- 對於電動汽車而言，如何精確控制電池溫度是電池熱管理系統設計的重要指標。過高或者過低的溫度均會對電池產生不良影響：過高的電池溫度會縮短電池壽命，過低的電池溫度會降低電池活性，電池無法快速充放電。在進行熱管理設計時，無法避免的 兩個課題是：電池溫度是否合理
- 電芯溫差是否合理
為了解決這兩個問題，首先需要分析電池本身的結構設計是否合理，如水冷板結構、電池模組佈置方案，然後進行外圍系統的設計，這時需要考慮電池包所需要的冷卻液流量、溫度和控制策略。為了開發、評估和優化設計方案，縮減開發時間，降低開發成本，電池熱管理CFD仿真分析貫穿整個產品開發週期。本文將分析基於STARCCM+仿真的液冷電池包熱管理應用，重點闡述在熱管理仿真分析過程中需要注意關鍵點，旨在幫助大家更好分析問題。STARCCM+以效率高、收斂好、集成度高等特點廣泛應用於汽車行業，仿真工作流程，運用starccm+進行電池熱管理仿真分析時，工程師需要注意的地方或者說可能存在一些難點有這幾點：
1、建模方法；
2、表面修復；
3、網格設計；
4、工況仿真分析；
5、熱管理控制策略實現。授之以魚不如授之以漁，下面將對上述幾點進行解釋和說明。
一、建模方法從結構工程師取得電池包模型是不能直接拿來用的，需要對幾何模型進行處理，包括幾何模型簡化和流道抽取兩個部分。
1、幾何簡化幾何模型簡化是否合理直接影響到計算量大小以及模型計算精度，具體模型簡化複雜程度，需根據分析目的、熱管理方案、計算資源、任務週期等綜合考慮。一般簡化規則為：根據分析目的，儘可能保留對傳熱影響較大的零部件和特徵，忽略對傳熱影響較小的零部件和特徵。總結以下幾點供參考:
- 對自然冷卻電池包，需考慮空氣傳熱影響，保留箱體、電池模組結構等；
- 對水冷電池包，可忽略空氣影響（根據項目週期、開發階段、計算資源等綜合考慮），僅保留冷卻系統和電池模組結構；
- 去掉螺栓、連接件、線束等對傳熱影響較小的零部件；
- 對圓角、螺栓孔等細節特徵進行簡化處理；
- 對於完全對稱模型可考慮對稱建模。
2、流道抽取
STARCCM+在仿真分析時保留流體域，需對水冷系統進行流道抽取，流道抽取方法很多，簡單流道可直接在STARCCM+進行抽取，複雜流道建議在Catia、Proe或者SCDM軟件進行抽取。流道幾何模型處理幾點建議：
- 去掉固定連接組件、底部泡棉支撐等對傳熱影響較小部件；
- 抽取內部流道，保留冷卻板或口琴管厚度和管路內徑，對管道變徑、局部彎頭等細節特徵儘可能保留，忽略進出水口管、集流管管壁厚度；
- 去掉水冷板內部對體網格質量影響較大的尖角、圓弧面等細節特徵。
二、表面修復
劃分網格之前，需對幾何表面進行檢查（surface repair），不少工程師都會遇到或多或少的模型表面錯誤（穿刺、自由邊、壓縮邊等），一些工程師可能和我一樣曾經會困惑如何處理？若表面修復後發現穿刺、自由邊等問題成千上百甚至更多，這時候應回到CAD軟件裡檢查整個模型，是否存在干涉和其他等問題；若表面修復問題比較少，則通過表面修復的主界面操作命令進行修復。
三、網格設計
仿真結果是否準確很大程度上取決於網格設計、網格質量。在劃分網格前，需對幾何模型進行評估，選取網格類型、網格尺寸、關鍵區域加密等。
STRACCM+高效的重要原因就是前處理與後處理高度集成，在軟件裡完成網格設置和網格劃分，當然也可以在前處理軟件（hypermesh、ansa）裡進行面網格劃分，然後導入STARCCM+進行體網格劃分。
個人推薦在STARCCM+進行幾何模型網格劃分，提高仿真工作效率。網格設置可基於Parts的網格劃分，可基於Region的網格劃分；網格類型可分為多面體、四面體、切割體、稜柱層、薄壁（thin）網格等，不同的網格類型的特徵和適用範圍不同。
四面體網格易浪費，收斂慢；多面體網格比四面體網格計算精確，收斂快，在不同區域的交界面上形成正交的網格，適用於傳熱、旋流、複雜流動等；切割體網格比多面體網格需求的內存少，不同區域的交界面上不能形成共形網格，適用於電子散熱、外部流動；thin網格用於體積較薄的區域（例如導熱墊、隔熱墊、鈑金件等等），通常和多面體網格組合使用。此外，考慮傳熱計算精確度，網格劃分時需要考慮交界面處網格共形與非共形。
四、工況仿真分析
Starccm+進行電池包熱管理仿真分析分為純流動計算（穩態計算）、電芯生熱計算和流熱耦合計算。
流場分析在電池冷卻系統設計過程中，對冷卻系統進行流場分析，得到在不同流量下冷卻系統的流阻特性、流量分配等信息，用以初步評估冷卻系統冷卻均勻性，併為水泵選型和匹配作參考。流場分析結果取決於流道抽取模型處理的準確度。
熱仿真分析依據整車性能工況輸入，分為放電工況分析（行車工況、爬坡工況、NEDC工況等等）和充電工況分析（高溫快充、常溫快充、低溫快充、低溫慢充）。例如分析高溫高速工況（極限工況），即對電池在高溫狀態下工作進行仿真模擬，評估冷卻系統性能，以及電池最高溫、溫差等指標。
充電工況包括高溫快充、常溫快充、低溫快充、低溫慢充等，主要用於評估在不同溫環境條件下，電池的充電特性以及溫度、溫差等熱管理指標。
仿真結果是否準確取決於工程師是否理解所分析工況、電芯發熱量計算、模型建立、網格劃分、邊界條件等因素。根據設計目標，對應如下評價指標對仿真計算結果進行評價，評估熱管理系統設計可行性，並指導熱管理系統方案設計和優化。
五、熱管理控制策略實現
電池熱管理控制策略需要與整車能量管理相匹配，涉及到能量的分配、使用場景以及使用優化平衡問題。對於電池熱管理工程師來說，所關心的關鍵問題，在於如何滿足電池溫度要求、溫度均勻性、平衡壓降與溫差和冷卻液進出口條件設定。熱管理系統設計的成功不僅僅取決於液冷系統設計，同時也取決於不同工況下設定不同的控制策略。
假設分析工況：高溫行車工況下，環境溫度為42℃；電池Tmax≥38℃，開啟液冷迴路，電池Tmax≤32℃，關閉液冷迴路，電池生熱功率隨整車工況變化；冷卻液溫度為20℃，進口流速為10min/L。
下面給大家簡單演示一下，為了節約計算時間，下圖描述的控制策略為電池Tmax≥39.5℃，開啟液冷迴路，電池Tmax≤38.5℃，關閉液冷迴路。
圖1為電池溫度變化動態雲圖，從動態圖看出溫度先下降後上升的過程，最高溫度為39.9，此時液冷迴路開啟。
圖1 電池溫度變化動態雲圖
從圖2、圖3可以看出，一開始Tmax≥39.5℃，進口速度為1m/s，隨著冷卻迴路開啟，電池溫度降低；當電池Tmax≤38.5℃時，此時冷卻迴路關閉，隨之而來電池溫度上升，當再次電池Tmax≥39.5℃時，冷卻迴路開啟，實現溫度回差控制。上述簡單的例子說明通過starccm+實現熱管理策略控制，實際行車過程中，工況更為複雜，需要根據電池系統溫度變化制定相應的控制策略，不斷地開啟或關閉水泵。
圖2 電芯最高溫度與進口速度動態變化曲線
圖3 液冷系統進口速度變化曲線
上面舉例簡單說明了在STRACCM+軟件裡設定熱管理控制策略，熱管理仿真分析需根據不同工況來設定熱管理策略。實車熱管理策略實現過程，BMS接受喚醒信號，無故障後進入工作模式，判斷最高溫度或最低溫度是否達到加熱或冷卻條件，向VCU發出請求，然後開啟或者關閉控制元件。
以上為筆者基於STARCCM+在電池包熱管理仿真的經驗分享，希望對大家所幫助。
朱老師，仿真秀專欄作者，多年汽車行業CAE仿真分析從業經驗，熱能專業，碩士學歷，整車廠任職動力電池熱管理工程師，擁有豐富傳熱流動理論知識、擅長於一維和三維仿真分析，具有豐富的新能源仿真分析經驗。
學習或工作經歷：南京工業大學熱能專業，碩士學歷；CFD熱管理仿真分析及一維繫統仿真策略分析，曾參與東風日產、長安、吉利等主流整車廠的整車及電池包開發設計工作，擁有多項汽車行業發明專利。
個人案例： 基於整車不同工況下電池熱管理設計及仿真分析，以行車過程極端工況、充電工況及低溫加熱工況進行分析，運用Amesim一維軟件進行模型搭建，分析不同工況下電芯產熱標定，以及控制策略制定，運用STARCCM+軟件進行電池包流場及熱場仿真分析，設置邊界條件、發熱熱源及控制策略，對不同工況下熱管理設計的評估，完成電池熱管理系統仿真分析及優化。
總之，授之以魚不如授之以漁，希望《STRACCM+入門到精通系列課程—基於STARCCM+在新能源熱管理仿真應用》能幫助大家進一步掌握STARCCM+軟件，更好、更高效地講解工程應用仿真問題。
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