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(fā)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(fā)階段，各整車和零部件生產(chǎn)商對電池包的仿真分析都非常關(guān)注，而電池包熱分析是其中很重要的一環(huán)。

一般情況下，電池包是由幾百甚至幾千個(gè)單體電池組成，CFD建模時(shí)往往會生成超過千萬的網(wǎng)格，如果按照傳統(tǒng)的CFD方法進(jìn)行瞬態(tài)熱分析，計(jì)算量是非常大的，不滿足實(shí)際應(yīng)用中對分析效率的要求。基于這一點(diǎn)考慮，ANSYS根據(jù)CFD熱分析的特點(diǎn)，采用降階處理的方式建立熱分析等效模型完成瞬態(tài)熱分析，大大提高了分析效率。

如果只關(guān)注電池放電過程中監(jiān)測點(diǎn)溫度、單體平均溫度或出口溫度等單個(gè)物理量的瞬態(tài)響應(yīng)特性，可以采用LTI（Linear Time Invariant） ROM降階模型來進(jìn)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(tǒng)的CFD熱分析過程是一樣的，根據(jù)實(shí)際的邊界條件建立完整的CFD分析模型，并且計(jì)算出在不考慮電池發(fā)熱情況下的流場穩(wěn)態(tài)結(jié)果。

熱問題實(shí)際上是一個(gè)熱系統(tǒng)的響應(yīng)問題，分析的是不同工況下輸出量（所關(guān)注的溫度）對輸入量（電池?zé)嵩矗╉憫?yīng)。

這一步是要得到某個(gè)工況下電池包熱系統(tǒng)的響應(yīng)。

在上一步模型基礎(chǔ)上給定階躍輸入（設(shè)定電池一個(gè)固定發(fā)熱量）進(jìn)行瞬態(tài)熱分析，記錄輸出量的階躍響應(yīng)（就是在Fluent的monitor中保存相應(yīng)的.out文件），當(dāng)輸出量不再隨時(shí)間明顯變化時(shí)結(jié)束瞬態(tài)分析。

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

在此例中，ROM的輸入端是電池模塊中16個(gè)電池的發(fā)熱量，輸出端是16個(gè)電池的平均溫度。實(shí)際案例中，輸入端和輸出端的數(shù)量都是可以根據(jù)實(shí)際情況來設(shè)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(fā)熱特性（圖4），得到各個(gè)電池的平均溫度隨時(shí)間變化的結(jié)果。

在Simplorer中只需要經(jīng)過幾秒就可以得到一個(gè)新工況的仿真結(jié)果，即使加上前邊3個(gè)步驟，計(jì)算時(shí)間也一般不會超過1個(gè)小時(shí)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)CFD瞬態(tài)分析在多核并行情況下幾個(gè)小時(shí)甚至幾十個(gè)小時(shí)的計(jì)算量。同時(shí)，從圖5可以看到，由于LTI ROM與原電池包熱系統(tǒng)具有相同的響應(yīng)特性，降階處理之后的分析結(jié)果與CFD分析結(jié)果完全一致，計(jì)算精度上不會有任何損失。

圖4 電池任意工況（發(fā)熱量隨時(shí)間的變化曲線）

圖5 CFD瞬態(tài)分析結(jié)果（實(shí)線）和ROM分析結(jié)果的對比（點(diǎn)線）

LTI ROM可以得到任意電池任意工況下各關(guān)注點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化的結(jié)果，比如任意監(jiān)測點(diǎn)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(shí)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(yīng)數(shù)據(jù)，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(yīng)的分析結(jié)果，這樣就會有兩個(gè)問題：

a)    電池的熱源特性是通過試驗(yàn)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(shù)據(jù)；

b)   電池的放電過程受溫度影響，因此電池放電發(fā)熱導(dǎo)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(xiàn)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(gè)問題。

和ROM工具一樣，ANSYS在Simplorer開發(fā)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(yàn)測定單體電池的兩組特性曲線數(shù)據(jù)：

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(tài)電勢（transient potential under pulse discharge）

這個(gè)和ROM生成過程一致，基于上一步的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，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(jù)實(shí)際情況，將單體電池ECM模型通過串聯(lián)或并聯(lián)的方式搭建電池包的電路模型，其中還可以加入電機(jī)、電阻負(fù)載等電路元件。

模型搭建完成之后就可以在Simplorer中進(jìn)行電池包電路系統(tǒng)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(shù)值，用于與ROM的耦合分析。

由以上介紹可知，ANSYS是在Simplorer這一個(gè)平臺中創(chuàng)建了LIT ROM、SVD ROM和ECM三個(gè)模型，在這基礎(chǔ)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(gè)ECM和ROM耦合的模型中，ECM計(jì)算電池?zé)嵩吹臒岷纳⒉褦?shù)據(jù)傳遞給兩個(gè)ROM，其中LTI ROM計(jì)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(jì)算并保存了整個(gè)溫度場分布隨時(shí)間變化的過程。

從圖10可以看出傳統(tǒng)CFD分析方法和降階處理方法在計(jì)算時(shí)間上的差別，按傳統(tǒng)CFD分析方法進(jìn)行瞬態(tài)分析在單核計(jì)算情況下需要約5個(gè)小時(shí)，而降階處理方法僅僅需要耗費(fèi)幾秒鐘，即使加上生成ROM的時(shí)間也不超過半小時(shí)。而且在實(shí)際應(yīng)用中，模型越大，這種時(shí)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(shù)據(jù)

熱分析是電池包設(shè)計(jì)中比較重要的問題，而電池包瞬態(tài)熱分析的計(jì)算量比較大，不滿足實(shí)際應(yīng)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(jié)果可以看出，這種方法不僅保證了與傳統(tǒng)CFD分析方法一樣的精度，還大大縮短了計(jì)算時(shí)間，提高了實(shí)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(xì)的介紹，若有任何疑問請聯(lián)系陽普科技。

（注：文中圖片來自ANSYS官方發(fā)布的公開資料）