高溫環(huán)境”，引發(fā)相鄰電池熱失控，導致整個PACK的連鎖反應。
單電池內部短路溫度分布
單電池內部短路電離密度分布
ANSYS電機設計流程
案例
直流無刷電機
單相感應電機
永磁直流電機
概述
隨著資源的日益匱乏和人們環(huán)保意識的普遍提高,新能源汽車的開發(fā)越來越受到重視。新能源汽車的核心技術是電機、電池和電控三大塊。其中,在電機驅動方面,永磁同步輪轂電機以其高功率密度、高轉矩密度的特性在新能源汽車領域擁有很大的研究和發(fā)展前景。然而受安裝空間及工作環(huán)境的限制散熱條件卻較差，發(fā)熱與散熱是輪轂電機必須面臨的兩大難題。
輪轂電機定義
傳統(tǒng)電動汽車的傳動方案是把電機的輸出扭矩通過變速器和差速器等傳遞到車輪。
傳統(tǒng)電動汽車傳動方案
輪轂電機的技術就是將電機裝在輪轂內，不經過任何機械結構的傳遞，直接驅動車輪。就是這么簡單粗暴！
輪轂電機爆炸圖
輪轂電機優(yōu)點
輪轂電機通過把電機集成在輪轂內，高度集成化，具有以下優(yōu)點：
高效率
傳統(tǒng)的傳動系統(tǒng)由于結構的復雜性，每一級傳動都有傳動效率的損失，總體傳動效率的損失還是很大的。而輪轂電機直接驅動車輪，避免了傳遞路徑上效率的損失，可以提升效率，節(jié)省能量。數(shù)據(jù)顯示，相對于傳統(tǒng)的傳動系統(tǒng)來說，輪轂電機可以提高8%~15%左右的效率。
對于電動汽車來說，效率的提升可以進一步增加續(xù)航里程?；蛘弑３掷m(xù)航里程不變，電池么，就做小一點。另外，雖然輪轂電機比普通輪轂要重不少，但是對整車來說，還是減重很多的。對于電動汽車來說，減重意味著續(xù)航能力的增加，就可以把電池做的再小一點了。
空間布置
由于高度集成化，省去了中間一大坨傳動機構，可以節(jié)省前艙的布置空間，以及四驅車輛的后排座椅的凸起，乘客可以享受更大的車內空間。上面那一坨變速箱就不需要了，前艙秒變行李艙不是夢。后驅車后地板上的“迷之突起”消失，啪啪啪更方便。
方便控制
由于電機直接驅動車輪，MCU（電機控制器）只需要一個簡單的指令就可以直接控制車輪的轉速和扭矩（而且精度非常高），可以很容易的實現(xiàn)非常復雜的控制。比如可以通過左右輪不同轉速甚至反向旋轉來實現(xiàn)差動轉向，可以大大減小車輛的轉向半徑，甚至可以實現(xiàn)原地轉向（不過對輪胎的磨損比較大）。另外，對于裝備有四輪輪轂電機的車輛，可以更容易實現(xiàn)更高水平的制動能量回收利用率。理論上，如果輪轂電機扭矩足夠大，可以回收100%制動能量，只是受限于電池組的充電功率。
成本
理論上，由于節(jié)省了復雜的傳動機構，機構更簡單，零件更少，整車成本會下降。但是目前由于輪轂電機產業(yè)化還遠遠不夠，而且技術被少數(shù)公司壟斷，輪轂電機成本還居高不下。不過隨著輪轂電機前景被各大車企看好，一步步實現(xiàn)產業(yè)化，這部分優(yōu)勢會逐漸體現(xiàn)出來。
模塊化
由于輪轂電機的高集成度，輪轂電機理論上只與車輪大小有關，所以更容易模塊化，避免重復開發(fā)，可以縮短新車型的開發(fā)周期和開發(fā)費用。
輪轂電機的缺點和挑戰(zhàn)
輪轂電機也存在一些缺點，遇到一些挑戰(zhàn)。
簧下質量增加
簧下質量的增加對操控性能的影響，主要體現(xiàn)在：
顛簸路況時懸架的響應會變慢
輪轂轉量增加使加速響應慢
對于第1點，普通家用轎車不太敏感，對于更高級別的車輛，可以通過優(yōu)化懸架結構來改善。至于說的第2點，電機本身的低轉高扭特性可以彌補這一點。
防震防水防塵的挑戰(zhàn)
由于電機內置在輪轂里，工作環(huán)境要惡劣的多，而電機本身比較嬌貴，所以對于防水防塵防震設計要求就很高。
冷卻/散熱的挑戰(zhàn)
之所以要散熱，一是因為本身電機工作會產生熱量，二是機械制動時會產生大量熱量。
輪輞造型對風阻系數(shù)影響示意圖
一般車輛的輪輞考慮散熱，輪輻之間空擋較大（見下圖）。
普通車輪的輪輞造型
BMW i3輪輞造型
奔馳IAA概念車輪輞造型
由于輪轂電機具有高效率，高集成度的優(yōu)點，與新能源汽車十分契合，在新能源汽車領域有非常好的發(fā)展前景。不過，由于輪轂電機增加了簧下質量，會影響車輛的操控性能，此外，還有很多防水防塵防震和散熱的挑戰(zhàn)需要克服。
總之，由于輪轂電機還沒有大規(guī)模量產，成本居高不下，推廣普及還需要一定時間。對于傳統(tǒng)車企來說，一直以來的傳統(tǒng)是，傳動歸傳動，驅動歸驅動，底盤歸底盤，分屬不同的部分，涇渭分明。一旦普及，傳動系統(tǒng)將取消，驅動和底盤將深度融合在一起，對于傳統(tǒng)車企的組織架構是一個非常大的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)車企想要推動這個變革，其決心不亞于壯士斷腕。
面對多變的世界，悠久的歷史和龐大的規(guī)模對于傳統(tǒng)車企來說，是一個負擔。是時候擺脫束縛、輕裝上陣了。
案例
三維溫度場仿真的目的是盡可能準確地對電機不同運行狀態(tài)下的溫升情況進行預測，然后根據(jù)仿真結果反過來對電機設計進行指導。需要強調的是溫度場精確求解與很多因素有關，其中比較重要的環(huán)節(jié)包括仿真模型求解域選擇、邊界條件設置、數(shù)值計算模型確定、材料屬性設置、熱源加載等。
仿真模型確定
輪轂電機溫度場采用 ANSYS WORKBENCH 的溫度場模塊進行求解分析，結果的好壞與建立的仿真模型密切相關，一個好的模型從選取求解域及計算模
型到設置邊界條件都有嚴格的要求。
求解域的選擇
輪轂電機體積較大且結構復雜，假如用全模型仿真，將占用大量計算機內存，花費大量時間，不利于做分析研究。為此，采用簡化的單槽模型，即按均分法只對單個槽及其所覆蓋的電機部件進行溫度場分析，該模型含有熱源、散熱途徑等全電機所具有的一切計算熱的條件，能真實反映全電機溫度分布，仿真模型如下圖所示。 模型內容豐富，包括外機殼、內機殼、定子、槽絕緣、環(huán)氧樹脂、繞組、定轉子間氣隙、轉子、永磁體及軸；槽內繞組采用分層等效模型；定轉子間氣隙采用靜止高導熱系數(shù)空氣的等效模型；優(yōu)點是結構簡單，計算量小。
邊界條件設置
輪轂電機溫度場仿真需要設置的邊界條件主要有兩種：絕熱邊界條件和對流邊界條件。單槽熱模型雖只取電機的一部分，但卻反映了電機內熱量從軸到機殼傳遞的過程，全電機的溫度分布可認為是多個相同的單槽模型組合后的情況，假如是全電機模型，將其按槽數(shù)平均分成多個單槽模型，由于各單槽模型的溫度分布一樣，相互之間沒有熱量交換，因此對于單槽模型周向中心斷面均為絕緣面，應賦絕緣邊界條件，如圖下圖所示；此外軸向電機各部件端面與空氣接觸，非強制對流的空氣散熱能力有限，可認為是絕熱的，但繞組端部與周圍各部件溫度差異較大存在自然對流散熱，因此軸向除繞組端部外均應設置為絕熱邊界條件。
水冷輪轂電機的熱量主要通過對流散熱的方式帶走，對流邊界設置是仿真的關鍵，模型中水路、機殼、繞組端部均有對流散熱情況存在，這些面應設置成散熱面，賦對流邊界條件。
材料熱性能對電機穩(wěn)態(tài)溫升的影響
從材料熱性能角度來說，電機穩(wěn)態(tài)溫升主要與材料的導熱系數(shù)有關，對于本模型受溫度影響導熱系數(shù)變化較大的材料有水、鋁、銅、45 號鋼。 水的熱參數(shù)隨溫度變化對電機溫升的影響，主要靠改變散熱系數(shù)實現(xiàn)的，為此采用流體軟件fluent對其影響進行仿真。入水溫度為 90℃，水路散熱系數(shù)在考慮溫度變化對水的熱物理性質造成影響及不考慮的條件下，仿真結果如圖下圖所示。
將fluent求的散熱系數(shù)作為對流邊界條件賦在 ANSYS WORKBENCH 的溫度模塊里，完成在所有材料熱參數(shù)隨溫度變化的條件下對電機溫升影響的分析，仿真結果如圖下圖所示。
ANSYS新能源電池包散熱仿真解決方案
在國家政策的大力扶持下，新能源汽車這些年得到了蓬勃的發(fā)展。作為新能源汽車的核心零部件，電池包的性能對整車性能的影響是非常大的，因此在研發(fā)階段，各整車和零部件生產商對電池包的仿真分析都非常關注，而電池包熱分析是其中很重要的一環(huán)。
一般情況下，電池包是由幾百甚至幾千個單體電池組成，CFD建模時往往會生成超過千萬的網(wǎng)格，如果按照傳統(tǒng)的CFD方法進行瞬態(tài)熱分析，計算量是非常大的，不滿足實際應用中對分析效率的要求?；谶@一點考慮，ANSYS根據(jù)CFD熱分析的特點，采用降階處理的方式建立熱分析等效模型完成瞬態(tài)熱分析，大大提高了分析效率。
1、LTI ROM
如果只關注電池放電過程中監(jiān)測點溫度、單體平均溫度或出口溫度等單個物理量的瞬態(tài)響應特性，可以采用LTI（Linear Time Invariant） ROM降階模型來進行熱分析，大概的分析流程如圖1所示：
圖1 LTI ROM流程
1.1. 建立CFD模型
這一步和傳統(tǒng)的CFD熱分析過程是一樣的，根據(jù)實際的邊界條件建立完整的CFD分析模型，并且計算出在不考慮電池發(fā)熱情況下的流場穩(wěn)態(tài)結果。
1.2. 生成系統(tǒng)的階躍響應
熱問題實際上是一個熱系統(tǒng)的響應問題，分析的是不同工況下輸出量（所關注的溫度）對輸入量（電池熱源）響應。
這一步是要得到某個工況下電池包熱系統(tǒng)的響應。
在上一步模型基礎上給定階躍輸入（設定電池一個固定發(fā)熱量）進行瞬態(tài)熱分析，記錄輸出量的階躍響應（就是在Fluent的monitor中保存相應的.out文件），當輸出量不再隨時間明顯變化時結束瞬態(tài)分析。
1.3. 使用Simplorer生成LTI ROM
ANSYS在系統(tǒng)仿真軟件Simplorer中開發(fā)了專門用于生成LTI ROM的工具（如圖2），使用該工具可以根據(jù)上一步的階躍響應文件（.out文件）自動生成LTI ROM，生成的ROM（圖3）與原系統(tǒng)具有同樣的系統(tǒng)響應特性，這樣ROM就可以得出與原系統(tǒng)等效的分析結果。
在此例中，ROM的輸入端是電池模塊中16個電池的發(fā)熱量，輸出端是16個電池的平均溫度。實際案例中，輸入端和輸出端的數(shù)量都是可以根據(jù)實際情況來設定的。
圖2 LTI ROM萃取工具
圖3 在Simplorer中生成的LTI ROM
1.4. 在Simplorer中完成仿真
生成LIT ROM之后，就可以在ROM中（圖3的左邊端口）給定任意工況下電池的發(fā)熱特性（圖4），得到各個電池的平均溫度隨時間變化的結果。
在Simplorer中只需要經過幾秒就可以得到一個新工況的仿真結果，即使加上前邊3個步驟，計算時間也一般不會超過1個小時，遠遠小于傳統(tǒng)CFD瞬態(tài)分析在多核并行情況下幾個小時甚至幾十個小時的計算量。同時，從圖5可以看到，由于LTI ROM與原電池包熱系統(tǒng)具有相同的響應特性，降階處理之后的分析結果與CFD分析結果完全一致，計算精度上不會有任何損失。
圖4 電池任意工況（發(fā)熱量隨時間的變化曲線）
圖5 CFD瞬態(tài)分析結果（實線）和ROM分析結果的對比（點線）
2、SVD ROM
LTI ROM可以得到任意電池任意工況下各關注點溫度隨時間變化的結果，比如任意監(jiān)測點溫度、單體電池的平均溫度或出口平均溫度等，但無法得到電池包溫度場隨時間變化的可視化化效果。
要生成溫度變化的可視化效果，需要用到另一種降階處理方法：SVD (Singular Value Decomposition) ROM。
SVD ROM的分析過程（圖6）和LTI ROM過程是類似的，需要通過Simplorer中的SVD ROM萃取工具生成ROM，不同的是SVD ROM在過程中保存的是溫度場的響應數(shù)據(jù)，而最后需要在Fluent中通過后處理生成溫度變化的動畫（圖7）。
圖6 SVD ROM流程
圖7 電池包溫度變化動畫
3、ECM
由以上介紹可以看出，LTI ROM和SVD ROM都需要給定電池的熱源特性才能得到相應的分析結果，這樣就會有兩個問題：
a) 電池的熱源特性是通過試驗測試得到的，某些情況下可能會由于條件限制而無法獲得該數(shù)據(jù)；
b) 電池的放電過程受溫度影響，因此電池放電發(fā)熱導致溫度升高，這樣又會反過來影響電池放電，如果直接指定電池的熱源就無法考慮溫度反饋帶來的影響。
因此，ANSYS采用現(xiàn)已成熟的電池等效電路模型（ECM）來模擬電池的放電過程，通過ECM與ROM耦合的方式來解決前邊提到的兩個問題。
和ROM工具一樣，ANSYS在Simplorer開發(fā)了專門用于生成ECM的工具，大概流程如圖8所示。
圖8 ECM建模流程
3.1. 獲取電池充放電曲線
需要通過試驗測定單體電池的兩組特性曲線數(shù)據(jù)：
a) 開路電勢 vs SOC曲線（open circuit potential vs SOC (state of charge) ）
b) 脈沖放電情況下的瞬態(tài)電勢（transient potential under pulse discharge）
3.2. 生成ECM
這個和ROM生成過程一致，基于上一步的試驗數(shù)據(jù)，在Simplorer中使用專門的ECM萃取工具生成單體電池的ECM模型。
3.3. 搭建電池包電路模型
根據(jù)實際情況，將單體電池ECM模型通過串聯(lián)或并聯(lián)的方式搭建電池包的電路模型，其中還可以加入電機、電阻負載等電路元件。
3.4. 在Simplorer完成電池包電路仿真
模型搭建完成之后就可以在Simplorer中進行電池包電路系統(tǒng)的仿真分析，得到各種電池特性曲線，其中電池的熱耗散可以作為CFD分析的熱源輸入數(shù)值，用于與ROM的耦合分析。
4、完整的電池包熱分析模型
由以上介紹可知，ANSYS是在Simplorer這一個平臺中創(chuàng)建了LIT ROM、SVD ROM和ECM三個模型，在這基礎之上，就可以搭建如圖9所示的完整電池包熱分析模型。
在這一個ECM和ROM耦合的模型中，ECM計算電池熱源的熱耗散并把數(shù)據(jù)傳遞給兩個ROM，其中LTI ROM計算出電池的平均溫度并把此溫度反饋回ECM，這樣就可以考慮溫度對電池放電的影響，而SVD ROM則計算并保存了整個溫度場分布隨時間變化的過程。
從圖10可以看出傳統(tǒng)CFD分析方法和降階處理方法在計算時間上的差別，按傳統(tǒng)CFD分析方法進行瞬態(tài)分析在單核計算情況下需要約5個小時，而降階處理方法僅僅需要耗費幾秒鐘，即使加上生成ROM的時間也不超過半小時。而且在實際應用中，模型越大，這種時間上的差距就越大。
圖9完整的電池包熱分析模型（ECM和ROM耦合）
圖10 對比數(shù)據(jù)
5、總結
熱分析是電池包設計中比較重要的問題，而電池包瞬態(tài)熱分析的計算量比較大，不滿足實際應用中對分析效率的要求。ANSYS采用降階處理的方式，通過LTI ROM、SVD ROM與ECM耦合方法搭建了完整的電池包熱分析模型，從結果可以看出，這種方法不僅保證了與傳統(tǒng)CFD分析方法一樣的精度，還大大縮短了計算時間，提高了實際用于中的分析效率。
動力電池作為新能源汽車的核心部件，其使用性能和壽命嚴重影響著其產業(yè)的發(fā)展。鋰離子電池以其體積小、比能量高、循環(huán)壽命長、環(huán)境污染小和安全性高等優(yōu)點成為電動汽年的首選電源。其超高的能量密度雖然可以緩解續(xù)航里程短的缺點，但由于動力電池發(fā)熱帶來的安全問題卻非常嚴重，各大動力電池生產企業(yè)都在竭力尋找解決此問題的捷徑，有限元仿真技術便是捷徑之一。仿真技術作為智能研發(fā)必不可少的一種使能工具，應用范圍非常廣泛，可以說“無處不在”。
按照SAE J2464標準進行電池電池組的CAE仿真
跌落分析
目標:按照SAE J2464標準進行電池電池組的跌落分析
工具:顯式動力學模塊
網(wǎng)格 & 接觸:避免使用金字塔網(wǎng)格，保證網(wǎng)格可以用于所有類型的分析
可能破環(huán)的接觸位置定義為超過150MPa后自動分離
載荷 & 邊界條件:電池從2米高以45度角跌落 ?為節(jié)省分析時間，定義接觸前的跌落速度作為初始載荷
結果:套件的上下位置分離
自重作用下的變形分析
目標:分析支撐底座在電池自身重量作用下的變形情況
載荷:重力
約束:固定電池底座的安裝位置
結果:電池頂部有較大的位移 ?應力在許可范圍內，最大應力出現(xiàn)在最大應變位置相對的支撐位置
預緊力作用下的振動模態(tài)分析
目標:分析電池部件在預緊力下的振動模態(tài)
分析設置:由于隨機振動載荷高達190 Hz，分析中需要考慮1.5倍范圍，因此分析頻率高達250Hz
約束:由于分析預緊力下的工況，因此約束是由靜力學分析獲得
結果:提取了32階模態(tài) ?80%的質量分布在三個方向，隨機振動模擬的精度足夠
熱分析
目標:對電池模塊進行熱應力分析
載荷：熱載荷由MAXWELL進行電磁場分析獲得 ?電池模塊固定在底面上
結果:分析熱應力和變形是否導致部件的失效
燃料電池（Fuel Cell，F(xiàn)C）是一種以電化學反應方式將燃料（氫氣）與氧化劑（空氣）的化學能轉變?yōu)殡娔艿哪芰哭D換裝置。
燃料電池內部熱平衡與燃料電池的性能、壽命和安全緊密相關，其熱管理本質是對傳熱進行控制以保持電堆內的溫度，而熱管理控制策略將決定其控制目標效果最優(yōu)。
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