電池包pack的案例
電動汽車電池包熱仿真Step by Step教程
作者：王永康
來源： 仿真秀 （ID:fangzhenxiu2018）
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。
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熱管理設計
為了確保動力電池在最佳溫度范圍內穩定運行，電池包需集成一套高效且科學的熱管理系統，其核心功能涵蓋以下幾個方面：
1.精準溫控監測：實時、準確地測量并監控電池組的溫度狀態，為熱管理策略提供可靠數據支持。
2.高效散熱機制：在電池組溫度過高時，迅速啟動散熱與通風系統，有效排出熱量，防止熱失控，保障電池安全。
3.低溫快速預熱：針對低溫環境，實施快速加熱策略，使電池組迅速達到適宜的工作溫度，確保車輛正常啟動與行駛。
4.溫度均衡控制：通過優化熱管理設計，確保電池組內各單體電池間溫度分布均勻，延長電池使用壽命，提升整體性能。
電池熱管理系統的核心設計目標是在兼顧空間優化、成本控制以及輕量化等關鍵要素的前提下，實現對電池組溫度的有效調控。該系統旨在通過精確的加熱與冷卻機制，確保電池系統能夠在一個理想的溫度范圍內穩定運行，同時最大限度地縮小電池單體之間的溫度差異，以維護電池性能的一致性和延長使用壽命。以下是電池熱管理系統設計結構圖：
圖5 熱管理系統設計結構圖
仿真分析
在鋰電池Pack設計中，熱流體仿真分析是關鍵工具，用于輔助工程師設計高效的熱管理系統。在熱管理系統設計階段，通過熱場仿真分析Pack、模組或電池，快速確定合適的冷卻、加熱與保溫策略。進入冷卻子系統設計階段，進一步結合熱場與流場仿真，精確調整冷卻通道設計、選定冷卻介質、設定入口溫度與流量，并優化風扇或泵的參數，以確保電池組在最佳溫度條件下運行。
利用熱流體仿真工具，Pack熱管理設計與部分測試工作可高效地在電腦上完成，大幅節省設計、制造與測試成本。以下給予案例中的方式，跟大家介紹一下動力電池熱管理仿真分析的基本流程與技巧。
展開 動力電池熱管理仿真分析教程
自2019年10月10日起，我將在平臺發布《新能源汽車PACK熱流場分析進階16講》。
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一、為什么要做汽車熱流場仿真分析
動力電池是電動汽車的能量來源，在充放電過程中電池本身會產生一定熱量，從而導致溫度上升，而溫度升高會影響電池的很多特性參數，如內阻、電壓、SOC、可用容量、充放電效率和電池壽命。高溫將大大降低電池的日歷壽命，從而影響到整車的性能和使用壽命。溫度過低也會使得動力電池容量下降，充電時間過長，從而影響電動車的性能。
鋰電池Pack設計中往往會借助熱流體仿真分析來輔助工程師完成pack熱管理系統設計，
借助熱流體仿真分析工具，大部分的Pack熱管理設計工作和部分測試工作都可以在電腦上完成。大量的設計、制造、測試工作可以被省略，Pack設計的成本也會大幅度下降。
本課程案例：基于目前市場上主流的動力電池的熱管理設計都是采用液冷設計，本案列以采用液冷的方式對新能動力電池進行液冷或液熱，以ANSYS-SCDM軟件做為電池包PACK建模的前處理器，以STAR-CCM+軟件作為液冷系統流場仿真和PACK熱場仿真的求解器，建立了液冷系統流場仿真和PACK熱場仿真分析模型，最終實現了動力電池在低溫停車加熱工況，常溫行車、高溫行車工況PACK內部電池溫度變化情況，提出合理的對仿真結果評估的方法
本課程不僅僅是關于動力仿真流程學習課程，同時也是對新能源汽車動力電池熱管理技術設計經驗分享課程。
展開 一文帶你了解汽車動力電池熱管理系統的類型、管理方案以及發展趨勢（內含視頻教程）
網格劃分策略：講解高效、精確的網格劃分方法，針對電池復雜結構，展示如何優化網格以提高仿真精度和計算效率。
液冷設計應用：以液冷技術為核心，通過ANSYS-SCDM構建電池包PACK模型，STAR-CCM+進行流場與熱場仿真，模擬真實工況下的溫度變化。
電池多工況分析：涵蓋低溫停車加熱、常溫及高溫行車等多種工況，全面分析PACK內部電池溫度動態變化，確保設計適應不同環境需求。
熱模型建立與驗證：系統講解如何根據電池特性及工況需求，構建合適的熱管理仿真模型，并通過實驗數據或理論計算進行模型驗證，確保仿真結果的可靠性。
結果評價與優化：教授如何解讀仿真結果，評估電池熱管理系統的性能，并提出改進建議。同時，介紹如何通過迭代優化提升熱管理效率，延長電池使用壽命
技術經驗分享：本課程不僅傳授仿真流程與技能，也是在分享新能源汽車動力電池熱管理技術的實戰經驗與設計思路。
通過本課程，您將可以在短時間內全面掌握動力電池液冷熱管理仿真的核心技術，并能在實際工作中靈活應用，為新能源汽車的安全、高效運行貢獻力量。
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新能源汽車動力電池熱管理熱流體仿真案列分析
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本案列電池系統采用液冷熱管理方式的，如圖1和圖2所示是電池PACK系統前處理模型，主要包括：上下箱體，液冷板，導熱墊、隔熱護板、絕緣板、模組等結構，由4個模組成，每個模組由18個50Ah方形電芯組成。液冷系統采用兩進兩出的并聯方式，箱體采用集成液冷系統設計，通過型材水冷板總成和框架總成通過FDS工藝和涂膠工藝進行固定和密封，該系統優勢在于液冷系統的結構組件借用了箱體的結構組件使得電池系統更輕。
利用ANSYS-SCDM軟件對電池包PACK建模前處理，以STAR-CCM+軟件作為液冷系統流場仿真和PACK熱場仿真的工具，建立熱流場仿真分析模型，最終實現了對動力電池在低溫停車加熱工況，常溫行車、高溫行車等工況PACK內部電池溫度變化情況仿真，同時實現了對液冷系統內部壓降和流量均勻性仿真，對冷板結構設計提出合理依據。
圖1 PACK系統簡化數模
圖2 PACK系統簡化數模爆炸圖
一、 模型簡化
通過分析數模的結構組成及各部件的作用以評估各部分對熱系統的影響，進而決定對部件的保留、簡化、還是舍棄。模型簡化的原則，在盡可能仿真精度的情況下，通過簡化減少網格的數量同時提高網格質量，提高計算效率。
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電池包（PACK）內的溫度環境對電芯的可靠性、壽命及性能都有很大的影響，因此，使PACK內溫度維持的一定的溫度范圍區間內就顯示尤其重要。這主要是通過冷卻與加熱來實現，其冷卻方式主要分為三類：
1、 風冷：風冷是以低溫空氣為介質，利用熱的對流，降低電池溫度的一種散熱方式，分為自然冷卻和強制冷卻(利用風機等)。該技術利用自然風或風機，配合汽車自帶的蒸發器為電池降溫，系統結構簡單、便于維護，在早期的電動乘用車應用廣泛，如日產聆風（Nissan?Leaf）、起亞Soul?EV等，在目前的電動巴士、電動物流車中也被廣泛采納。
2、 液冷：液體冷卻技術通過液體對流換熱，將電池產生的熱量帶走，降低電池溫度。液體介質的換熱系數高、熱容量大、冷卻速度快，對降低最高溫度、提升電池組溫度場一致性的效果顯著，同時，熱管理系統的體積也相對較小。液冷系統形式較為靈活:?可將電池單體或模塊沉浸在液體中，也可在電池模塊間設置冷卻通道，或在電池底部采用冷卻板。電池與液體直接接觸時，液體必須保證絕緣(?如礦物油)?，避免短路。同時，對液冷系統的氣密性要求也較高。此外，就是機械強度，耐振動性，以及壽命要求。?液冷是目前許多電動乘用車的優選方案，國內外的典型產品如寶馬i3、特斯拉、通用沃藍達、吉利帝豪EV。
3、 直冷：直冷(制冷劑直接冷卻)：利用制冷劑(R134a等)蒸發潛熱的原理，在整車或電池系統中建立空調系統，將空調系統的蒸發器安裝在電池系統中，制冷劑在蒸發器中蒸發并快速高效地將電池系統的熱量帶走，從完成對電池系統冷卻的作業。
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動力電池系統作為硬件本體和控制系統結合極為緊密的系統，其測試大致可以劃分為兩大部分：電池包本體（Pack）測試、電池管理系統（BMS）測試，下面分別介紹這兩部分的測試情況。
1
電池包本體（Pack）測試
電池包本體測試一般在DV/PV（設計驗證/生產驗證）階段進行，目的是為了驗證電池包的設計/生產是否符合設計要求。其中包含溫度測試、機械測試、外部環境模擬測試、低壓電氣測試、電磁兼容測試、電氣安全測試、電池性能測試、濫用試驗測試等等。因為大伙都比較關心電池安全問題，在這里主要介紹一下電池包濫用試驗的測試方法：
1) 針刺測試
模擬電池遭到尖銳物體刺穿時的場景，因為異物刺入有可能導致內部短路，試驗要求不起火不爆炸
2) 鹽水浸泡
5%鹽水長時間浸沒測試，電池功能正常
目前新能源汽車電池包防水防塵等級推薦是IP67（即1米深的水浸泡半小時無損壞，上汽、蔚來的電池包都是IP67）。汽車的使用環境惡劣，再怎么做防水防塵保護也不過分（上海有一年暴雨導致車庫積水，傳統車都淹掛了，而電動車完好無損）。
3) 外部火燒：
590攝氏度火燒持續130秒電池無爆炸、起火、燃燒并且無火苗殘留。
4) 跌落：
1m高度自由落體在鋼板上電池殼體完整功能正常
5）振動測試
高頻振動模擬測試，要求電池包功能正常。做電池包的同事應該知道，這個也很難通過。
2
電池管理系統（BMS）測試
電池管理系統的測試更多側重軟件測試，一般在軟件功能開發過程中進行。
與尚未量產的自動駕駛系統偏向于使用C語言實現軟件設計不同，現今成熟的電動汽車控制系統（如整車控制器、電機控制器、電池管理系統）軟件都是以模型為基礎的軟件開發（Model-Based-Design）。
展開 如何看待韓國兩家車企（現代&起亞）的戰略發展
Part 2
整車平臺的更新和電池的迭代
這個戰略的核心是集成模塊化架構（IMA）開發系統，目的是將電池和電機等電動汽車的核心部件標準化和模塊化，靈活應用于每個車型，以實現高效的產品陣容擴展。
現代計劃到 2025 年完成這項工作。在EMP之后，快速演進到純電動乘用車平臺 eM 和基于目的地移動 (PBV) 平臺 eS。和目前的E-GMP相比，eM將通過擴大通用范圍來覆蓋所有細分市場，續航里程將提高50%以上，搭配上述所說的L3級自動駕駛技術、OTA等各種新技術也將標準化。eS被設計成滑板底盤（投資Cannon還是留下來一些東西），以增強靈活性，不僅是交付等運輸服務的目的，也是響應B2B需求的作用，支持車輛呼叫服務、共享業務、B2B業務領域。
▲圖3. 現代的平臺敏捷開發
現代下一代的電池系統標準化為9種，由鋰電池單體(cell)、電池組(Batteries)和電池包(pack) 階段組成的電池工藝，除了增加模塊比例以提高能量密度外，已經改為cell-to-pack的方式，CTC直接將電芯和底盤上進行集成的工藝也在考慮。從400和800V的角度考慮，eM系列全部采用800V，分為性能版本和基礎版本，前者只有三元的方案，后者同時包含三元和磷酸鐵鋰版本，只有eS系列才有400V的系統。通過新的設計，計劃到2030年電池能量密度比2021年提升50%，成本降低40%。電機成本降低35%，重量減輕30%。
▲圖4. 現代的電池系統
和LG的合資電芯廠能供應10GWh，然后未來50%的下一代電池在2025年以后都會從合資電芯廠采購，想要打開市場也會采購鐵鋰和三元電芯（這也是現代為什么要采購中國電芯的道理）。在投資層面，主要投資下一代電芯技術和固態電池，通過全球創業的企業積累。
展開 TOP 10 | 2022全球汽車零部件制造商
電裝集團電動化事業部包含電驅動、電機和電池包PACK及控制器等新產品，也包含電動助力轉向、雨刮、電子剎車裝置等傳統產品，該事業部2021自然年銷售額因豐田銷量的回升而大漲22.6%，至1.1萬億日元。
電裝無人駕駛業務隸屬于モビリティシステム（Mobility System）事業部，主要產品有激光雷達、毫米波雷達、攝像頭、空間數據傳輸SIS ECU、自動駕駛控制器 。近年來，電裝積極展開國際合作，不斷縮小與大陸、博世等公司的差距。
隨著汽車芯片供應危機持續存在，電裝加快在半導體設計與制造領域的布局投資的步伐，增持瑞薩股份、注資英飛凌，以保障供應鏈安全與強化新品研發能力。
?？怂箍低醮航簭脑O計與制造著眼，讓電池更“安心”
四、智能工廠方案
這幾年我們在分系統上已經跟各個電池廠商合作挺多的，下面簡單做一些介紹。
·仿真
MSC有各個仿真分系統，各種仿真能力都有，要結合各個電池制造廠商的需求來建立自己的仿真體系。
如總成熱管理分析，包括液冷電池包熱分析，電池包結構的Adams-Marc聯合仿真，這些都是在分系統上解決電池的安全問題。
1.我們要增加各個仿真系統；2.要不斷總結，最后建立一套體系。
如圖，電池殼體焊接工藝仿真。
需要建立一套完整的質量體系，目前單個技術上都有，比如電極或極片檢測質量保證上有專門的相機，有專門的瑕疵檢測軟件。包括電芯內部檢測，可能用到CT檢測，無論是傳感器還是軟件，我們都有。擴展到最后的電池包檢測，包括PACK上面的線束、管道檢測。
以上分享的我們目前的分項技術。
下面介紹一下我們在三電方面涉及到的技術。
電驅系統部件設計加工檢測一體化：包括虛擬仿真、零部件質量控制、齒輪快速測量。
Romax傳動系統設計仿真工具：這是?？怂箍迪旅鎸ｉT做傳動系統開發的軟件公司。
MSC軟件電機噪聲振動仿真分析方案
電機部件（定子、Hairpin、硅鋼片）智能自動化檢測：左邊是新能源電機的定子、發卡的檢測，會有一些新的傳感器和檢測方式。
前面主要分享了海克斯康兩大內容：1.虛擬仿真技術。2.質量管理技術，這兩塊是?？怂箍档膫鹘y技術，這幾年海克斯康根據集團發展和行業發展，慢慢又擴展到了一些新的方面，從原來立足質量仿真擴展到了智能工廠。
?？怂箍翟瓉淼闹饕夹g是兩大塊：1.傳感器。2.軟件。
展開 【產品設計】一文全懂！導熱硅膠墊選型和性能探究
由于導熱硅膠本身硬度較低、強度很小，在動力電池的生產或者使用中，導熱硅膠墊可能存在破損或者被液冷板的毛刺等刺穿，從而引發絕緣失效的現象。所以，實際使用中的導熱硅膠墊都增加一層強化材料，即導熱硅膠墊以PI膜或矽膠布為基材，以導熱硅膠為主體填充材料。
目前常用的加強材料主要有PI（聚酰亞胺）膜、矽膠布（含玻纖），其作用主要是加強材料操作性、強度、絕緣等性能。
導熱硅膠墊的結構如圖１所示。
理論上：
絕緣性：PI膜＞矽膠布，影響絕緣，絕緣性越高，電氣性越好；
熱阻：PI膜＞矽膠布，影響導熱性，熱阻越高導熱性越低；
強度：PI膜＞矽膠布，影響耐磨損，強度越高，耐磨損、耐拉扯、耐刺穿性能越好。
現選用同等厚度不同類型的導熱硅膠墊，即PI膜膜導熱硅膠墊和矽膠布導熱硅膠墊，分別進行強度、絕緣性能、導熱性能的測試，通過測試結果比較兩種類型導熱硅膠墊的差異。同等厚度兩種類型導熱硅膠墊強度、絕緣性能、導熱性能測試結果見表 １。
以上測試結果表明：PI膜導熱硅膠墊的強度和絕緣性能明顯優于矽膠布導熱硅膠墊，導熱性能相差不大，可以接受。綜合導熱性能、絕緣性能與高機械強度要求，PI膜更適用于PACK電池包、水冷散熱應用等環境。
1.2 不同導熱系數導熱硅膠墊的導熱效果
為了解不同導熱系數下導熱硅膠墊的導熱效果，現分別選取導熱系數為1.5、2.0、2.5、3.0 Ｗ/(ｍ·Ｋ) 的PI膜導熱硅膠墊，模擬測試其導熱效果。使用加熱片對不同導熱系數的導熱硅膠墊進行加熱，通過測試導熱硅膠墊兩側溫差以反映導熱硅膠墊的導熱情況。
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深度分析整車控制域現狀與發展
如下圖4-4所示：
圖4-4 動力電池的“電芯-模組-電池包”的組成關系
BMS系統通常由電池控制器單元（Battery Control Unit，BCU）和電池管理單元（Battery Management Unit，BMU）組成。電池模組中的BMU主要任務包括：負責采樣模組中的電芯的電壓，執行電芯的電壓平衡，采樣和管理電芯的溫度，通過CAN總線跟外部其余相關單元進行通訊等。而BCU的主要任務包括：測量電池包的總電壓、總電流和絕緣狀態等，管理充電和放電，評估電池荷電狀態SOC/SOH/SOP值，此外它也是VCU與電池包之間的通訊中介橋梁。如下圖4-5所示：
圖4-5 VCU與BMS系統
BMS需要實現的主要功能包括以下幾點：
對電池信息進行采集：準確采集電池包的總電流、總電壓、最高單體電壓、最高溫度、電池包荷電狀態SOC（State Of Charge），以及電池包荷電健康狀態SOH（State Of Health）等參數數據。并將電池包的這些信息通過CAN總線通信網絡發送給整車控制器VCU。
進行電池SOC估算。整車控制器VCU在進行整車能量管理時，必須考慮動力電池包的狀態。電池剩余電量SOC是衡量電池狀態的重要指標，表示電池當前剩余電量與額定電量的比值。如何根據電池的端電壓，充放電電流，內阻等參數對電池剩余容量進行估計是電池管理系統研究的關鍵問題之一。
對電池包進行充放電控制：對電池包進行充放電控制對于保證電池包安全工作，防止電池過度充放電有著重要意義。整車控制器通過對電池管理系統的控制實現電池的充放電轉換。
對電池包進行均衡控制：動力電池包里不同電芯單體間的不一致性是固有的，為了延長電池的使用壽命，電池管理系統需要提供均衡措施盡量減小單體電池之間的差異。對動力電池包進行均衡控制對提高電池使用壽命有著重要意義。
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