ansys熱仿真 電池的案例
Ansys 案例研究 | 太陽能電池板熱吸收仿真分析
太陽能電池板將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，并可儲(chǔ)存起來。將多塊太陽能電池板排列成陣列，并隨太陽光線方向改變朝向，有助于最大限度地吸收可用的太陽能。
在仿真案例中，將一個(gè)簡單的球體放置在典型的硅材料太陽能電池板上方，指示了穩(wěn)態(tài)下到達(dá)板面的熱流密度以及表面的溫度分布。這里不考慮電池板表面的自由對流，僅研究輻射效應(yīng)。
目標(biāo)
觀察由于一個(gè)發(fā)熱物體的輻射作用，太陽能電池板上的熱流密度和溫度分布。
步驟
1. 打開 Ansys Workbench，創(chuàng)建一個(gè)穩(wěn)態(tài)熱分析系統(tǒng)（Steady State Thermal Analysis system）。
2. 定義材料屬性。大多數(shù)太陽能電池板由硅制成，此處僅作演示使用硅材料。球體采用鋼材作為材料，用以表示熱源。
3. 導(dǎo)入模型，其外觀如圖1所示。
圖1：太陽能電池板與熱源
4. 為幾何模型賦予材料屬性。
5. 對球體施加10000W/m3 的內(nèi)部熱生成，用以表示發(fā)熱物體；然后在球體表面與太陽能電池板上表面之間定義表面對表面輻射，使熱量通過輻射在這兩個(gè)表面之間傳遞，如圖2所示。發(fā)射率取值為0.7，假設(shè)太陽能電池板頂部未覆蓋玻璃蓋板，該值可在0.7至0.95之間變化。環(huán)境溫度設(shè)為220°C。
圖2：內(nèi)部熱生成與輻射邊界條件
6. 對于輻射問題，設(shè)置子步有助于收斂。在分析設(shè)置詳情中定義子步，如圖3所示。
圖3：為分析定義的子步
7. 采用線性網(wǎng)格對模型進(jìn)行劃分并求解分析。得到的太陽能電池板表面的熱流密度矢量圖和溫度分布如圖4和圖5所示。
展開 儲(chǔ)能電池的熱仿真及其產(chǎn)熱分析
?本文基于對單體鋰離子電池?zé)?/em>物理參數(shù)計(jì)算得出的數(shù)據(jù),與實(shí)驗(yàn)測溫?cái)?shù)據(jù)相擬合,建立電池三維熱模型,并使用ICEM CFD,ANSYS Fluent等軟件進(jìn)行仿真處理?通過該研究得出以下結(jié)論:
單體電池在不受外界條件干擾的前提下,在對其1C恒流放電的過程中趨于穩(wěn)定,并運(yùn)用物理公式推算出比熱容,發(fā)熱功率等熱物理參數(shù),為儲(chǔ)能型電池的熱研究提供理論依據(jù)?
基于ICEM CFD繪制質(zhì)量較好的結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格,結(jié)合ANSYS Fluent軟件進(jìn)行仿真,模擬出電池在1C放電倍率下的溫度分布情況,并與實(shí)測電池升溫作對比,得出最高溫度誤差為0.77°C,平均誤差為0.44°C,反映了熱仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性,為后續(xù)儲(chǔ)能型電池的熱管理研究打下理論基礎(chǔ)?
文章來源易貿(mào)AUTO行家
展開 熱仿真分享 | 動(dòng)力電池PACK熱管理系統(tǒng)性能研究-STARCCM+
摘要：為延長電池使用壽命，提高電池安全性，需要對電池進(jìn)行熱管理。電動(dòng)汽車動(dòng)力電池?zé)?/em>管理系統(tǒng)在理論分析、仿真建模、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證基礎(chǔ)上開展設(shè)計(jì)工作，綜合考慮了電池產(chǎn)熱原理、產(chǎn)熱模型、發(fā)熱功率后，確定了基于液體的熱管理模式。使用CFD軟件對所設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真和分析，并對工程樣機(jī)熱管理有效性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
當(dāng)前，整個(gè)電動(dòng)汽車行業(yè)蓬勃發(fā)展。電池是電動(dòng)汽車核心部件，電池的熱特性對整車性能、安全性、壽命及使用成本產(chǎn)生關(guān)鍵影響。
配置電池?zé)?/em>管理系統(tǒng)是改善電池組熱特性關(guān)鍵措施之一，系統(tǒng)熱管理功能包括：(1)在電池溫度較高時(shí)進(jìn)行有效散熱，防止產(chǎn)生熱失控事故；(2)在電池溫度較低時(shí)進(jìn)行預(yù)熱，提升電池溫度，確保低溫下的充放電性能和安全性；(3)減小電池組內(nèi)的溫度差異，抑制局部熱區(qū)的形成，防止高溫電池過快衰減而降低電池組整體壽命[1]。
電池?zé)?/em>管理按照能量提供的來源分為被動(dòng)式冷卻和主動(dòng)式冷卻，其中只利用周圍環(huán)境冷卻的方式為被動(dòng)式冷卻。隨著國家對電池能量密度、安全性、使用壽命以及快充要求的不斷提高，被動(dòng)式的自然冷卻技術(shù)已經(jīng)不能滿足電池散熱要求。當(dāng)前主要的主動(dòng)式熱管理形式有空氣強(qiáng)制對流熱管理、液體熱管理、熱管熱管理和相變材料熱管理等，而液體熱管理受到越來越多廠商的青睞[2-4]，特別是國外車企對于液體熱管理技術(shù)研究起步早，已經(jīng)取得了一定成果，國內(nèi)還處于研究探索階段。公眾號-新能源電池?zé)?/em>管理。
TeslaMotors公司的Roadster純電動(dòng)汽車采用了液冷式電池?zé)?/em>管理系統(tǒng)。冷卻管道曲折布置在電池間，冷卻液在管道內(nèi)部流動(dòng)，傳輸電池產(chǎn)生的熱量。報(bào)告顯示在行駛約16萬公里后，Roadster電池組的容量仍能維持在初始容量的80%～85%，而且容量衰減只與行駛里程數(shù)明顯相關(guān)，而與環(huán)境溫度、車齡關(guān)系不明顯[1,5]。
展開 熱仿真分享 | 動(dòng)力電池PACK熱管理系統(tǒng)性能研究-STARCCM+
摘要：為延長電池使用壽命，提高電池安全性，需要對電池進(jìn)行熱管理。電動(dòng)汽車動(dòng)力電池?zé)?/em>管理系統(tǒng)在理論分析、仿真建模、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證基礎(chǔ)上開展設(shè)計(jì)工作，綜合考慮了電池產(chǎn)熱原理、產(chǎn)熱模型、發(fā)熱功率后，確定了基于液體的熱管理模式。使用CFD軟件對所設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真和分析，并對工程樣機(jī)熱管理有效性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
當(dāng)前，整個(gè)電動(dòng)汽車行業(yè)蓬勃發(fā)展。電池是電動(dòng)汽車核心部件，電池的熱特性對整車性能、安全性、壽命及使用成本產(chǎn)生關(guān)鍵影響。
配置電池?zé)?/em>管理系統(tǒng)是改善電池組熱特性關(guān)鍵措施之一，系統(tǒng)熱管理功能包括：(1)在電池溫度較高時(shí)進(jìn)行有效散熱，防止產(chǎn)生熱失控事故；(2)在電池溫度較低時(shí)進(jìn)行預(yù)熱，提升電池溫度，確保低溫下的充放電性能和安全性；(3)減小電池組內(nèi)的溫度差異，抑制局部熱區(qū)的形成，防止高溫電池過快衰減而降低電池組整體壽命[1]。
電池?zé)?/em>管理按照能量提供的來源分為被動(dòng)式冷卻和主動(dòng)式冷卻，其中只利用周圍環(huán)境冷卻的方式為被動(dòng)式冷卻。隨著國家對電池能量密度、安全性、使用壽命以及快充要求的不斷提高，被動(dòng)式的自然冷卻技術(shù)已經(jīng)不能滿足電池散熱要求。當(dāng)前主要的主動(dòng)式熱管理形式有空氣強(qiáng)制對流熱管理、液體熱管理、熱管熱管理和相變材料熱管理等，而液體熱管理受到越來越多廠商的青睞[2-4]，特別是國外車企對于液體熱管理技術(shù)研究起步早，已經(jīng)取得了一定成果，國內(nèi)還處于研究探索階段。公眾號-新能源電池?zé)?/em>管理。
TeslaMotors公司的Roadster純電動(dòng)汽車采用了液冷式電池?zé)?/em>管理系統(tǒng)。冷卻管道曲折布置在電池間，冷卻液在管道內(nèi)部流動(dòng)，傳輸電池產(chǎn)生的熱量。報(bào)告顯示在行駛約16萬公里后，Roadster電池組的容量仍能維持在初始容量的80%～85%，而且容量衰減只與行駛里程數(shù)明顯相關(guān)，而與環(huán)境溫度、車齡關(guān)系不明顯[1,5]。
展開 
鋰電池仿真熱失控仿真解決方案
本文主要分享公司某工程師關(guān)于鋰電池仿真、熱失控仿真解決方案。
本案例模型及相關(guān)操作，請與我溝通交流。
新能源動(dòng)力電池熱仿真熱關(guān)鍵參數(shù)獲取解密
首先，參考電池廠家羅列的資料，如下表所示，獲取電池材料的密度、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)等參數(shù)。
實(shí)際熱仿真建模，不可能按照真實(shí)的疊層材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)建模，我們需要通過理論經(jīng)驗(yàn)公式獲取電池單體的熱物性參數(shù)，即：利用整體思路解析出電池的密度、比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)等參數(shù)。
另外，就是電池熱耗獲取，電池熱耗包含反應(yīng)熱，內(nèi)熱阻焦耳熱，極化熱和副反應(yīng)熱，實(shí)際評估，副反應(yīng)熱可以忽略不計(jì)。
最后，就是網(wǎng)格劃分和模擬計(jì)算了。
展開 設(shè)計(jì)仿真 | 直播預(yù)告-電池熱失控仿真與電力電子散熱仿真解決方案
隨著移動(dòng)和運(yùn)輸系統(tǒng)的電氣化程度不斷提高，電池設(shè)計(jì)和熱管理日益成為原始設(shè)備制造商和系統(tǒng)供應(yīng)商高度優(yōu)先考慮的領(lǐng)域，希望在其產(chǎn)品中提供一流的安全性。而電池的生熱和熱失控熱性是影響電動(dòng)汽車使用和安全性的重要條件。
為了保證鋰電池的最佳性能、安全性和使用壽命，鋰電池必須在特定的溫度范圍內(nèi)工作。因此，電池系統(tǒng)的熱管理至關(guān)重要。此外，在模擬中對實(shí)際電池單元進(jìn)行真實(shí)物理建模的成本非常高。針對新能源電池行業(yè)面臨的挑戰(zhàn)，海克斯康工業(yè)軟件旗下Cradle CFD軟件可以進(jìn)行高效的熱失控仿真分析，解決電池中的熱失控的仿真難題。
本次直播將帶來海克斯康電池?zé)?/em>失控仿真解決方案，包含熱失控仿真流程、新能源電控系統(tǒng)解決方案、新能源電控系統(tǒng)的優(yōu)化方法以及儲(chǔ)能系統(tǒng)熱仿真解決方案，歡迎報(bào)名預(yù)約！
展開 COMSOL鋰電池技術(shù)仿真與應(yīng)用(九)鋰電池電-熱-力-相全耦合模型搭建與應(yīng)用
在紐曼框架基礎(chǔ)上，可以耦合各種其他物理過程方程來擴(kuò)展模型的能力(應(yīng)對紐曼模型描述不了的場景)
電熱耦合
電化學(xué)-熱耦合模型是基于電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)熱而建立的電池模型，在紐曼模型的框架上耦合固體傳熱接口，主要用于模擬電池的溫度變化分布情況。鋰離子電池電化學(xué)-熱耦合模型由兩部分組成：研究電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)的電化學(xué)模型以及描述電池溫度分布的熱模型。這兩個(gè)部分分工明確并相互耦合。首先，電化學(xué)模型計(jì)算出發(fā)熱功率，然后將發(fā)熱功率傳遞給熱模型，熱模型根據(jù)發(fā)熱功率計(jì)算出溫升，然后將此時(shí)電池溫度傳遞給電化學(xué)模型中受溫度影響的各參數(shù)，以此互相耦合實(shí)現(xiàn)電池的電壓和溫度模擬。電化學(xué)-熱耦合模型涉及的理論方程也分為兩部分，一部分是電化學(xué)模型所用 到的電荷守恒、質(zhì)量守恒以及電極動(dòng)力學(xué)，另一部分是熱模型構(gòu)建所用的結(jié)合生熱、傳熱與散熱的能量守恒關(guān)系。兩部分相互耦合，使得模型能夠準(zhǔn)確地反映出電池的電化學(xué)性能與熱性能，示意圖如下。?
電力耦合
電化學(xué)-力耦合模型基于電化學(xué)插層反應(yīng)而建立的電池模型，在紐曼模型的框架上耦合固體力學(xué)接口，主要用于模擬電池的內(nèi)部應(yīng)力變化分布情況。
展開 電池熱管理仿真（三）：三維仿真邊界條件和算法
1、 基于starccm+在動(dòng)力電池?zé)?/em>管理仿真技術(shù)應(yīng)用、
2、新能源汽車PACK熱流體仿真進(jìn)階20講
3、新能源動(dòng)力電池?zé)?/em>管理設(shè)計(jì)入門到進(jìn)階23講
4、 Hypermesh網(wǎng)格劃分-精講進(jìn)階視頻教程
5、有限元分析ANSA19.0視頻教程零基礎(chǔ)入門到精通50講
新能源汽車動(dòng)力電池熱管理熱流體仿真案列分析
自2019年10月10日起，我將在平臺(tái)發(fā)布《新能源汽車PACK熱流場分析進(jìn)階16講》。
當(dāng)前我已經(jīng)更新到第15期，感興趣的朋友可以關(guān)注和訂閱，微信：fxy331386375或加動(dòng)力電池交流群：701157725關(guān)注公眾號：“新能源汽車熱管理仿真技"獲得更多免費(fèi)資料。
一起交流學(xué)習(xí)和進(jìn)步本人提供資料模型和學(xué)習(xí)答疑，希望對學(xué)習(xí)型工程師有所幫助吧！學(xué)習(xí)鏈接https://www.yqgqt.org.cn/college/video/c14059
本案列電池系統(tǒng)采用液冷熱管理方式的，如圖1和圖2所示是電池PACK系統(tǒng)前處理模型，主要包括：上下箱體，液冷板，導(dǎo)熱墊、隔熱護(hù)板、絕緣板、模組等結(jié)構(gòu)，由4個(gè)模組成，每個(gè)模組由18個(gè)50Ah方形電芯組成。液冷系統(tǒng)采用兩進(jìn)兩出的并聯(lián)方式，箱體采用集成液冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)，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(jìn)行固定和密封，該系統(tǒng)優(yōu)勢在于液冷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組件借用了箱體的結(jié)構(gòu)組件使得電池系統(tǒng)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(tǒng)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(shí)現(xiàn)了對動(dòng)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(nèi)部電池溫度變化情況仿真，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對液冷系統(tǒng)內(nèi)部壓降和流量均勻性仿真，對冷板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出合理依據(jù)。
圖1 PACK系統(tǒng)簡化數(shù)模
圖2 PACK系統(tǒng)簡化數(shù)模爆炸圖
一、 模型簡化
通過分析數(shù)模的結(jié)構(gòu)組成及各部件的作用以評估各部分對熱系統(tǒng)的影響，進(jìn)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(wǎng)格的數(shù)量同時(shí)提高網(wǎng)格質(zhì)量，提高計(jì)算效率。
展開 仿真模型 | 圓柱鋰電池表面自然對流換熱系數(shù)仿真估算
由圖4可知，電池平均內(nèi)阻隨著放電電流的提升雖有增加但數(shù)值變化未見明顯，為簡化計(jì)算，在后文計(jì)算不同放電電流的生熱速率時(shí)采用對應(yīng)放電電流下的平均內(nèi)阻。
3.2 熱源定義
目前，國內(nèi)外均針對鋰離子電池電壓溫度系數(shù)進(jìn)行了相關(guān)研究。翟文波等[5]通過分容靜置測試得出了電壓溫度系數(shù)曲線；NicolasDamay等[6]研究發(fā)現(xiàn)不同放電倍率下電壓溫升系數(shù)基本相同。
三維建模時(shí)將18650型鋰離子電池采用均一化處理，將圓柱鋰離子電池拆解成正極、內(nèi)核及負(fù)極三部分。
本文進(jìn)行鋰離子電池?zé)?/em>傳遞仿真分析時(shí)熱源輸入為生熱速率，正負(fù)極生熱率通過計(jì)算得到3 A電流正極生熱率16 974.5 W/m3、負(fù)極生熱率22 917.3 W/m3；4 A電流正極生熱率30 176.8 W/m3、負(fù)極生熱率40 741.9 W/m3；5 A電流正極生熱率47 151.3 W/m3、負(fù)極生熱率63 659.2 W/m3。
內(nèi)核采用UDF自定義編譯熱源，其主要電壓溫度系數(shù)[5]通過五階擬合得到如圖5所示曲線。內(nèi)核生熱率及對流換熱系數(shù)計(jì)算如式(10)如下：
04
對流換熱系數(shù)仿真估算
4.1 問題描述及仿真流程
單體電池?zé)?/em>特性本文中只考慮其表面對流換熱的影響，傳統(tǒng)電池?zé)?/em>特性仿真方法是通過建立所需熱模型，之后將設(shè)定參數(shù)導(dǎo)入到分析軟件進(jìn)行產(chǎn)品分析。
仿真流程圖主要介紹了集成ANSYS和MATLAB兩個(gè)軟件，以及在操作過程中主要文件交互。本文通過仿真計(jì)算的方法進(jìn)行對流換熱系數(shù)確定，以溫度作為參考數(shù)值，進(jìn)行問題描述。
展開 
電池熱失控的仿真和優(yōu)化
隔熱：這個(gè)行業(yè)內(nèi)都比較熟悉，對于方殼電芯而言，主要通過電芯之間的隔熱材料實(shí)現(xiàn)熱隔離
圖8 目前各個(gè)電池廠做的系統(tǒng)層面設(shè)計(jì)都是相似的
小結(jié)：我覺得在經(jīng)過不停的實(shí)驗(yàn)以后，可能要做一些類似AVL這樣的不同條件和不同位置上進(jìn)行系統(tǒng)性的仿真以后，結(jié)合最惡劣條件下的實(shí)驗(yàn)，才能讓電池系統(tǒng)更安全一些
來源：微信公眾號汽車電子設(shè)計(jì) 作者 朱玉龍
元王仿真云案例精選丨基于Flotherm的電池包熱仿真分析
在國家節(jié)能環(huán)保的號召下，電動(dòng)汽車越來越普及，廠商們在電池包的設(shè)計(jì)上下足了功夫，而電池包熱管理對性能和安全更是起著決定性的作用。
電池的熱管理是電池管理系統(tǒng)的重要組成部分，其主要功能是通過冷卻系統(tǒng)和熱電阻加熱裝置使電池溫度處于正常工作溫度范圍。電池?zé)?/em>管理系統(tǒng)的功能主要包括：
1）電池溫度的準(zhǔn)確測量和監(jiān)控；
2）有效的散熱和降溫功能；
3）低溫條件下的快速加熱，使得電池系統(tǒng)處于正常運(yùn)行的溫度范圍；
4）保證電池組溫度的均勻分布，降低單體電池溫度差異性。
熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)是根據(jù)整車典型的運(yùn)行工況和鋰離子電池的發(fā)熱功率，選擇合適的熱管理方式，基于電池的溫度特性合理設(shè)計(jì)熱管理策略，保證電池包內(nèi)各個(gè)電池都工作在合理溫度范圍內(nèi)，同時(shí)盡量維持電池包內(nèi)各個(gè)電池及電池模組之間的溫度均勻性。
在多種條件限制下，平衡協(xié)調(diào)電池包各性能指標(biāo)，尋求更優(yōu)的電池包熱設(shè)計(jì)，對電池包進(jìn)行熱仿真分析必不可少。
下面就為大家介紹一個(gè)強(qiáng)迫風(fēng)冷熱仿真案例，看看該如何進(jìn)行電池包熱仿真。
展開 基于Star-CCM+液冷電池熱管理仿真
電池的最高溫度35.1℃
系統(tǒng)壓降35.1pa
流道出口溫度25.8℃
更多考慮點(diǎn)：
上文動(dòng)力電池?zé)?/em>管理仿真為粗略的仿真方法，模型還是比較小，需要處理和注意的細(xì)節(jié)相對較小，仿真的方法還需進(jìn)一步的優(yōu)化，本次仿真未考慮，熱阻、隨時(shí)間變化發(fā)熱功率，導(dǎo)電排，極柱的歐姆熱、隨溫度變化的材料參數(shù)等等因素。
[重大仿真專題更新]新能源汽車全工況電池熱管理復(fù)雜策略仿真方法
<p><span style="color: rgb(89, 89, 89); background-color: rgb(255, 255, 255);">隨著新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，人們對電池包的安全性和充放電性能要求越來越高，電池包向著高能量密度和大倍率充電的方向發(fā)展。為了更精確的評估電池?zé)?/em>管理性能，熱管理的工況越來越復(fù)雜，如何把復(fù)雜的工況條件轉(zhuǎn)化為仿真輸入的邊界條件是熱管理仿真工程師的一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，目前基礎(chǔ)的軟件設(shè)置已經(jīng)滿足不了常規(guī)的熱管理工況，需要結(jié)合軟件的函數(shù)控制和簡單編程語言才能實(shí)現(xiàn)。</span></p><p> 以下為<strong style="background-color: rgb(255, 218, 169);">LEVEL水平線</strong>團(tuán)隊(duì)打造<span style="background-color: rgb(255, 218, 169);">熱管理設(shè)計(jì)和仿真系列</span>課程，團(tuán)隊(duì)成員為行業(yè)內(nèi)工作年限10年以上的資深研發(fā)工程師，課程在都是基于工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行講解，讓你從小白走向利用軟件和經(jīng)驗(yàn)的角度去分析問題。
展開 