導讀

本案例主要是對某電動包Pack進行整包的熱仿真計算。詳細講解了電池包CAD模型的修復處理、CAD模型導入Icepak、Icepak熱模型的修復、Icepak熱模型的網格劃分過程及修復、求解計算的設置、直到最終后處理顯示，并提出熱流優化的方向。通過Step by step進行講解，用戶可學習到：

① SCDM修復此類電池包的技巧及規則
② SCDM如何將CAD模型導入Icepak
③ Icepak熱模型的網格劃分技巧
④ 熱模型求解計算的設置
⑤ Icepak后處理結果顯示
⑥ 要求SCDM版本為18.1以上

一、問題描述

對電動汽車而言，電池Pack的熱控（降溫、加熱）非常關鍵。本算例的電池包模型主要包括Pack外殼、多個電池模塊、電池模塊固定架、出風口及三個軸流風機；對于此類機箱熱模擬而言，需要輸入風機本身的P-Q曲線，設置電池包各個部件的材料屬性（尤其是導熱率）和熱耗；在計算強迫風冷的同時，考慮電池包外部空氣區域與外殼的自然對流及輻射換熱計算。

圖1 電池包散熱案例

二、CAD模型的修復

1、使用SCDM打開電池包模型，在模型樹下選擇所有名稱為luosi的器件，點擊右鍵，刪除這些幾何體；

圖2 打開電池包CAD模型

2、使用SCDM的分割主體命令，選擇Pack底殼的內表面，將底殼與其他5個側面分開；

其他5個側面比較薄，將使用殼單元建立熱模型，而底殼使用實體模型；

圖3 分割電池包外殼

3、選擇SCDM主菜單欄Workbench下的開口命令，然后鼠標選擇殼體左右兩側、后側（安裝風機一側）的外表面；SCDM自動生成開口Opening模型；

圖4 生成開口

4、使用Workbench下的仿真簡化命令，在類型中選擇級別0，然后將殼體轉化成方塊；

然后選擇方塊的某個面，點擊右鍵—復制—粘貼；依次對其他4個面進行類似操作，建立機殼的殼單元（開口Opening與殼單元接觸，會自動將殼單元打穿）；然后刪除轉化后的方塊Block模型；

圖5 簡化外殼

5、點擊WB菜單下的識別對象，SCDM將認可的模型（殼單元，長方體，圓柱體）轉換為Icepak熱模型；點擊顯示—非仿真主體，查看未轉換的幾何體；點擊風扇命令，然后鼠標左鍵選擇風機進風口半徑和Hub半徑，完成風機轉換；依次對其他2個風機進行轉化；

再次點擊顯示—非仿真主體；

圖6 轉化風機

6、選擇一個固定架，點擊右鍵—隱藏其他；選擇支架上的安裝孔，點擊左側選擇面板，然后點擊孔等于或小于4.25mm，單擊填充命令，支架上的孔洞消失；

圖7 填充支架孔洞

使用分割主體命令，將支架兩頭的梯形凸臺結構與支架分開（盡可能使得模型變成規則的幾何形狀，以利用劃分網格）

圖8 分割支架凸臺

7、調整視角，如下圖所示，單擊分割主體命令，使用下圖中橙色的面，對固定架進行切割；然后使用WB下的仿真簡化—級別0，將下圖中橙色的幾何體轉化成長方體Block；轉化后的長方體與電池單體干涉，在熱仿真模型中，只需保證電池體優先級高于固體支架即可。

圖9 分割簡化支架（1）

8、選擇下圖中橙色的表面及其正對的面（與其平行，視圖區域未顯示），單擊分割主體命令，SCDM會將鏤空結構的固定支架切割成多個長方體（使用WB—仿真簡化—級別1也可以自動切割、轉換）；點擊WB下的識別對象，這些規則幾何體自動轉換為Icepak熱模型；對其他3個固定支架執行第6）—第8）相同的操作；

圖10 分割簡化支架（2）

9、單獨顯示一個電池單體；使用鼠標框選下圖中標注的螺母、凸臺特征，然后點擊填充命令，SCDM自動刪除這些幾何特征（本算例假定螺母緊密，忽略其導致的接觸電阻及熱損耗）；保留電池體、正極極柱及集流板（綠色部分）、負極極柱及集流板（粉色部分）；使用WB—仿真簡化—級別1對電池體進行自動切割、模型轉化，使其變成Icepak熱模型（由于原始CAD電池體將極耳、電池體、集流板，所以必須對其進行切割轉化，使其分開）；對其他所有電池體進行類似命令的操作；

圖11 分割簡化電池電極

10、按照下圖所示的電流方向及單個電池正負極的標注示例，對模型樹下所有電池的正極極柱及集流板、負極極柱及集流板進行重命名；

圖12 重命名電池電極、集流板

11、點擊顯示—非仿真主體，查看未轉換的幾何體；單擊WB—仿真簡化—級別1，選項中務必勾選允許分割，然后框選所有的銅排（用于電池并聯、串聯），自動轉換為多個長方體；完成CAD模型的修復、轉化；

圖13 簡化銅排

12、勾選顯示模型樹下所有器件，并對部分模型（SCDM生成的新模型，名稱為中文字符）重新進行命名；點擊保存；

圖14 顯示所有器件

三、CAD模型的導出

點擊File—另存為，在相應項目目錄下建立新文件夾，并命名（dianchiThermal），打開此文件夾；在保存類型中選擇Icepak項目（*.icepakmodel)，然后點擊保存，完成Icepak熱模型的輸出；可以單獨啟動Icepak，直接打開dianchiThermal項目。

圖15 導出CAD模型

四、Icepak熱模型的修復

假定讀者熟悉Icepak軟件的相應命令，部分操作不再進行截圖顯示。

1、各部件材料及熱耗說明：

① 電池正極極柱、集流板材料為鋁（導熱率205w/m.k），負極極柱、集流板材料為Cu-pure；電池體導熱率各向異性，其中X方向1.5w/m.k，而Y\Z方向導熱率30w/m.k；在20℃環境下，此電池單體1C恒流放電工況下熱耗為1.5w；

② 電池Pack外殼及固定電池的支架為SPCC鋼，其導熱率為48w/m.k；

③ 電池串并聯之間的連接體為銅排，材料為Cu-pure；

④ 風機的P-Q曲線如右表，后續在風機模型中直接輸入。

圖16 電池模型及風機P-Q值

2、選擇頂殼plate，向下移動1.5mm（實體頂殼的厚度），使得頂殼可以與電池極柱相貼；使用邊對齊命令，將前后、左右殼體的頂邊與頂殼的邊對齊；

3、新建一種材料，命名為SPCC，其導熱率48w/m.k；并選擇所有的Plate殼單元模型，點擊編輯按鈕，在屬性中選擇contact resistance，輸入厚度1.5mm，選擇SPCC材料；對底殼實體模型輸入SPCC材料；對所有的固定支架輸入SPCC材料；

圖17 新建SPCC材料

4、使用移動命令將風機與后殼接觸（或者使用面對齊命令）；打開風機編輯窗口，選擇Fan type為Internal，保持Flow direction為Positive方向，在fan flow中選擇Non-linear，并輸入風機本身的P-Q曲線；打開開口Opening的屬性面板，去除所有的勾選

圖18 風機P-Q曲線輸入及參數設置

5、新建材料DC，其導熱率各向異性，本算例中，X方向為電池的厚度方向、Y/Z為高度及寬度方向；選擇所有的電池模型，打開多體編輯面板，選擇DC材料，輸入熱耗1.5w；

選擇所有的負極極柱及集流板，對其輸入材料純銅；不修改正極材料、lianjiezhu模型的材料屬性，默認為鋁；對電池串并聯的銅排輸入純銅材料。

圖19 電池材料設置

6、雙擊Cabinet，打開計算區域編輯窗口，修改各個方向的數值，均向外擴大100mm；

并在其屬性中，修改Default為Openging。

圖20 Cabinet參數設置

7、右鍵選擇Model—Sort—Meshing priority，然后選擇模型樹下所有的銅排連接模型（名稱為lianjie），然后向上移動，確保其優先級低于正極級柱、負極極柱；同樣，選擇所有的lianjiezhu模型，向下移動，確保其優先級高于固定支架gudingzhijia模型。

圖21 模型優先級調整

五、Icepak熱模型的網格劃分

1、選擇模型樹下所有器件（除了計算區域Cabinet及Cabinet設置的開口），點擊右鍵—Create assembly，雙擊建立的Assembly，在其屬性區域中輸入Slack數值為10mm，其他保持默認設置；

圖22 Assembly建立（1）

2、點擊Shift+鼠標左鍵，框選下圖相應區域中的器件（包含lianjie銅排、正負極柱及集流板等），點擊右鍵—Create assembly，雙擊建立的Assembly，在其屬性區域中輸入Slack數值為2mm，其他保持默認設置，對Pack電池包上部空間中包含的小尺寸器件建立非連續性網格；同理，對Pack電池包下部空間區域進行框選，點擊右鍵—Create assembly，對其輸入Slack數值2mm，其他保持默認設置，完成非連續性網格的建立。

圖23 Assembly建立（2）

3、打開劃分網格面板，按照下圖進行參數設置，點擊Generate，對熱模型進行網格劃分；網格總數為3024008，Message窗口顯示網格質量0.0508637；點擊Dispaly，對各個器件的面網格、體網格以及切面網格進行檢查，發現固定支架梯形的幾何網格不貼體，必須對其進行Local加密，務必確保網格能夠貼體熱模型。

圖24 網格劃分設置

4、在模型樹下選擇需要加密的幾何體（梯形固定架），點擊右鍵，選擇Edit mesh parameters，在調出的面板中輸入Side1 Count、Side2 Count、Side3 Count、Side4 Count數值為12，表示這4個邊上劃分12個網格，然后在網格劃分面板中點擊Local，Generate劃分網格；或者直接打開網格劃分面板，點擊Local，然后選擇梯形幾何，輸入相應的數值，點擊Done，然后點擊Generate劃分網格。（對梯形做好命名，則很容易選擇）

圖25 網格加密設置

5、網格總數為3344452，點擊Display，選擇梯形幾何，其網格可以保持梯形原有的形狀；點擊Quality，網格質量對齊率為0.177983—1，網格質量明顯提高；

圖26 網格質量查看

六、Icepak熱模型的求解計算

點擊Basic parameters，選擇輻射模型，選擇流態為湍流，勾選自然冷卻重力方向，其他保持默認設置；點擊Basic settings，設置迭代步數；打開Parallel settings，設置多核并行計算；模型樹下選擇某個電池體，拖動至Points下，設置溫度監控點，同樣設置速度監控點；然后點擊求解計算按鈕，進行求解計算，直至計算收斂。

圖27 求解計算設置

七、Icepak熱模型的后處理顯示

1、點擊Object face，可以顯示多個或單個幾何體的溫度分布；

圖28 幾何體溫度分布云圖

2、點擊Plane cut，可以顯示切面的溫度和速度分布；（明顯的氣流短路現象）

圖29 切面溫度、速度分布云圖

3、點擊Object face，可以顯示電池包Pack內部的氣流跡線圖；點擊Report—Fan operating points，可以顯示風機的工作點。

圖30 電池包內部氣流跡線圖

4、在視圖區域中框選電池體，然后在模型樹下點擊右鍵，打開Summary report面板，可以統計被選擇電池包的最大溫度、最小溫度及平均溫度等等。

圖31 電池包模型溫度統計設置

5、電池包的溫度定量統計表

圖32 電池包溫度定量統計

八、Icepak熱模型的優化方向

通過前面的計算，可以發現，電池包Pack內存在氣流短路現象，不利于散熱；可以通過修改電池包的外殼或者在電池包內增加導風板，以消除氣流短路現象；相應的措施如下圖所示。（也可以在進風腔體區域內設置導流板，以消除渦流區域，降低系統的阻力，如右圖中的紅色標記線）優化計算后，可以發現電池包的最高溫度有所降低，降低了約3℃。

 圖33 導流板設置

圖34 優化設計模型溫度云圖

九、總結

本案例主要介紹了使用SCDM對某風冷電池包CAD模型進行修復處理、講解了CAD模型導入Icepak、Icepak熱模型的修復、Icepak熱模型的網格劃分過程及修復、求解計算的設置、后處理顯示等整個電池包Pack的熱流仿真計算過程，并提出了整包熱流優化的方向。