作者 |?做個(gè)熱設(shè)計(jì)仿真秀專欄作者?
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導(dǎo)讀：4月15日，配備華為自動(dòng)駕駛技術(shù)極狐阿爾法S的HI版車型在上海進(jìn)行公開(kāi)試乘，這也是華為自動(dòng)駕駛技術(shù)全球首次公開(kāi)試乘。從上面曝光的視頻來(lái)看，盡管測(cè)試路段比較復(fù)雜，但是華為的無(wú)人駕駛系統(tǒng)仍然完美的避開(kāi)了所有的障礙。經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳播之后，便引發(fā)了國(guó)內(nèi)外網(wǎng)友熱議。
一、寫在前面
而對(duì)于一位熱設(shè)計(jì)工程師來(lái)說(shuō)，我更加關(guān)注極狐阿爾法S全系列采用智能恒溫三元鋰離子電池包，電池容量為93.6kWh，NEDC續(xù)航里程有三個(gè)版本，分別是525km、603km和708km。其中阿爾法S的交流慢充充滿需要1.5個(gè)小時(shí)，20kW交流慢充充滿需要7個(gè)小時(shí)，而華為快充技術(shù)支持的直流快充充電10分鐘，可以增加續(xù)航197公里，15分鐘可充入整車一半的電量。此外該車還支持無(wú)線充電，官方稱充電效率可以突破92%。筆者情不自禁的為華為快充技術(shù)點(diǎn)贊。
在享受快充給我們帶來(lái)的方便同時(shí)，我們還應(yīng)該關(guān)注電池包的散熱問(wèn)題?？斐錈o(wú)非是使用更大的功率給電池進(jìn)行充電，電池的散熱也就承受著更大的壓力，而快充時(shí)間較短，這就需要我們對(duì)電池包進(jìn)行一個(gè)瞬態(tài)的仿真分析，才能更加清晰的了解一個(gè)快充流程是否會(huì)引起電池包過(guò)熱的問(wèn)題。下面我們將以一個(gè)簡(jiǎn)單案例了解一下如何使用Flotherm進(jìn)行瞬態(tài)仿真分析（注意：點(diǎn)擊文尾的“好看“”和點(diǎn)“贊”，并分享到朋友圈截圖2小時(shí)后，發(fā)送到仿真秀App公眾號(hào)后臺(tái)，我贈(zèng)送你本文資料和模型一份）。
二、電芯的Flotherm瞬態(tài)仿真
我們了解到電芯的直流內(nèi)阻是隨不同SOC不斷變化的，并且在充電和放電以及不同的電流大小時(shí)，直流內(nèi)阻都不一樣，意味著電芯的功率是隨時(shí)間不斷變化的。
當(dāng)我們需要進(jìn)行瞬態(tài)分析時(shí)，我們需要去減小仿真分析帶來(lái)的誤差，設(shè)置正確的功率隨時(shí)間變化的曲線是一個(gè)有效的路徑。當(dāng)然，瞬態(tài)分析時(shí)，影響我們仿真的結(jié)果較多，包括所有材料的導(dǎo)熱系數(shù)，比熱容，密度，以及模型的精準(zhǔn)度。
而提到電芯的比熱容又是一個(gè)難題，電芯一般為復(fù)合材料，需要的到電芯的比熱容一般有兩種方法。
(1)采用理論辦法，通過(guò)對(duì)電芯各組分材料(已知比熱容)進(jìn)行質(zhì)量加權(quán)平均，最終完成單個(gè)電芯平均比熱容的計(jì)算；
(2)采用實(shí)驗(yàn)和理論的綜合辦法，在自制絕熱設(shè)備或加速絕熱量熱儀中對(duì)電芯進(jìn)行充放電，記錄電芯電壓、溫度、充放電時(shí)間等數(shù)據(jù)，再根據(jù) Bernadi 等人提出的電池?zé)崂碚撃Ｐ?，理論?jì)算得到電芯發(fā)熱功率，最終通過(guò)公式Q=C m △T反算得到單個(gè)電芯平均比熱容；?
講回本文的在Flotherm中如何設(shè)置功率隨時(shí)間變化的曲線，首先我們需要得到電芯在不同電流下的直流內(nèi)阻，注意這里是直流內(nèi)阻，規(guī)格書上標(biāo)注的一般為交流內(nèi)阻，在無(wú)法測(cè)得直流內(nèi)阻的情況下，一般認(rèn)為直流內(nèi)阻是交流內(nèi)阻的2-2.5倍，再通過(guò)公式Q=I2*R計(jì)算出各個(gè)時(shí)間的功率。
目前常用的直流內(nèi)阻測(cè)試方法有以下三個(gè)：
（1）美國(guó)《FreedomCAR 電池測(cè)試手冊(cè)》中的 HPPC 測(cè)試方法：測(cè)試持續(xù)時(shí)間為10s，施加的放電電流為 5C 或更高，充電電流為放電電流的 0.75。具體電流的選擇根據(jù)電池的特性來(lái)制定。
（2）日本 JEVSD713 2003 的測(cè)試方法，原來(lái)主要針對(duì) Ni/MH 電池，后也應(yīng)用于鋰離子電池，首先建立 0～100％ SOC 下電池的電流一電壓特性曲線，分別以 1C、2C、5C、10C 的 電流對(duì)設(shè)定 SOC 下的電池進(jìn)行交替充電或放電，充電或放電時(shí)間分別為10s，計(jì)算電池的直流內(nèi)阻。
（3）我國(guó)“863”計(jì)劃電動(dòng)汽車重大專項(xiàng)《HEV 用高功率鋰離子動(dòng)力蓄電池性能測(cè)試規(guī)范》中提出的測(cè)試方法，測(cè)試持續(xù)時(shí)間為 5s，充電測(cè)試電流為 3C，放電測(cè)試電流為 9C。
三、Flotherm實(shí)操過(guò)程
下面以一個(gè)電芯的實(shí)際案例進(jìn)行操作講解，此案例環(huán)境溫度為25℃，在密閉機(jī)箱內(nèi)放置32個(gè)50Ah方形電芯，結(jié)構(gòu)模型如圖一所示，充放電過(guò)程為2.2C放電再1C充電單個(gè)循環(huán)的過(guò)程，且采用的是自然散熱，需要了解此充放電循環(huán)是否會(huì)有過(guò)溫風(fēng)險(xiǎn)。電芯參數(shù)如下表一:
表一電芯參數(shù)
1、首先搭建一個(gè)簡(jiǎn)單模型，在一個(gè)密閉機(jī)箱內(nèi)放置32個(gè)50Ah方形電芯，如圖一
圖一：案例結(jié)構(gòu)模型
2、在Flotherm中建立一個(gè)功耗為1W的Thermal，如圖二所示
圖二：Thermal設(shè)置
3、創(chuàng)建一個(gè)Transient Attribute，此次為2.2C放電再1C充電的過(guò)程，編輯名稱為2.2c-1c,如圖三
圖三：Transient Attribute創(chuàng)建
4、如圖所示設(shè)置Transient Attribute參數(shù)，type選擇profile，如圖四
圖四：Transient Attribute設(shè)置
5、點(diǎn)擊Click To Edit編輯,??Time為時(shí)間，Multiplier為基礎(chǔ)功率的乘數(shù)，具體的設(shè)置如圖五所示，在此步驟中可在Excel表格中計(jì)算好功率隨時(shí)間變化的的數(shù)據(jù)，再點(diǎn)擊import CSV File導(dǎo)入Excel文件（注意保存的Excel文件需要為CSV格式）?
圖五：功率隨時(shí)間變化設(shè)置
6、根據(jù)設(shè)置好的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，查看溫度曲線圖如圖六，這時(shí)就可以明顯的看出設(shè)置功率隨時(shí)間變化后溫度上升的曲線變化，相對(duì)于設(shè)置固定的功率，整個(gè)仿真過(guò)程會(huì)更加的接近真實(shí)情況。?
圖六：仿真結(jié)果溫度曲線
圖七：仿真結(jié)果溫度
由此可見(jiàn)，本案例在環(huán)境溫度為25 ℃，采用2.2C放電1C充電單個(gè)循環(huán)的充放電模式，可以看到電芯在放電時(shí)由于采用2.2C放電，放電電流較大，整體的功耗會(huì)比較大，溫度上升明顯，放電過(guò)程溫度約升高18℃，達(dá)到43℃，但電芯在放電過(guò)程中的工作溫度最高可達(dá)60℃，還有較大的余量，而在充電過(guò)程中采用1C進(jìn)行充電，整體的功耗會(huì)較小，溫度上升較為緩慢，在整個(gè)充電過(guò)程中的溫度約升高6℃，達(dá)到49℃，如圖七所示。但由于電芯在充電過(guò)程中的工作溫度最高為45℃，此案例的充電結(jié)束溫度已經(jīng)超過(guò)最高工作溫度，存在過(guò)溫的風(fēng)險(xiǎn)。
四、我的電子產(chǎn)品熱仿真精品課
以上就是筆者使用Flotherm進(jìn)行功率隨時(shí)間變化的瞬態(tài)仿真，希望對(duì)大家有些許幫助吧，更多內(nèi)容歡迎關(guān)注我原創(chuàng)的精品課。自2021年4月起，筆者在仿真秀平臺(tái)獨(dú)家發(fā)布了《Flotherm電子產(chǎn)品散熱仿真快速入門26講》詳解Flotherm建模仿真完整流程和關(guān)鍵技巧，讓你快速適應(yīng)熱設(shè)計(jì)工程師崗。
本課程主要為引領(lǐng)剛從事熱設(shè)計(jì)行業(yè)的工程師，快速的掌握Flotherm軟件，能在最短的時(shí)間內(nèi)使用Flotherm軟件完成產(chǎn)品的熱仿真工作。
課程將會(huì)使用一個(gè)模型作為案例，以“先掌握必要的技能再拓展其他能力”為課程的主線。從拿到產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)項(xiàng)目開(kāi)始，使用Flotherm進(jìn)行產(chǎn)品的熱仿真，然后一步一步的進(jìn)行建模，賦予材料屬性，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，求解設(shè)置等完成整個(gè)項(xiàng)目的熱仿真工作，課程將對(duì)整個(gè)熱仿真過(guò)程所需要的技能一個(gè)個(gè)進(jìn)行講解，每個(gè)章節(jié)環(huán)環(huán)相扣，當(dāng)你聽(tīng)完整個(gè)課程，一個(gè)產(chǎn)品的熱仿真工作也就完成，學(xué)員的熱設(shè)計(jì)能力也將提升一個(gè)檔次。
以下是我的課程安排：（可在仿真秀網(wǎng)站進(jìn)行直接搜索）
限時(shí)特價(jià)（限20名）
限時(shí)優(yōu)惠：299元（價(jià)值：399元?）
課程可反復(fù)觀看，隨時(shí)回放，可開(kāi)具發(fā)票
講師提供vip群學(xué)習(xí)答疑和模型下載
1、課程適應(yīng)人群
熱設(shè)計(jì)/熱管理工程師
硬件工程師
結(jié)構(gòu)工程師
計(jì)劃從事散熱行業(yè)的在校學(xué)生
從事散熱相關(guān)材料研究的工程師
2、課程學(xué)習(xí)后的效果
學(xué)員通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)能快速的掌握Flotherm這門軟件，并且能掌握整個(gè)熱仿真流程所需的技能，快速的適應(yīng)熱設(shè)計(jì)工程師這個(gè)崗位。不僅如此，學(xué)員還可以學(xué)習(xí)到以下的一些知識(shí)：
風(fēng)扇的基礎(chǔ)知識(shí)和應(yīng)用，以及在Flotherm中建模方法
散熱器的建模方法和后期優(yōu)化方案的設(shè)計(jì)
各種電芯的建模方法和導(dǎo)熱系數(shù)的設(shè)定
電感，變壓器的建模和內(nèi)部材料的導(dǎo)熱系數(shù)
IGBT的建模方法和內(nèi)部詳細(xì)結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱系數(shù)
Flotherm中網(wǎng)格的劃分和技巧
遇到求解不收斂時(shí)，如何去解決收斂問(wèn)題
戶外產(chǎn)品的太陽(yáng)輻射問(wèn)題的考慮
建立一個(gè)更美觀，合理的后處理顯示模型
產(chǎn)品的優(yōu)化方案設(shè)計(jì)
Flotherm瞬態(tài)分析的設(shè)置和注意事項(xiàng)
訂閱用戶可以獲得講師的答疑專欄（可公開(kāi)提問(wèn)或私問(wèn)）
購(gòu)買全套課程的用戶可以獲得課程模型，PDF等資料下載服務(wù)。
所有訂閱用戶可以獲得講師的90天答疑專欄服務(wù)（可公開(kāi)提問(wèn)或私問(wèn)），并且提供VIP群交流，后續(xù)可以根據(jù)用戶需求開(kāi)展免費(fèi)的加餐直播。購(gòu)買全套課程的用戶可以獲得全課程模型，PDF等資料下載服務(wù)。進(jìn)群和開(kāi)具發(fā)票請(qǐng)聯(lián)系平臺(tái)任意仿真小助手。
作者：做個(gè)熱設(shè)計(jì)，仿真秀專欄作者，曾就職于中國(guó)五百?gòu)?qiáng)企業(yè)，國(guó)內(nèi)龍頭UPS制造企業(yè)等。具有包括儲(chǔ)能，戶外柜，5G基站，數(shù)據(jù)中心，不間斷電源，充電樁，光伏逆變器，通訊設(shè)備等產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。
