眾所周知，新能源汽車鋰離子電池的最佳工作溫度只在一個狹小的范圍，不僅其本身在工作時會產生熱量，而且還會受周圍環境溫度的影響，故需要高效的熱管理系統將電池維持在一定范圍內。而仿真分析應用于系統開發可以縮短開發周期和降低開發成本等。仿真一般分為零件級別的三維性能仿真和系統級別的匹配與策略仿真。今天開始首先來講講三維CFD仿真。

• 仿真流程

電池熱管理仿真流程與其他CFD或CHT仿真流程類似，主要基于產品數模對其進行必要的簡化（前處理），再對數模進行離散處理（劃分網格），然后對系統施加一定的邊界條件和選取適合的計算模型后，交由仿真軟件進行計算，最后對計算結果進行相應的處理，提取相關數據用于編寫分析報告（后處理）。流程歸納如下圖：

電池熱管理仿真問題，其實就是電子元器件散熱問題，只是這個電子元器件有幾個特殊性：數量眾多，結構復雜，發熱量還不均勻（隨時間變化）等，所以如何去平衡計算量（網格量）和計算時間，對于仿真工程師來說是個挑戰。比如下圖電池包，一共有36個模組，分上下兩層擺放，水冷系統采用“三明治”結構，下方水冷管還是口琴管結構，整個液冷系統較復雜，而且模組較多，對仿真前處理畫網格帶來很大的難度。

Audi e_tron電池包

好在市面上的商業CFD軟件都比較成熟，操作越來越便利性的同時，計算效率也大大提高，也算是為解決工程問題帶來了福音。常見的CFD軟件都能對電池進行熱仿真，比如：Star-ccm+，Fluent，Icepack, FloEFD，FloTHERM和TAItherm等等。雖然這些軟件仿真流程都相似，但也有各自的特點，有的所有流程都在一個界面下搞定，比如CD-adapco的Star-ccm+（現已被西門子收購），也有幾個軟件相互配合，發揮各自優勢的，比如ANSYS Fluent。

ANSYS Fluent仿真流程

• 前處理

眾所周知，求解三維CFD問題，關鍵是畫出一套高質量數量適中的網格，網格好壞對求解結果影響最大，而前處理對網格劃分起決定性作用。而筆者認為，液冷電池包前處理的難點在于電池模組的處理：

1. 模組結構復雜，每個模組包括電芯，導熱墊，絕緣膜，極耳和busbar等；

2. 數量眾多，一個電池包少則幾十個電芯，多則上千個，比如特斯拉的圓柱電芯，整個電池包好幾千個電芯；

3. 網格尺寸不好控制，電芯的極耳和busbar等厚度尺寸較小，控制網格數量上帶來很大的挑戰。

而流體域部分的處理（指水冷板和流道），由于現今制造工藝日趨成熟，流道大多比較規整，而且并聯或者對稱結構較多，所以流體域處理相對來說簡單些。筆者曾經秉著對網格的高質量要求，使用Hypermesh花一個多星期手動拉伸出一套全六面體的軟包電芯網格，而只用了兩天前處理完液冷板并畫出完整網格，所以可以感受下電池包建模的難易。

模組前處理根據冷卻方式和計算方法的不同稍有點差別，下面分別列舉方形和軟包電芯模組的前處理案例來分析：

下圖是常見的方形模組，采用底部鋪設液冷板的冷卻方式，主要研究對象是液冷板的冷卻換熱效果。根據熱量生成與傳遞路徑，保留了busbar和電芯極耳，電芯之間的泡棉，電芯周圍的絕緣膜和底部導熱材料。

再舉個大眾風冷電池包的例子，每個模組由N片軟包電芯組成，每個電芯外部還有比較薄的散熱片包裹，由于是風冷，跟空氣接觸到的地方都需要保留，所以模組端板，電芯端蓋，散熱片，busbar和總正總負等都保留并做了一定的簡化。

上面兩個例子有個共同點是都保留了電芯的極耳和busbar，busbar的溫度在冷卻的時候能很好的反應模組的最高溫度，不論是研究busbar對模組最高溫度的影響【1】還是后期一維仿真的標定，都需要這個點的溫度，所以busbar在前處理建模的時候推薦保留。

再來看看流體域部分,液冷電池包主要通過冷卻液進行熱交換，所以此處流體域部門是指水冷板內的水流道（包內空氣處理方法將在以后章節講解），前處理需要注意的是盡可能保留內部流道特征，特別是變徑，彎頭等一些局部阻力較大的區域，而盡量簡化管路外部特征，比如快插接頭，溫度傳感器等一些不直接參與換熱的元件，這樣能減少些網格量。

雖然現在EV的電池包電量越來越多，電池包也越做越大，但多數采用模塊化設計，包內的熱管理系統也是如此，如下圖冷卻架構，8塊水冷板采用4P2S的方式連接在一起，而這8塊水冷板內部流道是相同的設計，所以前處理相對來說簡單。方案設計前期更是可以只做流體域CFD仿真計算單板流量，后期可以以分支為單位優化水板流道設計，大大提高計算效率。

總體來說，前處理還是模組的難度大一點，需要保留哪些簡化哪些部件斟酌的點多一些。但也不是絕對，關鍵是看研究問題的關注點在哪，需要保留哪些和簡化哪些都可以靈活處理。

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1、 基于starccm+在動力電池熱管理仿真技術應用、

2、新能源汽車PACK熱流體仿真進階20講