2.1 ANSYS锂电池解决方案概述

2.1.1 电池仿真难点

在进行电池仿真具体工作之前，有必要先知晓电池仿真的难点在哪，主要有以下两方面难点（见图2-1-1）：电池仿真的天然多物理场性；电池仿真尺度跨度过大。

电池工作过程中现象复杂，覆盖了多个物理域。如电池仿真中一定要包含电的物理场，而电池工作中产生的电流等又是由电池化学反应过程中产生的，这就又涉及了化学反应的仿真；并且在化学反应中并非所有的能量都转换为电流，还有相当一部分转换为了焦耳热，这就带来了传热相关的现象；同时为避免电池工作中超温，往往会用水或者其他工质对其进行冷却，这就带来了流动传热等现象。电池产品最终一定需要满足国家对结构设计的各种标准，诸如应力应变、振动模态、疲劳寿命、挤压跌落等要求，最后电池作为整车或者其他设备的动力源上游，其下游一般会布置有诸如PCB、开关电源等电控相关的器件，会受到来自这些电控器件产生的高频谐波的影响，从而带来电磁兼容相关问题。电池仿真多物理场性的另外一个特点是各个物理场的耦合紧密，单独将其任何一个物理场孤立出来研究是不全面的，甚至会导致较大的误差。

另外一个难点是电池仿真尺度跨度非常大。如果要研究材料级别的，那么尺寸应当为10 ^－9 m量级；如果是电极级别的，尺寸为10 ^－6 ～10 ^－4 m量级；单电芯量级约为10 ^－2 m；模组级别量级约为10 ^－1 m；而动力系统级别量级约为10 ⁰ m。仅从电极到动力系统级就将近有7个数量级尺寸跨度。大的跨度给划分网格带来巨大挑战，网格尺寸过大会导致捕捉不到小尺寸细节，而网格尺度过小则会带来计算网格量巨大，如何兼顾宏观和微观是在处理网格尺寸时需要认真考虑的问题。

2.1.2 ANSYS电池解决方案概述

在具体讲述电池解决方案之前，有必要对电池仿真过程中需要注意的问题（见图2-1-2）以及关键场景进行澄清，而后针对上述问题和场景介绍ANSYS电池解决方案。

在电池流体仿真方向，主要有热管理、电化学、水管理、热失控、短路和降阶模型等几个方向的场景。其中电化学问题主要是研究电池工作过程中内部电化学反应带来的宏观量变化，如产热、电流、电压、SOC等，一般有基于物理的电化学模型和基于经验的电化学模型两种方法。热管理问题是电池设计过程中的重点，其最终结果往往是诸如温度分布、压降等信息，但本质上考察的是电池的冷却设计，其中温度场的一致性会对电池性能有非常大的影响。若热管理设计有缺陷，可能会导致锂电池热失控发生，热失控的机理有很多，诸如电器滥用、热滥用和机械滥用，但绝大多数直接引起热失控的原因往往来自于短路。电池短路又可分为内部短路和外部短路两种类型。在电池仿真过程中，热管理仿真往往会占用较长的时间，尤其是在计算PACK级别不同循环工况时，如NEDC等，此时模型的网格量往往比较大，再加上计算物理时间长，往往需要几天甚至几周的时间，这对于快速设计迭代是极其不利的，为解决这个问题，ANSYS提供了降阶模型技术，可在保证与三维CFD仿真相同的准确度前提下，以近乎实时的速度完成电池模组或者PACK的共轭传热仿真。此外，对于燃料电池不存在热失控和降阶问题，但会多出一个水管理的问题，以避免膜脱水或者水淹电极的发生。

在电池结构仿真方向，主要有强度刚度、振动模态、疲劳耐久、冲击跌落、挤压碰撞、多场耦合和优化的问题。总体来说，电池的结构仿真和其他产品的结构仿真差别不大，只不过在冲击跌落和挤压碰撞方向，国标对其有较详细且严格的要求，需要额外注意。

在电池系统仿真方向，主要有动力系统、降阶模型和电磁兼容这几方面问题。动力系统主要指电池管理系统（BMS）相关的问题，降阶模型既涉及流体也覆盖系统仿真。电磁兼容主要是指电池作为整车或装置的动力单元，其下游往往连接着PCB或开关电源等电控元件，这些电控元件在工作过程中会产生高频的电磁谐波，会引起电池的电磁兼容问题。

针对上述提到的不同方向的电池仿真问题，ANSYS均有较完善的解决方案。针对电池流体方向的仿真，优先推荐使用Fluent，其内包含了锂电池和燃料电池模块，可非常高效解决流体方向的仿真问题，当然也有部分客户在使用CFX或Icepak来针对特定电池问题进行仿真，但其专业性和功能覆盖度均无法与Fluent相比。针对电池结构方向的仿真，对于绝大多数的场景，如强度刚度、振动模态等，推荐使用ANSYS Mechanical；对于疲劳耐久和寿命分析，推荐使用ANSYS Ncode；对于大形变的显式动力学问题，推荐使用ANSYS LS-DYNA，其已成为计算显式动力学的黄金软件；对于多场耦合以及优化问题，推荐使用OptiSlang或DesignXplorer。针对电池系统方向的仿真，BMS推荐使用Twin Builder+ANSYS Scade+Medini，降阶问题需要使用Fluent+Twin Builder，电磁兼容问题需要根据场景使用Twin Builder、SIwave或HFSS软件。

ANSYS可用于电池仿真的软件及其简要功能介绍如表2-1-1。

2.1.3 ANSYS Fluent电池模块概述

为帮助客户在日新月异的新能源动力电池市场上抢得先机，Fluent在很早就专门针对电池设计仿真设置了相应的模块，目前主要有两大类：锂电池模块和燃料电池模块。

锂电池模块自2021R1版本开始，从原来的附加模块转变为内置模块，更加方便客户进行二次开发，同时名称也由原来MSMD model更改为Battery Model。如图2-1-3所示，目前Battery Model主要可以做CHT Coupling、FMU-CHT Coupling、Circuit Network和MSMD 4个子模块，分别对应共轭传热、通过FMU文件与第三方联合共轭传热、基于Circuit Network的电化学和完全热电耦合电化学模块。客户在仿真过程中只需要使用此中一个模块即可实现绝大多数电池仿真场景的仿真工作。同时Battery Model还内置了两种热失控模型，可独立或与上述4个子模块耦合使用。

燃料电池模块现在有两个附加模块，一个为较早的版本（见图2-1-4），主要包含针对无微孔层（MPL）的PEMFC（质子交换膜燃料电池）、SOFC（固体氧化物燃料电池）和电解的仿真，还有一个较新的版本（见图2-1-5），主要针对含微孔层（MPL）的PEMFC的仿真。