電池包散熱系統的案例
新能源電池包散熱系統CAE仿真實例
新能源電池包散熱系統CAE仿真實例
前言：
隨著新能源汽車市場推廣程度的逐漸深入，應用范圍不斷加大，對電池包散熱系統方案要求也越來越高。通過對電池散熱過程的熱仿真分析，可以預測電池溫度在放電過程中的變化趨勢，檢驗電池包的散熱性能，為電池箱的設計提供理論依據。
目前，市場上主流的熱仿真分析軟件為Flotherm，今天小編將通過一個電池包熱仿真實例，帶您快速了解電池散熱系統仿真分析。
分析中采用的前提和假設：
導熱率設置：
注：材料的導熱率設定，如果是單一材料部件，如外殼等，根據部件所使用的實際材料的導熱率給定；如果是復合材料部件或多種材料組合的部件，而在3D模型中是通過簡化模型繪制的，則材料導熱率，按照集總參數法，根據經驗和理論折算給定當量導熱系數，如電芯等。
功耗設置及風機選用：
單節電池的發熱量按照電流1A和內阻50mΩ確定為0.288w，電池為18650，容量2.4Ah；
風機統一為最大風量15.87m3/h，最大全壓31.33Pa的軸流風機，可以根據具體需求隨時改換。
分析方案：
仿真工作環境：30℃環境溫度下放電1小時
分析模型：
放電一小時溫度截面云圖（Z方向）：
放電1小時速度截面云圖（Z方向）：
放電1小時速度截面云圖（Y方向）：
電池放電一小時溫度分布圖1：
電池放電一小時溫度分布圖2：
仿真結論：
在此散熱方案下，大部分電池的溫度都處在40-45℃的區間之內，少數散熱條件較好的電池區域溫度低于40℃。在最高溫度可以接受的條件下，可以通過調整風機的風量和擺放來改善溫度的不均衡度。
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展開 (干貨）新能源電池包散熱系統CAE仿真實例
仿真工作環境：30℃環境溫度下放電1小時
分析模型：
放電一小時溫度截面云圖（Z方向）
放電1小時速度截面云圖（Z方向）
放電1小時速度截面云圖（Y方向）
電池放電一小時溫度分布圖
電池放電一小時溫度分布圖
仿真結論
在此散熱方案下，大部分電池的溫度都處在40-45℃的區間之內，少數散熱條件較好的電池區域溫度低于40℃。在最高溫度可以接受的條件下，可以通過調整風機的風量和擺放來改善溫度的不均衡度。
【AICFD案例教程】電池包風冷散熱分析
圖5-1 殘差曲線
2）數據讀取
雙擊樹節點 報告>體積分報告，設置變量參數，選取域列表中目標部件，點擊應用，讀取散熱板平均溫度數據。
圖5-2 流量報告
3）求解結果更新及導入
單擊菜單欄 求解>可視化結果，實現可視化求解結果更新，現版本計算完成后自動進行可視化求解結果。
圖5-3 結果更新
4）可視化結果
① 溫度云圖
單擊菜單欄 后處理> 云圖，選取位置域和變量參數溫度，設置等級參數256，點擊應用，讀取電池包表面溫度云圖，可以看出電池包最高溫度在314K左右，前排電池包最高溫度略低于后排電池包。
圖5-4 溫度云圖
單擊菜單欄 后處理> 面，選取域和變量參數，設置平面參數，點擊應用，讀取電池包截面溫度云圖，可以看出電池包內部溫度分布與表面溫度分布大致相同。
圖5-5 截面溫度云圖
展開 干貨 | ANSYS新能源電池包散熱仿真解決方案
這一步是要得到某個工況下電池包熱系統的響應。
在上一步模型基礎上給定階躍輸入（設定電池一個固定發熱量）進行瞬態熱分析，記錄輸出量的階躍響應（就是在Fluent的monitor中保存相應的.out文件），當輸出量不再隨時間明顯變化時結束瞬態分析。
1.3 使用Simplorer生成LTI ROM
ANSYS在系統仿真軟件Simplorer中開發了專門用于生成LTI ROM的工具（如圖2），使用該工具可以根據上一步的階躍響應文件（.out文件）自動生成LTI ROM，生成的ROM（圖3）與原系統具有同樣的系統響應特性，這樣ROM就可以得出與原系統等效的分析結果。
在此例中，ROM的輸入端是電池模塊中16個電池的發熱量，輸出端是16個電池的平均溫度。實際案例中，輸入端和輸出端的數量都是可以根據實際情況來設定的。
圖2 LTI ROM萃取工具
圖3 在Simplorer中生成的LTI ROM
1.4 在Simplorer中完成仿真
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熱特性（圖4），得到各個電池的平均溫度隨時間變化的結果。
展開 
干貨 | ANSYS新能源電池包散熱仿真解決方案
這一步是要得到某個工況下電池包熱系統的響應。
在上一步模型基礎上給定階躍輸入（設定電池一個固定發熱量）進行瞬態熱分析，記錄輸出量的階躍響應（就是在Fluent的monitor中保存相應的.out文件），當輸出量不再隨時間明顯變化時結束瞬態分析。
1.3 使用Simplorer生成LTI ROM
ANSYS在系統仿真軟件Simplorer中開發了專門用于生成LTI ROM的工具（如圖2），使用該工具可以根據上一步的階躍響應文件（.out文件）自動生成LTI ROM，生成的ROM（圖3）與原系統具有同樣的系統響應特性，這樣ROM就可以得出與原系統等效的分析結果。
在此例中，ROM的輸入端是電池模塊中16個電池的發熱量，輸出端是16個電池的平均溫度。實際案例中，輸入端和輸出端的數量都是可以根據實際情況來設定的。
圖2 LTI ROM萃取工具
圖3 在Simplorer中生成的LTI ROM
1.4 在Simplorer中完成仿真
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熱特性（圖4），得到各個電池的平均溫度隨時間變化的結果。
展開 CAE在動力電池散熱系統分析中的應用
而動力電池作為新能源汽車的核心部件，其使用性能和壽命嚴重影響著其產業的發展。
面對動力電池產品研發中所面臨的熱安全問題，使用傳統的熱成像技術只能采集到電池表面的溫度變化情況，無法全面地獲悉產品完整的熱分布情況，且局限于較簡單的電池組結構。通過使用CAE仿真技術，可以幫助研發人員建立虛擬的電池組和散熱通道的三維模型，在此基礎上分析散熱效果并對不同方案進行對比和優化，取代了試驗方法，大大提高了設計效率。
下面以使用Flotherm對動力電池組散熱系統進行仿真分析為例，為電池組的結構優化提供依據。
案例背景
對某電池組在25℃環境溫度下，1C放電一小時進行模擬仿真，分析在電池組散熱系統中，截面溫度分布情況。
展開 車用鋰離子動力電池風冷散熱系統研究進展
如圖5(a)所示，袁征等在電池一側設置一個進風口，另一側設置兩個出風口，通過控制兩個出風口開關閥門交替開啟或關閉，實現空氣在電池箱體中變向循環流動；如圖5(b)所示，馬永笠等提出了一種使用進出口鼓風機交替工作實現電池組內部空氣往復流動的方案，該方案下電池組整體溫度保持在 25～45℃，最大溫差控制在指定溫度；如圖5(c)所示，宋俊杰等提出了反向分層風冷結構，該結構下各電池溫度分布非常均勻。
圖5 冷卻空氣流動模式
2.3 冷卻空氣的流體參數
冷卻空氣流體參數主要包括冷卻空氣溫度和入口風速，這兩個參數對風冷散熱系統的散熱效率和散熱均勻性也有著明顯影響。汪繽繽等通過對48只圓柱鋰離子電池組成的電池包進行風冷散熱研究，發現隨著入口風速的增加，電池包的最高溫度和最大溫差降低，但當入口風速大于3 m/s后，最高溫度和最大溫差降低速度明顯減小；降低入口冷卻空氣溫度，可以降低電池包最高溫度，但對電池包的溫差影響很小。劉顯茜等通過三維瞬態計算，發現增大入口風速可提升電池組散熱性能，改善溫度均勻性，降低進風溫度可防止電池組因局部溫度過高而出現熱失控，但無法有效抑制溫度均勻性。冷卻空氣溫度由風源決定，若風源為環境風則冷卻空氣溫度與環境溫度一致，若風源為空調風則可根據需要設定不同的冷卻空氣溫度。冷卻空氣的入口風速由風冷散熱系統中的風機決定，而風機選型是根據電池的產熱速率確定空氣流量，然后根據所需空氣流量和電池組的流道阻力情況，從具有合適壓力-流量曲線(P-Q 曲線)的風機中選出。
展開 電池熱管理系統散熱結構的設計和仿真
為了更加有效地控制電動汽車電池的工作溫度，研究了一種鋁板/相變材料/液冷電池熱管理系統散熱結構，采用CFD 軟件模擬仿真。研究了鋁板厚度、水管數量、質量流量、導熱系數、相變溫度和進水溫度等因素對電池散熱的影響。通過對電池溫度場的模擬仿真，合理控制因素之間的相互影響，將參數取值進行優化，使電池的最高溫度和最大溫差能夠控制在44．19 ℃和3．18℃，此溫度能夠很好地滿足電池的工作溫度，表明鋁板/相變材料/液冷相結合的新型散熱結構能夠較好地控制電池的溫度均勻性和有效性。
1 建立模型
電池的整體結構如圖1 所示。鋁板緊貼電池體，均勻插入圓形水管的相變材料貼在鋁板之后，并且選用導熱系數高、密度小的鋁來作為水管材料。可以看出，模型具有對稱性，為了縮短模擬仿真時間，本文僅僅仿真了模型的1 /4 部分。幾何尺寸和物理參數參考了研究較為成熟的電池單體，如表1 所示。為了研究濫用條件時電池的性能，電池以放電倍率5C 進行放電，因此仿真時間為720 s，并且根據現有學者研究成果，此放電倍率下的電池發熱功率約為200 kW/m2。為了便于研究，本文設定冷卻水是不可壓縮的層流，并且由于輻射換熱部分的熱量相對較小，因此不考慮輻射換熱。由于相變材料的性質比較穩定，忽略相變材料在融化和凝固時的各種變化。本文利用仿真軟件ANSYS FLUENT16．0 進行模擬。
通常情況下，考慮電池處于絕熱環境中時，電池在放電過程中的產熱率Q( 單位: W) 可通過下式計算得出:
電池在放電的同時也會吸收一定的熱量，這部分熱量
相變材料吸收的熱量
在組合模型電池熱管理系統中，冷卻水帶走的熱量
空氣會產生一定的自然對流，電池產生的一部分熱量會被空氣帶走。
展開 關于新能源車型電池包熱管理系統設計應考慮的幾個影響因素
?
對比試驗過程的溫度數據(表2-1)發現如下信息:
①在相同的環境相同的工況以及相同的冷卻條件下，電池包乙的最高溫度比電池包甲高2℃?電池包乙的降功率溫度閾值比電池包甲低2℃，即電池包乙比電池包甲更容易升溫且更容易進入降功率狀態;
②電池包乙的最大電芯溫差明顯比電池包甲要高，說明電池包乙的冷卻均衡能力較弱，熱管理系統設計不佳;
③在電芯溫度上升至38℃進入快冷模式后，電池包乙繼續升溫至46℃觸發降功率模式，并最終開始降溫，這個總過程總用時13min以上?而電池包甲從進入快冷模式到開始降溫，只用了不到2min?
通過分析上述情況，可以得出在同等功率輸出情況下，電池包乙的發熱量比電池包甲大，且熱管理表現低于電池包甲，綜合表現明顯差于電池包甲?
通過分析對比兩家供應商的電池參數，可以發現其表現差異巨大的主要原因是輸出同等功率時電池包乙發熱量明顯比甲高?如表2-2所示，電池包乙的額定電壓比較低，導致輸出同等的功率需要更高的電流，同時電池包乙的熱阻值比電池包甲更高?根據焦耳定律，電流及電阻更高的電池包乙的焦耳熱發熱量要明顯高于電池包甲，而焦耳熱又占了電熱總熱量中較大的比例?因此熱管理系統設計需要在電池包設計初期就進行介入，重點控制電池包的額定電壓和熱阻值，以控制電池包的焦耳熱?
2.3 快冷邏輯設定不良
某項目C是純電車型，其電池包為三元鋰離子電池且與項目A和B一樣采用具有快冷功能的液冷設計?該項目的動力電池散熱效果良好，在各種試驗過程均未出現電池過熱現象，然而仍然暴露出電池熱管理系統設計不良問題?
在以動力總成耐久為代表的短時間內動力電池進行大功率輸出的工況下，電池包最高電芯溫度隨著工況的進行而快速上升，當最高電芯溫度上升至38℃時，快速冷卻模式啟動，電池升溫速度開始減緩，并在上升至45℃后開始下降，期間未達到電池過熱閾值?然后電池開始降溫并將電芯溫度一路下降至
展開 新能源車型電池包熱管理系統設計應考慮的幾個影響因素
?
對比試驗過程的溫度數據(表2-1)發現如下信息:
①在相同的環境相同的工況以及相同的冷卻條件下，電池包乙的最高溫度比電池包甲高2℃?電池包乙的降功率溫度閾值比電池包甲低2℃，即電池包乙比電池包甲更容易升溫且更容易進入降功率狀態;
②電池包乙的最大電芯溫差明顯比電池包甲要高，說明電池包乙的冷卻均衡能力較弱，熱管理系統設計不佳;
③在電芯溫度上升至38℃進入快冷模式后，電池包乙繼續升溫至46℃觸發降功率模式，并最終開始降溫，這個總過程總用時13min以上?而電池包甲從進入快冷模式到開始降溫，只用了不到2min?
通過分析上述情況，可以得出在同等功率輸出情況下，電池包乙的發熱量比電池包甲大，且熱管理表現低于電池包甲，綜合表現明顯差于電池包甲?
通過分析對比兩家供應商的電池參數，可以發現其表現差異巨大的主要原因是輸出同等功率時電池包乙發熱量明顯比甲高?如表2-2所示，電池包乙的額定電壓比較低，導致輸出同等的功率需要更高的電流，同時電池包乙的熱阻值比電池包甲更高?根據焦耳定律，電流及電阻更高的電池包乙的焦耳熱發熱量要明顯高于電池包甲，而焦耳熱又占了電熱總熱量中較大的比例?因此熱管理系統設計需要在電池包設計初期就進行介入，重點控制電池包的額定電壓和熱阻值，以控制電池包的焦耳熱?
2.3 快冷邏輯設定不良
某項目C是純電車型，其電池包為三元鋰離子電池且與項目A和B一樣采用具有快冷功能的液冷設計?該項目的動力電池散熱效果良好，在各種試驗過程均未出現電池過熱現象，然而仍然暴露出電池熱管理系統設計不良問題?
在以動力總成耐久為代表的短時間內動力電池進行大功率輸出的工況下，電池包最高電芯溫度隨著工況的進行而快速上升，當最高電芯溫度上升至38℃時，快速冷卻模式啟動，電池升溫速度開始減緩，并在上升至45℃后開始下降，期間未達到電池過熱閾值
展開 新能源汽車與新能源電池設計中的CAE仿真技術應用
ANSYS Fluent 對鋰離子電池包熱管理分析，最主要的問題是工作溫度問題及電池溫度均勻性問題，這個溫度均勻性可以分為電池模組內的均勻性和模組之間的溫度均勻性。在電池包的熱分析中，ANSYS CFD有其巨大的優勢：
一是模型簡化處理方面的優勢，電池包內部結構通常非常復雜，其中包含螺栓、支撐結構、銅片等細節，而熱分析中所需要的關鍵部位，如換熱流道、電芯等是包裹在這些復雜的結構下，需要提取出來以供CFD計算。使用ANSYS Space Claim幾何建模及修復工具則可以較為專業且快捷的對幾何模型進行簡化處理，并得到用于計算的模型。
二是求解器模型方面的優勢，ANSYS Fluent中的流動方程耦合MSMD模型的電化學方程，可以得到更為準確的溫度分布，以更為準確的指導換熱設計。
麥格納國際混合動力汽車電池包熱管理模擬
福特和德爾福合作的全混合電動車電池包散熱系統設計
電池模組風道優化案例
針對電池包還需要進行結構強度分析，比如翻轉，沖擊，跌落分析等。試用ANSYS分析軟件，觀察電池包在各種工況中結構表現情況，快速，安全，可行。
鋰離子電池包跌落分析結果
2、電驅動系統分析
新能源汽車電機及驅動/控制系統設計包括電氣、電磁、熱、流體、結構、噪聲、控制等多物理場、多層次、集成化設計內容，迫切需要引進新型電機設計解決方案，透過平臺化的方法，形成集多物理場協同設計工具為一體的，糅合高性能計算技術和多學科優化技術的數字化研發環境。
展開 
新能源汽車與新能源電池設計中的CAE仿真技術應用
ANSYS Fluent 對鋰離子電池包熱管理分析，最主要的問題是工作溫度問題及電池溫度均勻性問題，這個溫度均勻性可以分為電池模組內的均勻性和模組之間的溫度均勻性。在電池包的熱分析中，ANSYS CFD有其巨大的優勢：
一是模型簡化處理方面的優勢，電池包內部結構通常非常復雜，其中包含螺栓、支撐結構、銅片等細節，而熱分析中所需要的關鍵部位，如換熱流道、電芯等是包裹在這些復雜的結構下，需要提取出來以供CFD計算。使用ANSYS Space Claim幾何建模及修復工具則可以較為專業且快捷的對幾何模型進行簡化處理，并得到用于計算的模型。
二是求解器模型方面的優勢，ANSYS Fluent中的流動方程耦合MSMD模型的電化學方程，可以得到更為準確的溫度分布，以更為準確的指導換熱設計。
麥格納國際混合動力汽車電池包熱管理模擬
福特和德爾福合作的全混合電動車電池包散熱系統設計
電池模組風道優化案例
針對電池包還需要進行結構強度分析，比如翻轉，沖擊，跌落分析等。試用ANSYS分析軟件，觀察電池包在各種工況中結構表現情況，快速，安全，可行。
鋰離子電池包跌落分析結果
2、電驅動系統分析
新能源汽車電機及驅動/控制系統設計包括電氣、電磁、熱、流體、結構、噪聲、控制等多物理場、多層次、集成化設計內容，迫切需要引進新型電機設計解決方案，透過平臺化的方法，形成集多物理場協同設計工具為一體的，糅合高性能計算技術和多學科優化技術的數字化研發環境。
展開 新能源汽車與新能源電池設計中的CAE仿真技術應用
ANSYS Fluent 對鋰離子電池包熱管理分析，最主要的問題是工作溫度問題及電池溫度均勻性問題，這個溫度均勻性可以分為電池模組內的均勻性和模組之間的溫度均勻性。在電池包的熱分析中，ANSYS CFD有其巨大的優勢：
一是模型簡化處理方面的優勢，電池包內部結構通常非常復雜，其中包含螺栓、支撐結構、銅片等細節，而熱分析中所需要的關鍵部位，如換熱流道、電芯等是包裹在這些復雜的結構下，需要提取出來以供CFD計算。使用ANSYS Space Claim幾何建模及修復工具則可以較為專業且快捷的對幾何模型進行簡化處理，并得到用于計算的模型。
二是求解器模型方面的優勢，ANSYS Fluent中的流動方程耦合MSMD模型的電化學方程，可以得到更為準確的溫度分布，以更為準確的指導換熱設計。
麥格納國際混合動力汽車電池包熱管理模擬
福特和德爾福合作的全混合電動車電池包散熱系統設計
電池模組風道優化案例
針對電池包還需要進行結構強度分析，比如翻轉，沖擊，跌落分析等。試用ANSYS分析軟件，觀察電池包在各種工況中結構表現情況，快速，安全，可行。
鋰離子電池包跌落分析結果
2、電驅動系統分析
新能源汽車電機及驅動/控制系統設計包括電氣、電磁、熱、流體、結構、噪聲、控制等多物理場、多層次、集成化設計內容，迫切需要引進新型電機設計解決方案，透過平臺化的方法，形成集多物理場協同設計工具為一體的，糅合高性能計算技術和多學科優化技術的數字化研發環境。
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ANSYS Fluent 對鋰離子電池包熱管理分析，最主要的問題是工作溫度問題及電池溫度均勻性問題，這個溫度均勻性可以分為電池模組內的均勻性和模組之間的溫度均勻性。在電池包的熱分析中，ANSYS CFD有其巨大的優勢：
一是模型簡化處理方面的優勢，電池包內部結構通常非常復雜，其中包含螺栓、支撐結構、銅片等細節，而熱分析中所需要的關鍵部位，如換熱流道、電芯等是包裹在這些復雜的結構下，需要提取出來以供CFD計算。使用ANSYS Space Claim幾何建模及修復工具則可以較為專業且快捷的對幾何模型進行簡化處理，并得到用于計算的模型。
二是求解器模型方面的優勢，ANSYS Fluent中的流動方程耦合MSMD模型的電化學方程，可以得到更為準確的溫度分布，以更為準確的指導換熱設計。
麥格納國際混合動力汽車電池包熱管理模擬
福特和德爾福合作的全混合電動車電池包散熱系統設計
電池模組風道優化案例
針對電池包還需要進行結構強度分析，比如翻轉，沖擊，跌落分析等。試用ANSYS分析軟件，觀察電池包在各種工況中結構表現情況，快速，安全，可行。
鋰離子電池包跌落分析結果
2、電驅動系統分析
新能源汽車電機及驅動/控制系統設計包括電氣、電磁、熱、流體、結構、噪聲、控制等多物理場、多層次、集成化設計內容，迫切需要引進新型電機設計解決方案，透過平臺化的方法，形成集多物理場協同設計工具為一體的，糅合高性能計算技術和多學科優化技術的數字化研發環境。
展開 汽車專題第三期 |新能源汽車—電池篇（三）
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5.基于電動汽車電池加熱器的控制方法優化
主要內容：電池低溫加熱系統、加熱器電氣結構、PTC的R-T特性曲線、PTC不同加熱檔位下的沖擊電流、加熱器檔位控制策略、PTC加熱策略試驗結果、優化后的PTC加熱控制流程...
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6.電動汽車電池安全事故分析與研究現狀
主要內容：電動汽車起火事件分析、電池失效機理分析、電池安全研究現狀、電池安全管理研究的幾點探討、結論...
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7.某純電動汽車電池包安裝點結構設計
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8.淺析電動汽車電池PACK液冷系統性能與測試
主要內容：采用濕檢和干檢進行測試、驗證低溫密封性能、靜壓強度性能、耐高溫性能試驗、壓力循環性能檢測、振動性能試驗、內部腐蝕性能、爆破性能試驗、結論...
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9.淺談電動汽車電池系統熱管理技術
主要內容：電動汽車電池系統熱管理技術現狀、空冷式散熱系統、液冷式散熱系統、變相材料式散熱系統、熱管冷卻、電動汽車電池系統熱管理技術發展方向...
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