摘要：本文通過安世亞太自主開發的通用流體仿真軟件PERA SIM Fluid對電池液冷散熱進行計算分析。通過這個計算分析，展示PERA SIM Fluid的相關功能，希望對其他工程師有所幫助。

關鍵詞：動力電池；散熱；水冷；共軛換熱

點擊下方視頻，查看精彩案例演示

1.引言

動力電池作為現代電動汽車、混合動力汽車等新能源交通工具的核心部件，其重要性不言而喻。它不僅關系到車輛的性能、續航里程，更直接關系到車輛的安全性和可靠性。動力電池是新能源汽車的“心臟”，它為車輛提供源源不斷的動力。隨著新能源汽車市場的不斷擴大，對動力電池的性能要求也越來越高。高能量密度、高功率密度、長壽命、低成本等成為了動力電池研發的主要方向，而在這些性能要求中，熱管理尤為重要，動力電池在工作過程中會產生大量的熱量，如果不能及時有效地散熱，就會導致電池溫度升高，進而影響電池的性能和壽命，甚至可能引發安全事故。

仿真技術，作為一種先進的計算機輔助設計方法，為動力電池的熱設計提供了強大的支持。通過仿真，設計師可以在計算機上模擬電池在不同工作條件下的熱行為，預測電池的溫度分布、熱流密度等關鍵參數。這不僅可以幫助設計師更好地了解電池的熱特性，還可以為電池的結構優化、散熱設計提供重要的理論依據。在動力電池熱設計的實際應用中，仿真技術已經取得了顯著的成果。例如，通過仿真技術，設計師可以優化電池的散熱片結構、改進冷卻液的流動方式、調整電池模塊之間的間距等，從而有效地降低電池的工作溫度，提高電池的性能和壽命。同時，仿真技術還可以用于評估電池在不同工作環境下的熱安全性能，為電池的安全使用提供有力保障。

本文通過通用流體分析軟件PERA SIM Fluid對圓柱電芯液冷散熱工況仿真分析，展示PERA SIM Fluid實現動力電池熱分析的方法。

2.電池模組結構與研究方法

結構上動力電池系統由電池pack、冷卻系統、結構框架、保護外殼、電氣連接器、安全裝置、軟件控制系統等多個復雜組件構成，本案例中采用的電池模塊僅保留多個電芯、液冷管道以及電芯外塑料件。

圖 1 電池Module模型

3.仿真設置流程

3.1 模型建立及簡化

1) 打開PERASIM Fluid 2024R1，在工作目錄下新建項目【BatteryThermal】，將準備的好的電池幾何文件“Battery.stp”導入。

圖 2 幾何導入窗口

圖 3 導入后的電池模組幾何模型

2) 整個模型中還缺少內流場，通過上方Ribbon功能區中【幾何】→【創建】功能，選中管道的開口，創建面來封閉內流場，同理，另一半的出口管道也通過這個方式來創建；

圖 4 選中線后創建面

3) 在 Ribbon 菜單上選擇【幾何】 →【快速修復】，激活快速修復功能，保持默認設置，點擊【修復】按鈕。如下圖所示：

圖 5 快速修復屬性面板

4) 執行【幾何】 →【修復】 →【識別體】功能，軟件會基于面自動識別出對應的體區域，將之前生成的入口和出口面封閉成流體域：

圖 6 識別體前（左）后（右）的模型樹示意

5) 在模型樹節點中點擊相應的體節點，可獲得視圖區幾何體高亮。可以看到在左側模型樹中多了一個幾何“PlasticPack_S.2”，點擊后可以看到，該幾何即生成的流體域，軟件自動命名為“PlasticPack_S.2”，在節點“PlasticPack_S.2”上右鍵單擊重命名，將“PlasticPack_S.2”修改為“Fluid”，如下圖所示：

圖 7 自動識別的流體域

6) 執行【幾何】 →【面編輯】 →【分組】功能，將創建的兩個面分別分組至“inlet”和“outlet”；

圖 8 面分組功能來定義液冷入口和出口

7) Ribbon功能區中切換到【網格】功能，【網格】中先進行【全局網格】設置。設置最大尺寸0.008，最小尺寸0.002，點擊【應用】；

圖 9 全局網格控制基本設置

8) 在【網格】功能中，勾選【多面體】，選擇進行【基于體】生成體網格。生成網格216989個多面體網格。通過【工具】下的【網格切平面】功能，可以進行網格剖視查看。通過【網格】功能下的【質量】功能，可以查看網格質量分布。

圖 10 生成的體網格

圖 11 網格切面

圖 12 網格質量查看

3.2 求解設置

1) 模型樹區域由【網格】模塊切換到【分析】模塊下，進行求解條件的設置：

圖 13 分析模塊

2) 在【模型】中右鍵【能量】，激活能量方程求解；

圖 14 激活能量方程

3) 在【模型】中【粘度】模型里，選擇模型為SST kw模型；

圖 15 粘度模型的設置

4) Ribbon功能區中，切換到【設置】功能下，點開【材料庫】，將材料庫中的液態水復制到材料中，點開模型樹中的【材料】節點，可以看到液態水已經在材料中了；通常動力電池的液冷系統中不會采用水作為冷卻液，而是乙二醇和水的混合液、LM-8型載冷劑等，以便適應低溫環境或者微小流道，本案例為了方便演示僅添加水作為冷卻劑；圓柱電芯是各向異性材料，在材料中添加【battery】材料，密度2160kg/m3，比熱容900J/(kg*K)，導熱系數【0.5 0.5 15】W/(m·K)；添加外側的包裹的復合材料【Plastic】，密度2000 kg/m3，比熱500 J/(kg*K)，導熱0.08 W/(m·K)；

圖 16 添加材料

5) 點開【計算域】節點中的【流體】節點，將除了Fluid以外的所有計算域均選擇并右鍵，更改為固體，其中所有的電芯設置為【battery】材料，并添加熱源項50000w/m3；將電芯外側的包裹材料改為【Plastic】；

圖 17 設置計算域

6) 點開【邊界條件】節點，右鍵單擊“inlet（壁面） ”節點，選擇【類型】 →【速度入口】，雙擊“inlet（速度入口） ”節點，打開速度入口屬性設置界面，設置【法向速度】 為2（m/s），其余設置保持默認。右鍵單擊“outlet（壁面） ”節點，選擇【類型】 →【壓力出口】，雙擊“outlet（壓力出口） ”節點，打開壓力出口屬性設置界面， 設置【湍流】→【定義方式】為【強度和粘性比】；

圖 18 邊界條件的定義

7) 雙擊【求解】節點下的【方法】節點，打開求解方法設置屬性頁，設置空間離散動量格式為【二階迎風格式】，湍流格式為【二階迎風格式】，壓力格式為【標準格式】，其余設置為默認，點擊【應用】按鈕確認設置；

圖 19 求解方法的設置

8) 雙擊【求解】節點下的【控制】節點，打開方程求解控制設置屬性頁，保持默認設置；

9) 雙擊【求解】節點下的【初始化】節點，打開求解初始化設置屬性頁，保持默認設置，點擊【應用】按鈕確認設置；

10) 雙擊【求解】節點下的【計算】節點，打開計算設置屬性頁，設置【并行選項】→【本地】→【核數】為 4，【迭代選項】→【迭代步數】 為 200，其余保持默認設置，點擊【應用】按鈕確認設置。

圖 20 計算設置

4.計算結果分析

PERA SIM Fluid后處理包括點數據提取，線、面、分割區域的云圖、矢量圖、等值線/等值面、動畫、二維數據表/曲線、用戶自定義變量等。這里僅展示部分功能。

左側模型樹上方切換到【結果】標簽頁下，Ribbon功能區切換到【后處理】功能中，可以進行相關的后處理操作，下面展示部分后處理計算結果。

圖 21 溫度分布圖

圖 22 液冷管道壓力分布云圖

圖 23 中間小流道的速度分布圖

圖 24 對標軟件中計算的電芯溫度

圖 25 對標軟件中流道壓力分布

5.結論

本文利用PERA SIM Fluid流體仿真軟件，實現了動力電池模組的散熱分析。完成模型導入、幾何修復、網格劃分、邊界條件以及求解參數等設置處理后，進行了求解，得到了電芯的溫度、液冷的壓降等參數并與某主流流體仿真軟件進行對比。

通過本案例可以看出，PERA SIM Fluid流體仿真軟件能夠處理完整的流體仿真。

1. 從幾何層面上來講，軟件支持多種外部模型類型的導入，并對模型進行快速地修復；

2. 從網格層面，軟件支持多種網格控制方式，支持多面體體網格生成；

3. 從材料來講，軟件提供了材料庫，提供了多種常用材料的快速導入以及自定義材料的輸入；并且提供了多種湍流模型來適應多種不同的工況的計算；

4. 從計算域功能來看，軟件支持對計算域熱源項進行定義，支持共軛傳熱問題的計算；

5. 從邊界條件層面來講，軟件支持壓力、流量、速度等多種載荷類型，支持多種壁面邊界條件以及流體交界面的定義；

6. 從后處理層面來看，軟件可以查看計算的速度、壓力等結果云圖，也支持查看特定截面的云圖展示，同時支持通過積分計算對某些流動變量進行提取等功能。

本例僅能展示PERA SIM Fluid流體分析軟件的部分功能，還有很多功能有待感興趣的工程師進一步地嘗試開發。

作者：安世亞太高級流體工程師 陳瑞