作者 | 做个热设计仿真秀专栏作者
首发 | 仿真秀App
导读：4月15日，配备华为自动驾驶技术极狐阿尔法S的HI版车型在上海进行公开试乘，这也是华为自动驾驶技术全球首次公开试乘。从上面曝光的视频来看，尽管测试路段比较复杂，但是华为的无人驾驶系统仍然完美的避开了所有的障碍。经网络传播之后，便引发了国内外网友热议。
一、写在前面
而对于一位热设计工程师来说，我更加关注极狐阿尔法S全系列采用智能恒温三元锂离子电池包，电池容量为93.6kWh，NEDC续航里程有三个版本，分别是525km、603km和708km。其中阿尔法S的交流慢充充满需要1.5个小时，20kW交流慢充充满需要7个小时，而华为快充技术支持的直流快充充电10分钟，可以增加续航197公里，15分钟可充入整车一半的电量。此外该车还支持无线充电，官方称充电效率可以突破92%。笔者情不自禁的为华为快充技术点赞。
在享受快充给我们带来的方便同时，我们还应该关注电池包的散热问题。快充无非是使用更大的功率给电池进行充电，电池的散热也就承受着更大的压力，而快充时间较短，这就需要我们对电池包进行一个瞬态的仿真分析，才能更加清晰的了解一个快充流程是否会引起电池包过热的问题。下面我们将以一个简单案例了解一下如何使用Flotherm进行瞬态仿真分析（注意：点击文尾的“好看“”和点“赞”，并分享到朋友圈截图2小时后，发送到仿真秀App公众号后台，我赠送你本文资料和模型一份）。
二、电芯的Flotherm瞬态仿真
我们了解到电芯的直流内阻是随不同SOC不断变化的，并且在充电和放电以及不同的电流大小时，直流内阻都不一样，意味着电芯的功率是随时间不断变化的。
当我们需要进行瞬态分析时，我们需要去减小仿真分析带来的误差，设置正确的功率随时间变化的曲线是一个有效的路径。当然，瞬态分析时，影响我们仿真的结果较多，包括所有材料的导热系数，比热容，密度，以及模型的精准度。
而提到电芯的比热容又是一个难题，电芯一般为复合材料，需要的到电芯的比热容一般有两种方法。
(1)采用理论办法，通过对电芯各组分材料(已知比热容)进行质量加权平均，最终完成单个电芯平均比热容的计算；
(2)采用实验和理论的综合办法，在自制绝热设备或加速绝热量热仪中对电芯进行充放电，记录电芯电压、温度、充放电时间等数据，再根据 Bernadi 等人提出的电池热理论模型，理论计算得到电芯发热功率，最终通过公式Q=C m △T反算得到单个电芯平均比热容；
讲回本文的在Flotherm中如何设置功率随时间变化的曲线，首先我们需要得到电芯在不同电流下的直流内阻，注意这里是直流内阻，规格书上标注的一般为交流内阻，在无法测得直流内阻的情况下，一般认为直流内阻是交流内阻的2-2.5倍，再通过公式Q=I2*R计算出各个时间的功率。
目前常用的直流内阻测试方法有以下三个：
（1）美国《FreedomCAR 电池测试手册》中的 HPPC 测试方法：测试持续时间为10s，施加的放电电流为 5C 或更高，充电电流为放电电流的 0.75。具体电流的选择根据电池的特性来制定。
（2）日本 JEVSD713 2003 的测试方法，原来主要针对 Ni/MH 电池，后也应用于锂离子电池，首先建立 0～100％ SOC 下电池的电流一电压特性曲线，分别以 1C、2C、5C、10C 的 电流对设定 SOC 下的电池进行交替充电或放电，充电或放电时间分别为10s，计算电池的直流内阻。
（3）我国“863”计划电动汽车重大专项《HEV 用高功率锂离子动力蓄电池性能测试规范》中提出的测试方法，测试持续时间为 5s，充电测试电流为 3C，放电测试电流为 9C。
三、Flotherm实操过程
下面以一个电芯的实际案例进行操作讲解，此案例环境温度为25℃，在密闭机箱内放置32个50Ah方形电芯，结构模型如图一所示，充放电过程为2.2C放电再1C充电单个循环的过程，且采用的是自然散热，需要了解此充放电循环是否会有过温风险。电芯参数如下表一:
表一电芯参数
1、首先搭建一个简单模型，在一个密闭机箱内放置32个50Ah方形电芯，如图一
图一：案例结构模型
2、在Flotherm中建立一个功耗为1W的Thermal，如图二所示
图二：Thermal设置
3、创建一个Transient Attribute，此次为2.2C放电再1C充电的过程，编辑名称为2.2c-1c,如图三
图三：Transient Attribute创建
4、如图所示设置Transient Attribute参数，type选择profile，如图四
图四：Transient Attribute设置
5、点击Click To Edit编辑, Time为时间，Multiplier为基础功率的乘数，具体的设置如图五所示，在此步骤中可在Excel表格中计算好功率随时间变化的的数据，再点击import CSV File导入Excel文件（注意保存的Excel文件需要为CSV格式）
图五：功率随时间变化设置
6、根据设置好的参数进行计算，查看温度曲线图如图六，这时就可以明显的看出设置功率随时间变化后温度上升的曲线变化，相对于设置固定的功率，整个仿真过程会更加的接近真实情况。
图六：仿真结果温度曲线
图七：仿真结果温度
由此可见，本案例在环境温度为25 ℃，采用2.2C放电1C充电单个循环的充放电模式，可以看到电芯在放电时由于采用2.2C放电，放电电流较大，整体的功耗会比较大，温度上升明显，放电过程温度约升高18℃，达到43℃，但电芯在放电过程中的工作温度最高可达60℃，还有较大的余量，而在充电过程中采用1C进行充电，整体的功耗会较小，温度上升较为缓慢，在整个充电过程中的温度约升高6℃，达到49℃，如图七所示。但由于电芯在充电过程中的工作温度最高为45℃，此案例的充电结束温度已经超过最高工作温度，存在过温的风险。
四、我的电子产品热仿真精品课
以上就是笔者使用Flotherm进行功率随时间变化的瞬态仿真，希望对大家有些许帮助吧，更多内容欢迎关注我原创的精品课。自2021年4月起，笔者在仿真秀平台独家发布了《Flotherm电子产品散热仿真快速入门26讲》详解Flotherm建模仿真完整流程和关键技巧，让你快速适应热设计工程师岗。
本课程主要为引领刚从事热设计行业的工程师，快速的掌握Flotherm软件，能在最短的时间内使用Flotherm软件完成产品的热仿真工作。
课程将会使用一个模型作为案例，以“先掌握必要的技能再拓展其他能力”为课程的主线。从拿到产品热设计项目开始，使用Flotherm进行产品的热仿真，然后一步一步的进行建模，赋予材料属性，进行网格划分，求解设置等完成整个项目的热仿真工作，课程将对整个热仿真过程所需要的技能一个个进行讲解，每个章节环环相扣，当你听完整个课程，一个产品的热仿真工作也就完成，学员的热设计能力也将提升一个档次。
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1、课程适应人群
热设计/热管理工程师
硬件工程师
结构工程师
计划从事散热行业的在校学生
从事散热相关材料研究的工程师
2、课程学习后的效果
学员通过本课程的学习能快速的掌握Flotherm这门软件，并且能掌握整个热仿真流程所需的技能，快速的适应热设计工程师这个岗位。不仅如此，学员还可以学习到以下的一些知识：
风扇的基础知识和应用，以及在Flotherm中建模方法
散热器的建模方法和后期优化方案的设计
各种电芯的建模方法和导热系数的设定
电感，变压器的建模和内部材料的导热系数
IGBT的建模方法和内部详细结构导热系数
Flotherm中网格的划分和技巧
遇到求解不收敛时，如何去解决收敛问题
户外产品的太阳辐射问题的考虑
建立一个更美观，合理的后处理显示模型
产品的优化方案设计
Flotherm瞬态分析的设置和注意事项
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作者：做个热设计，仿真秀专栏作者，曾就职于中国五百强企业，国内龙头UPS制造企业等。具有包括储能，户外柜，5G基站，数据中心，不间断电源，充电桩，光伏逆变器，通讯设备等产品的热设计经验。
