隨著不斷攀升的油價和出於對環境因素的考慮，業界越來越重視最佳的能源存儲系統的開發。能源存儲技術的主要應用領域是混合動力汽車(HEV)和電動汽車(EV)。可充電能源存儲系統是影響汽車整體性能的關鍵設計問題之一，必須綜合考慮多種駕駛條件，滿足汽車在能量密度和功率密度等方面的整體需求。電池是維持系統的能量和功率的關鍵環節。然而在很多應用領域中，所需功率和熱管理是制約電池尺寸的關鍵因素。熱穩定性、充電容量、生命週期和成本也是可充電能源存儲系統設計過程中的重要考慮因素。
安世亞太提供ANSYS端到端的電池整體解決方案，可以仿真電芯–電池 - 電池組–電池系統中的多物理場（電化學、電氣、電子、熱、流體）和控制（嵌入式軟件）行為等，可幫助工程師實現HEV和EV的創新設計。基於仿真的方法可以使設計人員能夠在更短的設計週期中實現更優的電池性能、更高的安全性和更長的使用壽命。
完整的鋰離子電池仿真解決方案
一、電芯級仿真
在電芯級，電化學反應描述了固體電解質界面構造過程，可用於建立合適的電池單體模型。
鋰離子電池單體的原理圖
電池芯設計
常用的針對鋰離子電池單體的電化學模型由Newman教授在1993首先提出 (Doyle, Fuller,& Newman, 1993)。該模型由一個緊密耦合的偏微分方程組構成，採用2D粒子建模方法，因而被文獻稱為偽2D法。由於方程之間的緊密耦合，即便是商用軟件，要想在數值上獲得完整2D法的解也很有挑戰性，所以該模型主要用於電極層電-熱仿真。同時，ANSYS通過在VHDL-AMS語言環境中創造性使用1D方案來進行進一步的電路和系統仿真。
Newman電化學模型
二、電池級仿真
電池級的詳細設計仿真應用計算流體動力學(CFD)分析技術。
CFD技術可用於電池的熱管理分析，但對於大型系統級瞬態分析而言會比較耗時。因而在與電路模型耦合進行系統分析時會較為困難。
ANSYS擁有多種適用於系統級瞬態熱分析的降階模型(ROM)。著名的熱網絡方法是其中一種模型。下圖顯示了一個熱網絡熱分析實例。使用這種模型時，需要構建熱節點，每個節點與一個代表該位置的熱容相關聯。節點與節點之間用熱阻連接，熱阻代表了節點之間的熱傳導。由於無法使用足夠的節點，該模型精確度有限，並且大量的熱節點會增加模型複雜性，從而違背了通過等效電路模型提高效率的出發點。另外，熱網絡模型需要仔細校準計算所需的熱阻和熱容。
基於RC熱網絡的熱降階模型
ANSYS的另一種方案使用線性時不變(LTI)模型。這種模型使用一個RC網絡，但這些RC元件的使用目的與熱網絡法不同。在LTI方法中，RC用於匹配系統的傳遞函數。該方法具有固定的RC拓撲結構，並非像熱網絡那樣使用不同的拓撲結構。這樣的固定拓撲結構使得模型生成過程變得簡單而且自動化。LTI方法可以與CFD結果一樣精確，而且不需要計算熱阻和熱容。與熱網絡方法不同，LTI方法依靠系統的線性時不變特性，如下圖所示。
用於從CFD解中抽取熱降階模型的LTI法
通過抽取等效電路模型(ECM)的一組輸入參數，可獲得單體模型的電氣行為。下圖顯示了最新的電池ECM模型抽取流程。使用ECM模型前，設計人員首先要準備一些單體電池的測試數據，即開路電壓與荷電狀態(SOC)的關係曲線及脈衝放電下瞬時電壓變化曲線。ANSYS Twin Builder中的ECM抽取工具能接收測試數據並自動創建單體電池ECM模型。一旦創建了單體電池的ECM模型，用戶就可以通過拖放來連接多個單體電池，以創建電池模組或電池組電路模型，如下圖所示。然後，該模型可用來預測電池模組或電池組的電性能。驗證結果顯示電池ECM模型的最大誤差小於0.2%。
等效電路模型工作流程
三、電池模組/電池組級仿真
ECM模型生成後，可按照電路仿真的步驟對電池模組和整個電池組進行仿真，同時能夠能夠與CFD模型相差無幾，保持足夠的精確性。將這種降階模型集成到電路仿真中的主要優勢在於能靈活地將更多組件添加到系統中，以預測系統的整體性能。這種情況下，需要更多的多物理場分析以進行模塊/電池組系統驗證。
考慮結構變形的電池模塊熱-應力分析
整個電池模型集成到電路設計中
四、完整系統級仿真
完整系統仿真是系統工程師的最終目標，其中需要獲得動力傳動系統的整體性能。在對整個集成系統進行驗證之前，可以立即實現和驗證總體電池系統模型。該模型將母線、單個單體模型和LTI熱模型集成到完整的單個模塊仿真之中。
端到端的電池-電池組-系統HEV設計流程
上圖描述了HEV動力傳動系統的定義，其中集成有完整的電池模型，包括嵌入式軟件控制模型。原理圖中包含其它幾個降階模型，用於在電路設計層面提供多物理場系統仿真。這樣能保持物理解決方案的精確性，例如用於電機電磁建模的ANSYS Maxwell，用於抽取逆變器封裝和線纜頻變行為的寄生參數的ANSYS Q3D Extractor，用於軸和齒輪設計模型的ANSYS Mechanical，以及用於原理圖式系統設計的ANSYS Twin Builder。
下圖給出了動力系統的完整系統仿真實例。在該方案中，工程師可以更有信心地詳細分析各種駕駛條件下的燃料消耗，同時監控電池的性能。
使用ANSYS Twin Builder平臺進行動力系統應用設計
基於駕駛條件曲線的燃料消耗分析
五、結論
上述探討了HEV和EV動力系統設計的諸多挑戰和基於仿真的解決方案。更短的上市時間、更大的複雜性、更高的性能和更高的安全性要求都在促使設計人員採用動態仿真方案。多尺度、多物理場仿真流程的重點是能夠實現完整系統仿真的分級綜合建模。使用嚴格的3D仿真結果進行建模，並抽取合適的降階模型用於電路和系統級仿真。然後，可以將這些模型整合到頂層系統仿真，使工程師能夠預測任意層級上的詳細信息。
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