電池包散熱的案例
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。
歡迎關注微信公眾號：有限元科技
展開 基于Icepak的船舶儲能電池散熱特性仿真分析
因此，儲能電池作為船舶重要的電氣設備，其散熱系統的設計通常也考慮風冷和液冷這兩種形式。陳旭海等人[4]利用Ansys對風冷條件下的儲能電池溫度場進行仿真分析，并根據仿真結果對存放電池模塊的機柜進行優化設計。同時也有研究表明，在風冷散熱系統中，改善冷卻風道設計[5]、合理調整電池組間距[6]均可改善電池組溫度的均衡性。桂永勝等人[7]為船舶電氣設備設計了一套模塊化的水冷系統，可用于船舶儲能電池的散熱。張上安[8]則利用COMSOL軟件分析了液冷散熱系統中冷卻液流量和冷卻液入口溫度對電池散熱特性的影響。然而大多數研究只是針對其中一種散熱方式，并沒有綜合分析風冷散熱和液冷散熱各自的效果和優缺點。王屹航等人[9]雖對這兩種散熱方式的散熱能力做出了評價，但只是針對單體電池，并未考慮整個電池包的熱特性。
本文以某型船用儲能電池包為研究對象，分別設計其風冷散熱系統和液冷散熱系統，利用Icepak軟件建立熱仿真模型，對比研究電池包在不同散熱系統作用下的散熱特性和溫度場分布，進一步通過改變散熱系統的若干關鍵參數，分析評估參數的變化對整個系統散熱效果的影響。結果表明，液冷散熱系統的散熱效果普遍優于風冷散熱，尤其是在保持電池包溫度一致性方面表現出色。本研究可為全電船舶儲能系統散熱方案的選取和散熱系統的設計提供參考，保障鋰電池組在船舶上安全可靠的運行，同時也為鋰電池在船舶上大規模運用奠定基礎。
2 模型建立
2.1 電池散熱的數學模型
儲能電池包通常是由電池模組根據電壓需求串聯而成，而電池模組又是由多個單體電池通過串并聯的方式構成的，因此單體電池是構成電池模組和電池包的基本單元[10]。要對電池包的散熱特性進行研究，首先要建立單體電池散熱的數學模型。
展開 設計一款動力電池包，怎樣看待電芯的充電能力和自放電特性？
在電動汽車使用初期，性能體現最明顯的是動力電池的放電性能，在車輛上主要的表現為動力性能和續航。隨著時間的推移，電池的其他特性才逐漸被車輛用戶看到。繼前面討論了電池放電性能、電芯壽命、成本和內阻以后，今天我們再看看電芯的充電和自放電特性。
1 充電特性
電池包的充電特性，尤其充電時間，是用戶關注的一個焦點。而動輒充電幾個小時，是傳統車詬病電動汽車的一個重要槽點。但是，不同類型的車型應用，實際上并不需要全部都追求快充。比如清潔專用車，巡邏車等這類對車輛的機動性要求不高的車輛，耗費成本追求快充就是沒有必要的。一般乘用車，如果在快充與慢充車型之間拉開價格差距，相信也會有一部分生活軌跡比較穩定的人會選擇充電沒有那么快的車型。
電池充電特性影響因素。
電芯自身因素。從電池內部的微觀過程看，充電過程，就是鋰離子從負極遷出，嵌入正極的過程。過程中，活性鋰離子的運動越順暢，自負而正的運動動力越足，則充電的阻礙越小，允許的充電電流就越大。那么，妨礙大電流充電的特性，總體上都體現為電池充電內阻。在高倍率的工況下，電池內部極化電阻隨著電流的增加而增大，電池端電壓迅速達到截止條件，充電結束，使得電池可用容量減小。
電池包散熱能力。除了電池自身充電接受能力以外，電池包的散熱能力也是限制電池充電倍率的一大因素。當電芯自身條件確定，單體電芯發熱，熱量的積累，造成電池包內環境溫度上升。任其自由發展，則可能在充電并未完成時，電池溫度已經觸及允許上限。因此，給快充電池包配備相應的散熱系統，是提高充電能力的一個前提條件。
一種磷酸鐵鋰電池不同充電倍率的溫升曲線
充電內阻受到哪些因素的影響？
充電內阻同樣包含歐姆內阻和極化內阻兩個部分，他們都會受到溫度的影響，溫度越低，充電內阻總體表現越大，反之，則降低。
展開 新能源電池包熱應力防護如何筑牢安全防線？
Ansys熱應力分析可使電池包散熱板開裂風險降低30%、熱失控預警時間提前8分鐘，構建全周期安全防護體系，技術鄰依托資深師資團隊打造的定制培訓，能讓企業工程師快速掌握這套核心防護技術。
新能源汽車電池包的熱應力安全問題，是制約行業發展的關鍵瓶頸。電池包在充放電、高溫環境及熱失控初期均會產生顯著熱應力，若管控不當，極易引發殼體破裂、電芯擠壓短路等嚴重安全隱患。技術鄰服務20+新能源頭部企業的實戰經驗顯示，電池包熱應力相關故障中，正常工況下的散熱板開裂占比23%，熱失控初期的殼體破裂占比35%，而Ansys熱應力分析可針對性構建全周期防護體系。更重要的是，技術鄰通過定制培訓，將這套前沿技術轉化為工程師的實操能力，其師資力量堪稱行業標桿——講師團隊均具備10年以上Ansys仿真經驗，且持有Ansys官方認證資質，深度參與過電池包熱安全項目，能精準對接企業實際需求。
在正常工況的熱應力管控中，快充場景的熱堆積問題尤為突出。電池包快充時，電芯因焦耳熱溫度從25℃快速升至50-60℃，鋼質散熱板與鋁合金電芯的熱膨脹系數差異達1.8倍，極易引發接觸熱應力，形成“熱應力升高-散熱失效-溫度驟升”的惡性循環。Ansys通過兩大核心手段破解這一難題：一是材質匹配驗證，通過仿真對比鋼質、鋁合金、鎂合金三種散熱板材質的應力分布，最終選定鋁合金材質，使接觸應力從180MPa降至117MPa；二是整體應力優化，在殼體螺栓處增加硅膠緩沖墊片，將局部應力降低30%，徹底避免殼體變形開裂。同時，Ansys可精準模擬不同充放電倍率下的熱應力變化，1C倍率充電時熱應力值為90MPa，2C快充時增至150MPa，為液冷系統調控提供精準數據支撐。這些實操技巧，正是技術鄰培訓的核心內容，講師會以企業真實電池包模型為案例，手把手指導學員完成材質選型、應力優化的全流程仿真操作。
展開 
積鼎流體仿真軟件VirtualFlow: 鋰電池液冷散熱數值計算
<p>電池包在運作的時候會產生大量的熱，熱會在電池包內積累，隨著車輛的使用，電池包內的部件會老化損傷，安全隱患極高，如何給電池包散熱就顯得非常重要。本文采用積鼎VirtualFlow對電芯、冷板以及冷卻液進行散熱仿真計算，分析鋰電池模組穩態散熱效果，并與Fluent軟件結果進行對比，表明VirtualFlow與Fluent計算結果的溫度偏差控制在3℃以內。</p><p><br></p><h1><strong>一、計算域與網格</strong></h1><p>固體計算域包括電芯、母排、正負極、導熱膠以及電池包外殼，流體域為液體冷卻通道。</p><div contenteditable="false" width="100%"><figure class="figure-image" data-img="https://img.jishulink.com/202406/attachment/3716d76182524144ac5c6023f53ee1ca.webp" style="text-align: center"><img src="https://img.jishulink.com/202406/attachment/3716d76182524144ac5c6023f53ee1ca.webp"></figure></div><p class="ql-align-center">圖1 流體域示意圖</p><p class="ql-align-center"><br></p><p>本算例中，VIrtualFlow采用笛卡爾網格，只需要如下流體域尺寸和設置加密區域，即可自動生成網格。Fluent的網格采用FluentMeshing進行劃分，為多面體網格。
展開 【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）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。
干貨 | ANSYS新能源電池包散熱仿真解決方案
4、完整的電池包熱分析模型
由以上介紹可知，ANSYS是在Simplorer這一個平臺中創建了LIT ROM、SVD ROM和ECM三個模型，在這基礎之上，就可以搭建如圖9所示的完整電池包熱分析模型。
在這一個ECM和ROM耦合的模型中，ECM計算電池熱源的熱耗散并把數據傳遞給兩個ROM，其中LTI ROM計算出電池的平均溫度并把此溫度反饋回ECM，這樣就可以考慮溫度對電池放電的影響，而SVD ROM則計算并保存了整個溫度場分布隨時間變化的過程。
從圖10可以看出傳統CFD分析方法和降階處理方法在計算時間上的差別，按傳統CFD分析方法進行瞬態分析在單核計算情況下需要約5個小時，而降階處理方法僅僅需要耗費幾秒鐘，即使加上生成ROM的時間也不超過半小時。而且在實際應用中，模型越大，這種時間上的差距就越大。
圖9 完整的電池包熱分析模型（ECM和ROM耦合）
圖10 對比數據
5、總結
熱分析是電池包設計中比較重要的問題，而電池包瞬態熱分析的計算量比較大，不滿足實際應用中對分析效率的要求。ANSYS采用降階處理的方式，通過LTI ROM、SVD ROM與ECM耦合方法搭建了完整的電池包熱分析模型，從結果可以看出，這種方法不僅保證了與傳統CFD分析方法一樣的精度，還大大縮短了計算時間，提高了實際用于中的分析效率。
鑒于篇幅的限制，本文未對各模型的理論做詳細的介紹，若有任何疑問請聯系陽普科技。
展開 干貨 | ANSYS新能源電池包散熱仿真解決方案
4、完整的電池包熱分析模型
由以上介紹可知，ANSYS是在Simplorer這一個平臺中創建了LIT ROM、SVD ROM和ECM三個模型，在這基礎之上，就可以搭建如圖9所示的完整電池包熱分析模型。
在這一個ECM和ROM耦合的模型中，ECM計算電池熱源的熱耗散并把數據傳遞給兩個ROM，其中LTI ROM計算出電池的平均溫度并把此溫度反饋回ECM，這樣就可以考慮溫度對電池放電的影響，而SVD ROM則計算并保存了整個溫度場分布隨時間變化的過程。
從圖10可以看出傳統CFD分析方法和降階處理方法在計算時間上的差別，按傳統CFD分析方法進行瞬態分析在單核計算情況下需要約5個小時，而降階處理方法僅僅需要耗費幾秒鐘，即使加上生成ROM的時間也不超過半小時。而且在實際應用中，模型越大，這種時間上的差距就越大。
圖9 完整的電池包熱分析模型（ECM和ROM耦合）
圖10 對比數據
5、總結
熱分析是電池包設計中比較重要的問題，而電池包瞬態熱分析的計算量比較大，不滿足實際應用中對分析效率的要求。ANSYS采用降階處理的方式，通過LTI ROM、SVD ROM與ECM耦合方法搭建了完整的電池包熱分析模型，從結果可以看出，這種方法不僅保證了與傳統CFD分析方法一樣的精度，還大大縮短了計算時間，提高了實際用于中的分析效率。
展開 KOOLANCE散熱器在電動汽車中應用（二）
散熱部件結構緊湊、成本較低：
2、特斯拉的 Model 3:
與通用 VOLT 的并行流道相比，特斯拉的電池包散熱則是采用串行流道，冷卻板
安裝于電池間隙，這個設計的結構設計難度較大，同時，蛇形冷卻板在較大程度上增
加了液冷系統的壓力損失，需要加大流量進行補償。
特斯拉的電池包管理系統中，還增加了對“廢熱”的利用和管理，即：利用車上
各種電子設備和動力系統在工作過程產生的廢熱來給電池加熱，這樣，在不額外增加
電能消耗或少耗能的情況下也能保證電池包的溫度，特別適用于寒冷地區的車輛使用。
可見，一個設計優良的電池包熱管理系統，不僅能充分利用車輛的空間，還能變廢為
寶，把電池的能量用到極致。美國 Koolance Inc.公司，從 2000 年起，就一直致力于“液
冷”散熱系統的研究和開發，針對電動汽車特殊的散熱要求，設計了多款一體式的散熱器，
可滿足各種工況下的散熱需求，通過散熱器內置的 Koolance System Monitor 監測系統，
就可對散熱流道中的流量、流速、風扇轉速、水泵轉速、冷液溫度等進行實時調控，是從
事自動駕駛、電池管理系統（BMS）、熱管理系統（BTMS）開發者的得力助手、助攻神器！
上述散熱器，搭配 KOOLANCE 研發的專用探溫計，就能實時監測各個監測點的冷液溫度：
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 電動汽車電池包熱仿真Step by Step教程
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。
展開 汽車專題第二期 |新能源汽車—電池篇（二）
本期為新能源汽車專題之電池篇，里面有優質文章、免費視頻、最新文檔，快看看有沒有大家感興趣的內容吧！
文章
1.
CAE技術在電動汽車動力電池振動疲勞性能上的應用
主要內容：電池包振動疲勞分析、輸入參數、模態與頻響、優化分析、優化設計及驗證、結論...
點擊鏈接查看內容：https://www.yqgqt.org.cn/content/post/1823222
2.
CAE技術在電池領域的應用
主要內容：靜剛度分析、動剛度分析、隨機振動分析、上蓋承重度分析、靜態擠壓分析、滑車試驗、碰撞安全、電池包跌落、電池包翻轉、底部球擊、電池包散熱分析...
點擊鏈接查看內容：https://www.yqgqt.org.cn/content/post/1823225
3.
新能源汽車與新能源電池設計中的CAE仿真技術應用
主要內容：鋰電池的散熱、電驅動系統分析、電機本體設計、EMC/EMI電磁兼容和干擾分析...
點擊鏈接查看內容：https://www.yqgqt.org.cn/content/post/1823227
4.
新能源汽車動力電池及其管理系統的EMC測試與整改案例
主要內容：GB/T38661-2020EMC測試解析、BMS的電磁騷擾問題及分析...
展開 元王仿真云案例精選丨基于Flotherm的電池包熱仿真分析
在國家節能環保的號召下，電動汽車越來越普及，廠商們在電池包的設計上下足了功夫，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的重要組成部分，其主要功能是通過冷卻系統和熱電阻加熱裝置使電池溫度處于正常工作溫度范圍。電池熱管理系統的功能主要包括：
1）電池溫度的準確測量和監控；
2）有效的散熱和降溫功能；
3）低溫條件下的快速加熱，使得電池系統處于正常運行的溫度范圍；
4）保證電池組溫度的均勻分布，降低單體電池溫度差異性。
熱管理系統設計目標是根據整車典型的運行工況和鋰離子電池的發熱功率，選擇合適的熱管理方式，基于電池的溫度特性合理設計熱管理策略，保證電池包內各個電池都工作在合理溫度范圍內，同時盡量維持電池包內各個電池及電池模組之間的溫度均勻性。
在多種條件限制下，平衡協調電池包各性能指標，尋求更優的電池包熱設計，對電池包進行熱仿真分析必不可少。
下面就為大家介紹一個強迫風冷熱仿真案例，看看該如何進行電池包熱仿真。
展開 