- 对于电动汽车而言，如何精确控制电池温度是电池热管理系统设计的重要指标。过高或者过低的温度均会对电池产生不良影响：过高的电池温度会缩短电池寿命，过低的电池温度会降低电池活性，电池无法快速充放电。在进行热管理设计时，无法避免的 两个课题是：电池温度是否合理
- 电芯温差是否合理
为了解决这两个问题，首先需要分析电池本身的结构设计是否合理，如水冷板结构、电池模组布置方案，然后进行外围系统的设计，这时需要考虑电池包所需要的冷却液流量、温度和控制策略。为了开发、评估和优化设计方案，缩减开发时间，降低开发成本，电池热管理CFD仿真分析贯穿整个产品开发周期。本文将分析基于STARCCM+仿真的液冷电池包热管理应用，重点阐述在热管理仿真分析过程中需要注意关键点，旨在帮助大家更好分析问题。STARCCM+以效率高、收敛好、集成度高等特点广泛应用于汽车行业，仿真工作流程，运用starccm+进行电池热管理仿真分析时，工程师需要注意的地方或者说可能存在一些难点有这几点：
1、建模方法；
2、表面修复；
3、网格设计；
4、工况仿真分析；
5、热管理控制策略实现。授之以鱼不如授之以渔，下面将对上述几点进行解释和说明。
一、建模方法从结构工程师取得电池包模型是不能直接拿来用的，需要对几何模型进行处理，包括几何模型简化和流道抽取两个部分。
1、几何简化几何模型简化是否合理直接影响到计算量大小以及模型计算精度，具体模型简化复杂程度，需根据分析目的、热管理方案、计算资源、任务周期等综合考虑。一般简化规则为：根据分析目的，尽可能保留对传热影响较大的零部件和特征，忽略对传热影响较小的零部件和特征。总结以下几点供参考:
- 对自然冷却电池包，需考虑空气传热影响，保留箱体、电池模组结构等；
- 对水冷电池包，可忽略空气影响（根据项目周期、开发阶段、计算资源等综合考虑），仅保留冷却系统和电池模组结构；
- 去掉螺栓、连接件、线束等对传热影响较小的零部件；
- 对圆角、螺栓孔等细节特征进行简化处理；
- 对于完全对称模型可考虑对称建模。
2、流道抽取
STARCCM+在仿真分析时保留流体域，需对水冷系统进行流道抽取，流道抽取方法很多，简单流道可直接在STARCCM+进行抽取，复杂流道建议在Catia、Proe或者SCDM软件进行抽取。流道几何模型处理几点建议：
- 去掉固定连接组件、底部泡棉支撑等对传热影响较小部件；
- 抽取内部流道，保留冷却板或口琴管厚度和管路内径，对管道变径、局部弯头等细节特征尽可能保留，忽略进出水口管、集流管管壁厚度；
- 去掉水冷板内部对体网格质量影响较大的尖角、圆弧面等细节特征。
二、表面修复
划分网格之前，需对几何表面进行检查（surface repair），不少工程师都会遇到或多或少的模型表面错误（穿刺、自由边、压缩边等），一些工程师可能和我一样曾经会困惑如何处理？若表面修复后发现穿刺、自由边等问题成千上百甚至更多，这时候应回到CAD软件里检查整个模型，是否存在干涉和其他等问题；若表面修复问题比较少，则通过表面修复的主界面操作命令进行修复。
三、网格设计
仿真结果是否准确很大程度上取决于网格设计、网格质量。在划分网格前，需对几何模型进行评估，选取网格类型、网格尺寸、关键区域加密等。
STRACCM+高效的重要原因就是前处理与后处理高度集成，在软件里完成网格设置和网格划分，当然也可以在前处理软件（hypermesh、ansa）里进行面网格划分，然后导入STARCCM+进行体网格划分。
个人推荐在STARCCM+进行几何模型网格划分，提高仿真工作效率。网格设置可基于Parts的网格划分，可基于Region的网格划分；网格类型可分为多面体、四面体、切割体、棱柱层、薄壁（thin）网格等，不同的网格类型的特征和适用范围不同。
四面体网格易浪费，收敛慢；多面体网格比四面体网格计算精确，收敛快，在不同区域的交界面上形成正交的网格，适用于传热、旋流、复杂流动等；切割体网格比多面体网格需求的内存少，不同区域的交界面上不能形成共形网格，适用于电子散热、外部流动；thin网格用于体积较薄的区域（例如导热垫、隔热垫、钣金件等等），通常和多面体网格组合使用。此外，考虑传热计算精确度，网格划分时需要考虑交界面处网格共形与非共形。
四、工况仿真分析
Starccm+进行电池包热管理仿真分析分为纯流动计算（稳态计算）、电芯生热计算和流热耦合计算。
流场分析在电池冷却系统设计过程中，对冷却系统进行流场分析，得到在不同流量下冷却系统的流阻特性、流量分配等信息，用以初步评估冷却系统冷却均匀性，并为水泵选型和匹配作参考。流场分析结果取决于流道抽取模型处理的准确度。
热仿真分析依据整车性能工况输入，分为放电工况分析（行车工况、爬坡工况、NEDC工况等等）和充电工况分析（高温快充、常温快充、低温快充、低温慢充）。例如分析高温高速工况（极限工况），即对电池在高温状态下工作进行仿真模拟，评估冷却系统性能，以及电池最高温、温差等指标。
充电工况包括高温快充、常温快充、低温快充、低温慢充等，主要用于评估在不同温环境条件下，电池的充电特性以及温度、温差等热管理指标。
仿真结果是否准确取决于工程师是否理解所分析工况、电芯发热量计算、模型建立、网格划分、边界条件等因素。根据设计目标，对应如下评价指标对仿真计算结果进行评价，评估热管理系统设计可行性，并指导热管理系统方案设计和优化。
五、热管理控制策略实现
电池热管理控制策略需要与整车能量管理相匹配，涉及到能量的分配、使用场景以及使用优化平衡问题。对于电池热管理工程师来说，所关心的关键问题，在于如何满足电池温度要求、温度均匀性、平衡压降与温差和冷却液进出口条件设定。热管理系统设计的成功不仅仅取决于液冷系统设计，同时也取决于不同工况下设定不同的控制策略。
假设分析工况：高温行车工况下，环境温度为42℃；电池Tmax≥38℃，开启液冷回路，电池Tmax≤32℃，关闭液冷回路，电池生热功率随整车工况变化；冷却液温度为20℃，进口流速为10min/L。
下面给大家简单演示一下，为了节约计算时间，下图描述的控制策略为电池Tmax≥39.5℃，开启液冷回路，电池Tmax≤38.5℃，关闭液冷回路。
图1为电池温度变化动态云图，从动态图看出温度先下降后上升的过程，最高温度为39.9，此时液冷回路开启。
图1 电池温度变化动态云图
从图2、图3可以看出，一开始Tmax≥39.5℃，进口速度为1m/s，随着冷却回路开启，电池温度降低；当电池Tmax≤38.5℃时，此时冷却回路关闭，随之而来电池温度上升，当再次电池Tmax≥39.5℃时，冷却回路开启，实现温度回差控制。上述简单的例子说明通过starccm+实现热管理策略控制，实际行车过程中，工况更为复杂，需要根据电池系统温度变化制定相应的控制策略，不断地开启或关闭水泵。
图2 电芯最高温度与进口速度动态变化曲线
图3 液冷系统进口速度变化曲线
上面举例简单说明了在STRACCM+软件里设定热管理控制策略，热管理仿真分析需根据不同工况来设定热管理策略。实车热管理策略实现过程，BMS接受唤醒信号，无故障后进入工作模式，判断最高温度或最低温度是否达到加热或冷却条件，向VCU发出请求，然后开启或者关闭控制元件。
以上为笔者基于STARCCM+在电池包热管理仿真的经验分享，希望对大家所帮助。
朱老师，仿真秀专栏作者，多年汽车行业CAE仿真分析从业经验，热能专业，硕士学历，整车厂任职动力电池热管理工程师，拥有丰富传热流动理论知识、擅长于一维和三维仿真分析，具有丰富的新能源仿真分析经验。
学习或工作经历：南京工业大学热能专业，硕士学历；CFD热管理仿真分析及一维系统仿真策略分析，曾参与东风日产、长安、吉利等主流整车厂的整车及电池包开发设计工作，拥有多项汽车行业发明专利。
个人案例： 基于整车不同工况下电池热管理设计及仿真分析，以行车过程极端工况、充电工况及低温加热工况进行分析，运用Amesim一维软件进行模型搭建，分析不同工况下电芯产热标定，以及控制策略制定，运用STARCCM+软件进行电池包流场及热场仿真分析，设置边界条件、发热热源及控制策略，对不同工况下热管理设计的评估，完成电池热管理系统仿真分析及优化。
总之，授之以鱼不如授之以渔，希望《STRACCM+入门到精通系列课程—基于STARCCM+在新能源热管理仿真应用》能帮助大家进一步掌握STARCCM+软件，更好、更高效地讲解工程应用仿真问题。
閱讀更多 仿真秀 的文章
