鋰離子（Li-ion）電池的使用將電動汽車變?yōu)楝F(xiàn)實仰冠，我們可以在不遠的未來看到人們普遍接受電動出行蜕依。然而典勇，由于熱管理系統(tǒng)（TMS）故障頻出以及粗暴駕駛的泛濫劫哼，電動汽車中的鋰離子電池已發(fā)生過多起著火事故叮趴。這凸顯了找出新方法以高效準確地設(shè)計TMS，從而控制溫度并優(yōu)化鋰離子電池性能的重要性沦偎。

為解決這些難題模博，印度班加羅爾的三星研發(fā)研究院與韓國的三星先進技術(shù)研究所展開合作，并在近期提出了一種基于冷卻液的新型TMS鹤仲，它尤為適合大型鋰離子電池組。他們為建議的電池組構(gòu)建了耦合的3D電化學/熱模型剥讼。仿真顯示壕赘，接觸熱阻對電池組的熱性能影響最大。

計算流體動力學的作用

考慮到電池組內(nèi)電芯周圍流體的三維性質(zhì)以及發(fā)熱過程中涉及的空間變化乞芳，使用計算流體力學（CFD）對電池組進行仿真的做法已成為解決熱管理問題的有效設(shè)計和優(yōu)化手段铐儡。

大型電池組可在高放電率下運行，通常用于電動汽車（EV）和混合動力電動汽車（HEV）细抠。CFD研究表明庆葱，對于大型電池組而言，液冷的效率高于氣冷喧丛，可支持更加緊湊且高效的電池設(shè)計胚高。

電池組幾何形狀和實驗設(shè)置

在圖1所示的鋰離子電池組中，使用了可商用的18650電芯Li-NCA/C電池缔直。由高傳導(dǎo)性金屬制成的元件將熱從圓柱電芯傳遞到冷卻液通道抛虏，并最終傳遞到冷卻液（在本例中為水）。制成的測試電池組包含30個電芯套才，其中串聯(lián)使用6個電芯迂猴，并聯(lián)使用5個電芯。

△圖1

3D CFD模型

構(gòu)造基于3D CFD的電池電化學模型后背伴，可以根據(jù)實驗結(jié)果驗證模型沸毁，然后使用模型對不同運行條件下的TMS性能進行仿真和評估，從而獲得完整的發(fā)熱特性傻寂。

該項目使用了兩款西門子數(shù)字化工業(yè)軟件的產(chǎn)品：Simcenter STAR-CCM+^?軟件和Simcenter Battery Design Studio^?軟件息尺。

Simcenter STAR-CCM+用于對流體和共軛傳熱進行仿真，Simcenter Battery Design Studio則用于獲取電化學輸入數(shù)據(jù)崎逃。該軟件組合用于對電池組的性能進行仿真掷倔。

△圖2

根據(jù)單個電芯精確預(yù)測溫度

3D TMS模型用于計算典型電池組的性能。計算發(fā)現(xiàn)个绍，最熱電芯和最冷電芯之間的平均溫差僅為0.5開氏度（°K）勒葱。當觀察到溫度上升呈現(xiàn)的明顯規(guī)律時，作者意識到巴柿，適當定義的溫度系數(shù)僅根據(jù)一個電芯的溫度就能預(yù)測其他電芯的溫度凛虽。

冷卻液流率是關(guān)鍵

在電動汽車中书吗，TMS的運行電力來自于從電池中提取的能量。降低TMS的能量需求會降低其對電池的消耗礁懂，從而優(yōu)化冷卻液流率女践，這一點至關(guān)重要。Simcenter STAR-CCM+模型表明锣石，冷卻液流速越低盹斟，電池組中存儲的熱量越多，這意味著流速越低浆酝，傳遞到冷卻液的熱量越少焰垄。

在大多數(shù)電池組中，流向方向的最大溫度變化限制為3°K和爽。實驗?zāi)Ｐ秃苋菀拙瓦_到了3°K 限制藐檀，即使在低流速下也可以有效地冷卻電池組。

石墨烯是一種新穎但昂貴的材料儡簿，緊湊型TMS中就使用了此類材料晨墓。根據(jù)使用石墨烯作為基于相變材料（PCM）的熱管理系統(tǒng)的研究文獻以及圖2中的結(jié)果，在使用實驗TMS的電池組中侍瑟，其溫度上升與研究文獻中報告的溫度上升處于同一等級唐片。雖然此類基于PCM的TMS比較緊湊，但該新型TMS不需要使用這些新型材料丢习，因此可以降低生產(chǎn)成本牵触。

借助使用Simcenter STAR-CCM+和Simcenter Battery Design Studio創(chuàng)建的基于CFD的TMS功能模型，根據(jù)實驗驗證模型并使準確度超過90%咐低，實現(xiàn)了仿真結(jié)果和實驗測量結(jié)果的一致揽思。對使用對稱性總電池組構(gòu)造的典型電池組及TMS進行了成功的仿真以降低計算成本。

TMS可在嚴苛條件下安全高效地工作见擦，是適用于電動汽車大型鋰離子電池組的理想候選方案钉汗。

關(guān)于三星研發(fā)研究院

為推行全球和本地創(chuàng)新文化，三星研究院戰(zhàn)略性地在全球各地創(chuàng)立了多家研發(fā)中心鲤屡，其中包括印度的三座城市：班加羅爾损痰、德里和諾伊達。三星班加羅爾研發(fā)中心是三星電子最大的海外研發(fā)中心酒来。

（西門子數(shù)字化工業(yè)軟件）

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