在國家政策的大力扶持下，新能源汽車這些年得到了蓬勃的發展。作為新能源汽車的核心零部件，電池包的性能對整車性能的影響是非常大的，因此在研發階段，各整車和零部件生產商對電池包的仿真分析都非常關注，而電池包熱分析是其中很重要的一環。

一般情況下，電池包是由幾百甚至幾千個單體電池組成，CFD建模時往往會生成超過千萬的網格，如果按照傳統的CFD方法進行瞬態熱分析，計算量是非常大的，不滿足實際應用中對分析效率的要求。基于這一點考慮，ANSYS根據CFD熱分析的特點，采用降階處理的方式建立熱分析等效模型完成瞬態熱分析，大大提高了分析效率。

如果只關注電池放電過程中監測點溫度、單體平均溫度或出口溫度等單個物理量的瞬態響應特性，可以采用LTI（Linear Time Invariant） ROM降階模型來進行熱分析，大概的分析流程如圖1所示：

圖1 LTI ROM流程

這一步和傳統的CFD熱分析過程是一樣的，根據實際的邊界條件建立完整的CFD分析模型，并且計算出在不考慮電池發熱情況下的流場穩態結果。

熱問題實際上是一個熱系統的響應問題，分析的是不同工況下輸出量（所關注的溫度）對輸入量（電池熱源）響應。

這一步是要得到某個工況下電池包熱系統的響應。

在上一步模型基礎上給定階躍輸入（設定電池一個固定發熱量）進行瞬態熱分析，記錄輸出量的階躍響應（就是在Fluent的monitor中保存相應的.out文件），當輸出量不再隨時間明顯變化時結束瞬態分析。

ANSYS在系統仿真軟件Simplorer中開發了專門用于生成LTI ROM的工具（如圖2），使用該工具可以根據上一步的階躍響應文件（.out文件）自動生成LTI ROM，生成的ROM（圖3）與原系統具有同樣的系統響應特性，這樣ROM就可以得出與原系統等效的分析結果。

在此例中，ROM的輸入端是電池模塊中16個電池的發熱量，輸出端是16個電池的平均溫度。實際案例中，輸入端和輸出端的數量都是可以根據實際情況來設定的。

圖2 LTI ROM萃取工具

圖3 在Simplorer中生成的LTI ROM

生成LIT ROM之后，就可以在ROM中（圖3的左邊端口）給定任意工況下電池的發熱特性（圖4），得到各個電池的平均溫度隨時間變化的結果。

在Simplorer中只需要經過幾秒就可以得到一個新工況的仿真結果，即使加上前邊3個步驟，計算時間也一般不會超過1個小時，遠遠小于傳統CFD瞬態分析在多核并行情況下幾個小時甚至幾十個小時的計算量。同時，從圖5可以看到，由于LTI ROM與原電池包熱系統具有相同的響應特性，降階處理之后的分析結果與CFD分析結果完全一致，計算精度上不會有任何損失。

圖4 電池任意工況（發熱量隨時間的變化曲線）

圖5 CFD瞬態分析結果（實線）和ROM分析結果的對比（點線）

LTI ROM可以得到任意電池任意工況下各關注點溫度隨時間變化的結果，比如任意監測點溫度、單體電池的平均溫度或出口平均溫度等，但無法得到電池包溫度場隨時間變化的可視化化效果。

要生成溫度變化的可視化效果，需要用到另一種降階處理方法：SVD (Singular Value Decomposition) ROM。

SVD ROM的分析過程（圖6）和LTI ROM過程是類似的，需要通過Simplorer中的SVD ROM萃取工具生成ROM，不同的是SVD ROM在過程中保存的是溫度場的響應數據，而最后需要在Fluent中通過后處理生成溫度變化的動畫（圖7）。

圖6 SVD ROM流程

圖7 電池包溫度變化動畫

由以上介紹可以看出，LTI ROM和SVD ROM都需要給定電池的熱源特性才能得到相應的分析結果，這樣就會有兩個問題：

a)    電池的熱源特性是通過試驗測試得到的，某些情況下可能會由于條件限制而無法獲得該數據；

b)   電池的放電過程受溫度影響，因此電池放電發熱導致溫度升高，這樣又會反過來影響電池放電，如果直接指定電池的熱源就無法考慮溫度反饋帶來的影響。

因此，ANSYS采用現已成熟的電池等效電路模型（ECM）來模擬電池的放電過程，通過ECM與ROM耦合的方式來解決前邊提到的兩個問題。

和ROM工具一樣，ANSYS在Simplorer開發了專門用于生成ECM的工具，大概流程如圖8所示。

圖8 ECM建模流程

需要通過試驗測定單體電池的兩組特性曲線數據：

a)    開路電勢 vs SOC曲線（open circuit potential vs SOC (state of charge) ）

b)   脈沖放電情況下的瞬態電勢（transient potential under pulse discharge）

這個和ROM生成過程一致，基于上一步的試驗數據，在Simplorer中使用專門的ECM萃取工具生成單體電池的ECM模型。

根據實際情況，將單體電池ECM模型通過串聯或并聯的方式搭建電池包的電路模型，其中還可以加入電機、電阻負載等電路元件。

模型搭建完成之后就可以在Simplorer中進行電池包電路系統的仿真分析，得到各種電池特性曲線，其中電池的熱耗散可以作為CFD分析的熱源輸入數值，用于與ROM的耦合分析。

由以上介紹可知，ANSYS是在Simplorer這一個平臺中創建了LIT ROM、SVD ROM和ECM三個模型，在這基礎之上，就可以搭建如圖9所示的完整電池包熱分析模型。

在這一個ECM和ROM耦合的模型中，ECM計算電池熱源的熱耗散并把數據傳遞給兩個ROM，其中LTI ROM計算出電池的平均溫度并把此溫度反饋回ECM，這樣就可以考慮溫度對電池放電的影響，而SVD ROM則計算并保存了整個溫度場分布隨時間變化的過程。

從圖10可以看出傳統CFD分析方法和降階處理方法在計算時間上的差別，按傳統CFD分析方法進行瞬態分析在單核計算情況下需要約5個小時，而降階處理方法僅僅需要耗費幾秒鐘，即使加上生成ROM的時間也不超過半小時。而且在實際應用中，模型越大，這種時間上的差距就越大。

圖9 完整的電池包熱分析模型（ECM和ROM耦合）

圖10 對比數據

熱分析是電池包設計中比較重要的問題，而電池包瞬態熱分析的計算量比較大，不滿足實際應用中對分析效率的要求。ANSYS采用降階處理的方式，通過LTI ROM、SVD ROM與ECM耦合方法搭建了完整的電池包熱分析模型，從結果可以看出，這種方法不僅保證了與傳統CFD分析方法一樣的精度，還大大縮短了計算時間，提高了實際用于中的分析效率。

鑒于篇幅的限制，本文未對各模型的理論做詳細的介紹，若有任何疑問請聯系陽普科技。

（注：文中圖片來自ANSYS官方發布的公開資料）