动力电池超级快充热管理仿真和试验对标分析

导读：2024年4月25日，北京国际汽车展览会首日，宁德时代发布全球首款兼顾1000km续航和4C超充特性的磷酸铁锂电池新品——神行PLUS。自2023年8月发布神行超充电池，可以实现充电10min,续航400km，到今天发布神行PLUS，宁德时代用8个月时间，再次刷新磷酸铁锂电池纪录。神行PLUS不仅续航长，还充的快，充电10分钟即可补能600km续航，远超行业水平，真正实现“1秒1公里”的超级补能速度。

宁德时代发布神行PLUS电池

当前，电池包向着高能量密度和大倍率充电的方向发展，电池热管理方式也从传统的底面冷却发展为大面冷却或者是多面冷却。基于超级快充的多面冷却的热管理方式，传统的电池模型的建立的方式是否已经不满足目前多面冷却下热管理仿真精度，那么如何建立合理的模型建立方式呢？

图片来自网络

一、电池快充的影响因素

快充需要在充电桩侧以及电池侧共同发力。电池侧主要包括了电芯以及系统的热管理能力。

首先来看电芯本身的快充能力：主要是两个方面，一是要避免快充时析锂导致的安全以及寿命衰减。其次是电芯电阻不能太大。主要两个影响，首先是产热比较大 (Q=I2R),容易达到电芯的安全运行温度。

而在电池系统的散热能力方面，主要考虑的是跟电芯接触的散热面积。电池包快充时功率和电流较高，导致发热量很大，充电速率很大程度上取决于能否高效散热。而对于热量传递以及热量对流的过程，其散热量都跟换热面积强相关，Q=K*A*ΔT, 其中K为导热系数或者换热系数，A为导热面积或者换热面积。几种主流的电池来比较的话，4680电池单位容量的接触面积跟21700是减小了的， 虽然电芯采用无极耳设计，内阻大大降低，但是散热面积的大幅下降，导致其快充能力目前还不如21700, 加上顶部冷却的话可能勉强可以。类似的，在800V系统加持下，麒麟电池大面散热的能力十分强悍，其散热面积比21700的1.6倍，是底面和侧面散热的其他方案的接近2.4倍。可有效带走快充产生的热量。所以理论上在电芯能力相似的情况下，麒麟电池的快充确实强悍。

二、电池快充热管仿真

单体电芯的仿真：采用底部冷却，热管理的冷却路径主要通过卷芯-底面电芯外壳-界面材料-液冷板-冷却介质。多面冷却：卷芯-大面和底面电芯外壳-界面材料-液冷板-冷却介质。

相对于传统的液冷，电芯的发热量大了，导热的路径改变了，主要体现在电芯内部热量传递到液冷板，通过仿真对比，发现电芯的不同的简化方式对于仿真的结果影响较大。

1、PACK快充仿真

（1）电池电流随着SOC和温度变化，soc和温度以那个地方更为合适？因为电池包内的电芯的温度是不一致的，每个电芯的soc也是有差别的。

（2）电池的内阻DCR随着SOC和温度变化，DCR取值选择那个更为合适？因为电池包内的电芯的温度是不一致的，每个电芯的soc也是有差别的。

（3）导电排的发热量对于仿真结果影响，主正负和铜牌连接的热阻的影响。

（4）恒功率加热转化温差和实际测试状态是否一致。

仿真边界条件：•环境25℃，电池包初始25℃，冷却液流量18L/min（321.9g/s）•全程液冷；最大制冷功率6kW（温差5.7），进口目标水温18℃，•按充电MAP将实际SOC从10%充电至80%

2、仿真结论：

环境25℃，电池包初始25℃，按充电MAP将实际SOC从10%充电至80%，整个充电的过程最大的发热量约18KW；

全程最大制冷功率6KW，进出口的目标水温18℃，流量18L/min。

充放电最高温50.5℃，通过对比温度和电流的曲线发现，快充的前期电流较大，当温度达到50℃后，电流会出现波动，注意是由于达到电池充电map的限制功率的导致的。

整个过程液冷系统的流量为18L/min，环境温度25℃，大约在18s左右达到目标温度18℃，出口温度先下降，后上升，最后稳定在25℃左右。

3、仿真和试验对标

热设计的目标

1、新产品：基于结构设计空间尺寸、电路板设计布局以及结合元器件选型等条件，做初步仿真来了解新产品热管理方案的可行性。

2、老产品：基于之前的产品，在水道、风道、材料、结构空间等方面进行改善设计，通过仿真分析，验证优化方案设计的可行性，更多的是验证改善趋势。

对于仿真结果和实际测试数据差异较大的问题，我们以新能源电芯3D热仿真为例来进行说明。

下图中 光滑的三条曲线是在相同的热模型设置（除热源）的基础上仿真得到，分别表示电芯圆柱面最大温度、平均温度和最小温度；有数据噪音的曲线表示测试数据。

说明：针对特定高倍率做到数据对比，数据重合较好；受到不恰当的OCV测量数据的影响等，低倍率下误差会较大。

误差来源：

1）不合理的边界条件

2）不准确的OCV数据（建议常温下10%SOC以下静置时间不小于7小时）

3）不准确的电压电流容量和SOC等测试数据条件

4）不合理的网格和模型

5）不合理的温度测量方法

6）仿真与测试不一致的环境

其他个别注意事项

1）环境里面的风或者可能存在的风要稳定；

2）电芯表面布置2~3个传感器；电芯附近的空气温度需要测量；

3）在测OCV和测容量测快充测1C放电过程中，均需要测温度；

4）在测OCV的时候，电芯不要连接充放电机；

其他类型的项目，大致都是这些原因（不限于），导致仿真与实际测试数据有偏差，一般都是人为因素造成。

所以，我们要搞清楚做仿真的目的，不是为了取代实验测试，而是相辅相成的关系。后期测试，可以通过实际数据反馈，验证仿真的准确性，同时有利于建立企业内部的仿真数据库，善于运用合适的工具，解决项目实际的问题才是最终目的。