電動運輸和分散式發電應用等工業電氣化都需要更多電池。這點對汽車和無人機等快速成長的運輸應用十分明顯，在蓄電與開發電動飛機方面也開始累積動能。這些電池並非獨立組件，而是存在更大系統裡的複雜零件，這些系統必須適當運作，才能確保安全和使用能源效率。電池管理系統(Battery Management Systems, BMS)包括硬體和嵌入式軟體，後者即時監控充電電池，在複雜應用時提供可靠電力。
根據Statista的預測，電動車(EV)的整體汽車市占率可望從2017年的1%成長到2025年的14%。各大車廠都正針對這個成長市場開發車輛。隨著車輛的電動化，多個電池組提供引擎、空調和車載資訊娛樂系統電力，監控和維持電池系統運作將成為關鍵的功能。工程師正在開發電池管理系統，確保這個複雜網路的順利運作，而這需要使用最先進的軟體工具。
快速製作BMS虛擬原型 模擬工具組合少不了
BMS是一種複雜、軟體驅動的電動車控制中心，負責監控電池電壓和溫度，並確保健康運作狀態、監控系統連線狀態、測量電流、計算充電狀態(State Of Charge, SOC)和健康狀態(State Of Health, SOH)；平衡電池單元間的電力輸入和輸出；以及建立電池和動力總成(Powertrain)或充電系統的連結等功能。隨著未來有越來越多系統仰賴電池供電，對快速製作BMS虛擬原型而言，這些模擬工具組合是不可或缺的幫手。
整體而言，BMS獨立確保電動車在最佳效能狀況下順利安全運作。它將資源分配給最能有效利用的區域，並預先通知操作者潛在問題。在最壞的情況下，BMS可實體斷開系統中的電池，避免可能危及車輛乘員的災難性故障。
設計如此複雜的控制中心是一大挑戰。工程師在開發BMS時，廠商提供的模擬解決方案可全程幫助他們，甚至在運作環境下即時管理BMS。舉例來說，ANSYS的電池管理解決方案包括基於物理的模擬來開發一個系統層級的電池系統與BMS，須利用ANSYS Twin Builder、ANSYS medini analyze和ANSYS SCADE embedded code 。
ANSYS medini analyze根據不同產業的不同標準，進行重要安全分析，包括危害和可操作性分析(HAZOP)、故障樹分析(FTA)、失效模式與效應分析(FMEA)，以及失效模式效應與診斷分析(FMEDA)。對車載系統而言，它會確認BMS軟體是否符合道路車輛ISO 26262功能安全標準。
安全分析的第一步是確認和描述BMS的功能和故障。一旦確認故障後，就能進行危害與風險分析(HARA)，透過決定汽車安全完整性等級(ASIL)和對應的安全目標和安全需求，確認危害事件及其對安全的衝擊。BMS的部分功能需要嚴謹的開發過程，達ISO 26262的最高安全完整性等級ASIL D。此要求對於軟體安全需求十分嚴格。
BMS通常包括三大結構組件(圖1)：
．一組由數個電池單元組成的電池組
．一個開關箱
．一個電子控制單元(ECU)，包括監控電池單元電壓、電流和溫度的軟體控制器。
運用ANSYS SCADE Suite可以產生並自動確認ECU內的嵌入式軟體。SCADE產品線提供以模型為基礎的開發環境，例如支援飛行控制和引擎控制系統等關鍵嵌入式軟體。SCADE Suite能簡化關鍵系統應用設計和自動化確認、產生定量/可認證程式碼並產生文件，大幅減少專案認證成本(圖2)。本工具產生的嵌入式軟體可根據各種業界標準認證，包括航太產業的DO-178C(達A級)、汽車產業的ISO 26262:2011(達ASIL D)以及電子系統功能安全的IEC 61508 2010(達SIL 3)。
多物理場模擬支援電池最佳化
現在的電池多採用鋰離子技術，但研究人員不斷研究能源效率更高、不易過熱和燃燒的新材料。科學家須針對每個探索的系統，找出各材料系統基本製程的新發現。因為每種新材料都有其獨特的熱、結構、電磁和電化學屬性，製作電池系統模型時全程需要多物理場解決方案。舉例說明，有些OEM電池製造商和其供應商在處理電池單元設計、熱管理和熱失控時會使用ANSYS Fluent；處理加熱或冷卻時產生結構應力和應變時會使用ANSYS Mechanical；製作電池組系統層級模型時會使用ANSYS Twin Builder。完整解決方案可幫助工程師考量電池設計、製造和操作生命週期內的所有物理改變。
ANSYS Fluent根據多重尺度多重次元(Multiscale Multidimensiona, MSMD)法，提供3D運算流體力學分析。這種做法的CFD模擬方式之有效範圍從材料層級(10~9m)、電極組(10~4m)到電池組成品(10~1m)，其模擬涵蓋尺寸可以達到10個量級。
Fluent有三種電化學模型，用以最佳化電池系統供電。亦能用Fluent分析電池單元和模組間的熱流動，決定採稜柱形或圓柱形電池單元的電池組在各種不同強制冷卻(Forced-cool)狀況下的溫度。要避免鋰離子電池過熱甚至災難性起火，控制其溫度是至關重要的。
隨著電池運作時各部分溫度改變，熱膨脹係數不同的材料會膨脹或收縮。這可能導致電池組件的壓或張應力，如果應力超過特定材料的臨界水平，就會造成變形或故障。耦合Mechanical和Fluent的雙向多物理場模擬可追蹤溫度對結構的反應，確保電池組件能承受熱應力(Thermal-induced Stress)。
如電動車發生車禍等極端狀況下，電池過熱(Thermal Abuse)是一大問題。首先是結構損壞，這會減少受衝擊電池區的接觸電阻。ANSYS Mechanical可模擬這些狀況下的結構損壞，並決定新設計是否能防止損壞。
接著受損電池的電化學反應會發熱，如果發熱速率超過了散熱速率，可能會導致熱失控。使用Fluent模擬可幫助工程師設計防止此類過熱的電池。而因為Mechanical和Fluent的多物理場耦合，工程師得以瞭解在車禍意外導致電池快速改變時，結構、熱和電化學反應的整體情勢。
最後，當準備好連接電池系統的所有組件時，模擬它們如何共同運作，可以達成最佳效率。設計最佳化的組件不見得會組成最佳系統。當這些組件一起過電、被感測和被控制成一套整合系統時，它們的行為可能和獨立受測時不同。進行涵蓋整個連接系統的閉路測試，偵測並修正任何組件弱點，便可以製作一套運作最高效率的系統。
BMS獨立確保電動車安全運作
ECU負責監控單元電壓、溫度和總電池組電壓與電流等電池運作狀態。然後ECU將SOC與SOH(後者會比較電池現狀和理想狀態)等資料傳送給外接組件。它也會傳送冷卻和加熱資訊。
電池管理系統可根據這些輸出調整作業參數，確保電池在安全工作區(Safe Operating Area, SOA)運作，其定義為組件不會自我損害運作的電壓和電流狀況。萬一發生車禍時便緊急切斷。如果電池管理系統決定SOC和SOH不在理想範圍內，它會發出警告，或將系統轉移到安全狀態。
最後一步是進行完整的閉路系統級電池組模擬，確保所有組件都能按照設計共同運作。工程師可利用現成的軟體製作多物理場模型，透過模擬包含電池的電氣和熱行為等不同物理效應，來設計和驗證電池單元系統模型。
工程師運用相關軟體如ANSYS Twin Builder，可決定電池系統的峰值功率輸出、電池充放電速率、運作產生的熱量以及熱量對電氣效能的影響等重要設計參數。Twin Builder內建以Modelica為基礎的模型庫，包括四種電池等效電路模型(Equivalent Circuit Models, ECM)模板，這些模板是SOC和溫度的函數，可用來預測電池效能。
比總集參數模型(Lumped-parameter Model)更棒的是，藉由上述軟體可運用物理解決方案，製作降階模型(Reduced-order Models, ROM)。ROM是完整尺寸3D模型的大幅縮小版，可在數分鐘或數秒鐘內完成模擬，但仍保留正確性，非常適合系統層級模型。電池組的熱ROM可在Twin Builder內和ECM模型結合，決定熱量對電氣效能的影響。
隨著未來有越來越多系統仰賴電池供電，對快速製作BMS虛擬原型而言，正確的模擬工具組合是不可或缺的幫手(圖3)。
