功率單元熱管理仿真的案例
設計仿真 | Cradle CFD 高效助力高功率馬達進行熱管理設計
關鍵字: 馬達熱管理 Motor Thermal Management、計算流體力學 CFD、電動車 EV
前 言
隨電動化交通工具的快速普及，高功率馬達的熱管理越顯重要。發展趨勢對馬達輸出功率需求不斷提升，同時又希望壓縮馬達體積便于應用，由此會造成熱密度的快速增加，導致馬達溫升大幅提高。過高的馬達溫度不利于馬達的壽命、可靠度，也會影響到馬達的電磁性能。因此如何對高熱密度的電動馬達進行熱管理設計成為一個重要課題。馬達在內部結構復雜且復雜機構運動形式下，高速運轉時，內部熱流場極難以實驗進行量測，但是計算流體力學CFD能夠克服此問題，提供內部精細的物理現象數據供設計參考，因此也成為馬達熱管理分析設計一項不可或缺的工具。然而高功率馬達的結構十分復雜，在進行數值模擬分析時往往會遭遇許多困難。傳統方法會對許多復雜的幾何進行簡化，但這些簡化造成了許多物理現象的遺失或誤差，可能會誤導設計判斷。另一方面，困難繁瑣的模擬過程也抑制了設計人員應用CFD的意愿。因此，如何開發先進的數值模擬技術，特別是極度復雜幾何的快速網格劃分技術，對于高功率馬達精確有效的熱管理設計至關重要。
展開 系統仿真軟件AMESim熱管理模塊學習：熱管理基礎
其他的對于濕空氣主要需要考慮和假設的是換熱的濕空氣容腔和濕空氣流路建模部件，而對流換熱內部或外部對流換熱、自然和強制對流和密閉空間的對流換熱；對于太陽或者地表或者其他部件熱源的熱輻射主要考慮物體透明和不透明表面以及反射、投射和吸收熱量的計算。
2.1 各個元件參數設定和理論
2.1.1 材料定義
定義固體的材料屬性（鐵、銅、鋁等常見材料）包括：密度[Kg/m3]，比熱[J/Kg/℃]，熱導率[W/m/℃]，定義方式有：選擇庫中已有材料、定義為常量、定義為文件或者表達式、屬性定義擬合。
2.2.2 熱容計算
和材料質量和體積有關
溫度計算：計算各個端口的熱量引起的變化
熱容本身存儲能量評估
重要概念：熱容的集中參數法，這里說的意思是比如做電池熱管理仿真，是考慮整個電池包當成一個熱容還是一個電池模組或者電池單元看成一個熱容。電池溫差各個模組不一樣，如果把電池單元看成一個熱量是不足以分析電池溫差和溫度分布情況的，所以就需要分解，通過Bi參數選擇：
上式中，L是固體的換熱特征長度，h是對流換熱系數，λ是固體的導熱率
當Bi <<1，適合單個熱容建模方式
當Bi>>1,需要將熱容離散成多個質量塊
若Bi<<1，固體中的導熱熱阻遠小于流過流體邊界層的對流熱阻，可以假定固體內溫度分布均勻，則Bi越小，表示內熱阻越小，外部熱阻越大。
展開 高功率密度電機的熱仿真分析
作者：駱 苗，王洪武丨中國電子科技集團
摘 要：根據高功率密度電機裝置結構類型，結合高空環境特點，采用FloEFD軟件對某型號高空飛行器驅動電機的散熱情況進行仿真分析，確保電機組件在高空環境下的可靠運行。
高功率密度電機的熱量產生原因復雜，包括定子銅耗、定子鐵耗、轉子鐵耗、機械損耗等。發熱過度會導致磁鋼局部失磁、鐵心局部過熱等影響安全性的因素，因此必須進行熱仿真分析研究。通過FloEFD軟件對電機進行熱仿真分析，根據仿真結果優化電機結構，提高電機的散熱能力，避免局部過熱，這對延長電機壽命、提高電機可靠性、減輕冷卻系統壓力都有重要意義。
1 電機結構與熱仿真建模
永磁同步電機及其驅動組件系統作為高空飛行器的主要動力元件，必須使飛行器在不同溫度、氣壓及風力環境下均能保持良好的驅動控制能力。以某型號高空飛行器螺旋槳驅動電機為例，將電機與減速器實行一體化設計，以滿足電機高功率密度的要求，并且合理地設計電機的外形結構尺寸，確保電機在高空低溫低氣壓的條件下，具有良好的散熱能力。利用Inventor軟件進行電機3D建模，其結構如圖1所示，此結構為經FloEFD熱仿真軟件優化后的電機結構。
圖1 電機三維結構圖
本文采用三維熱仿真軟件FloEFD對電機散熱情況進行仿真分析，仿真參數按照電機處于高空環境中的額定運行狀態進行設定，通過分析比較仿真結果，對電機外殼散熱筋的結構尺寸進行調整，進而不斷優化電機組件的散熱能力。
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作者：駱 苗，王洪武丨中國電子科技集團
摘 要：根據高功率密度電機裝置結構類型，結合高空環境特點，采用FloEFD軟件對某型號高空飛行器驅動電機的散熱情況進行仿真分析，確保電機組件在高空環境下的可靠運行。
高功率密度電機的熱量產生原因復雜，包括定子銅耗、定子鐵耗、轉子鐵耗、機械損耗等。發熱過度會導致磁鋼局部失磁、鐵心局部過熱等影響安全性的因素，因此必須進行熱仿真分析研究。通過FloEFD軟件對電機進行熱仿真分析，根據仿真結果優化電機結構，提高電機的散熱能力，避免局部過熱，這對延長電機壽命、提高電機可靠性、減輕冷卻系統壓力都有重要意義。
1 電機結構與熱仿真建模
永磁同步電機及其驅動組件系統作為高空飛行器的主要動力元件，必須使飛行器在不同溫度、氣壓及風力環境下均能保持良好的驅動控制能力。以某型號高空飛行器螺旋槳驅動電機為例，將電機與減速器實行一體化設計，以滿足電機高功率密度的要求，并且合理地設計電機的外形結構尺寸，確保電機在高空低溫低氣壓的條件下，具有良好的散熱能力。利用Inventor軟件進行電機3D建模，其結構如圖1所示，此結構為經FloEFD熱仿真軟件優化后的電機結構。
圖1 電機三維結構圖
本文采用三維熱仿真軟件FloEFD對電機散熱情況進行仿真分析，仿真參數按照電機處于高空環境中的額定運行狀態進行設定，通過分析比較仿真結果，對電機外殼散熱筋的結構尺寸進行調整，進而不斷優化電機組件的散熱能力。
展開 
高功率密度電機的熱仿真分析
作者：駱 苗，王洪武丨中國電子科技集團
摘 要：根據高功率密度電機裝置結構類型，結合高空環境特點，采用FloEFD軟件對某型號高空飛行器驅動電機的散熱情況進行仿真分析，確保電機組件在高空環境下的可靠運行。
高功率密度電機的熱量產生原因復雜，包括定子銅耗、定子鐵耗、轉子鐵耗、機械損耗等。發熱過度會導致磁鋼局部失磁、鐵心局部過熱等影響安全性的因素，因此必須進行熱仿真分析研究。通過FloEFD軟件對電機進行熱仿真分析，根據仿真結果優化電機結構，提高電機的散熱能力，避免局部過熱，這對延長電機壽命、提高電機可靠性、減輕冷卻系統壓力都有重要意義。
1 電機結構與熱仿真建模
永磁同步電機及其驅動組件系統作為高空飛行器的主要動力元件，必須使飛行器在不同溫度、氣壓及風力環境下均能保持良好的驅動控制能力。以某型號高空飛行器螺旋槳驅動電機為例，將電機與減速器實行一體化設計，以滿足電機高功率密度的要求，并且合理地設計電機的外形結構尺寸，確保電機在高空低溫低氣壓的條件下，具有良好的散熱能力。利用Inventor軟件進行電機3D建模，其結構如圖1所示，此結構為經FloEFD熱仿真軟件優化后的電機結構。
圖1 電機三維結構圖
本文采用三維熱仿真軟件FloEFD對電機散熱情況進行仿真分析，仿真參數按照電機處于高空環境中的額定運行狀態進行設定，通過分析比較仿真結果，對電機外殼散熱筋的結構尺寸進行調整，進而不斷優化電機組件的散熱能力。
展開 熱仿真分享 | 動力電池PACK熱管理系統性能研究-STARCCM+
3、基于液體熱管理系統仿真分析
3.1、液體熱管理系統流場仿真分析
使用CFD軟件對液體熱管理系統流場進行仿真分析，當冷卻液流量為12L/min時，系統冷板及管路的仿真壓力云圖和速度云圖如圖3和圖4所示。分析結果表明，冷卻液進出口壓差為51kPa較為合理，整個流場流速分布均勻，符合設計要求。
3.2、快充冷卻性能仿真
設定快充冷卻過程仿真分析邊界條件及初始條件：環境溫度40℃，冷卻液流量12L/min，進水溫度15℃，快充倍率1.5C，發熱功率1978W，快充30min后充電倍率跳轉至0.3C，發熱功率為828W。仿真結果如圖5所示。整個充電過程最高溫度44.5℃，充電結束時，上極柱最高溫度為31℃，下極柱最低溫度為23℃，溫差8℃。
3.3放電冷卻性能仿真
設定放電冷卻過程仿真分析邊界和初始條件：環境溫度40℃，冷卻液流量12L/min，進水溫度15℃，放電倍率1C，發熱功率1407W。仿真結果如圖6所示。整個放電過程電池最高溫度42℃，放電結束時，上極柱最高溫度為34℃，下極柱最低溫度為25℃，溫差9℃。
3.4加熱性能仿真
設定低溫加熱過程仿真分析邊界條件：環境溫度-20℃，冷卻液流量12L/min，進水溫度35℃，當最低溫度達到15℃后停止加熱。仿真結果如圖7所示。整個過程電池最高溫度30℃，充電結束時，上極柱最高溫度為23.5℃，下極柱最低溫度為15℃，溫差8.5℃。
4、實驗驗證
4.1、實驗條件和實驗設備
(1)實驗條件(環境溫度、濕度、壓強等)實驗過程環境溫度-30～40℃，濕度30%～50%，壓強101.325kPa。
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3、基于液體熱管理系統仿真分析
3.1、液體熱管理系統流場仿真分析
使用CFD軟件對液體熱管理系統流場進行仿真分析，當冷卻液流量為12L/min時，系統冷板及管路的仿真壓力云圖和速度云圖如圖3和圖4所示。分析結果表明，冷卻液進出口壓差為51kPa較為合理，整個流場流速分布均勻，符合設計要求。
3.2、快充冷卻性能仿真
設定快充冷卻過程仿真分析邊界條件及初始條件：環境溫度40℃，冷卻液流量12L/min，進水溫度15℃，快充倍率1.5C，發熱功率1978W，快充30min后充電倍率跳轉至0.3C，發熱功率為828W。仿真結果如圖5所示。整個充電過程最高溫度44.5℃，充電結束時，上極柱最高溫度為31℃，下極柱最低溫度為23℃，溫差8℃。
3.3放電冷卻性能仿真
設定放電冷卻過程仿真分析邊界和初始條件：環境溫度40℃，冷卻液流量12L/min，進水溫度15℃，放電倍率1C，發熱功率1407W。仿真結果如圖6所示。整個放電過程電池最高溫度42℃，放電結束時，上極柱最高溫度為34℃，下極柱最低溫度為25℃，溫差9℃。
3.4加熱性能仿真
設定低溫加熱過程仿真分析邊界條件：環境溫度-20℃，冷卻液流量12L/min，進水溫度35℃，當最低溫度達到15℃后停止加熱。仿真結果如圖7所示。整個過程電池最高溫度30℃，充電結束時，上極柱最高溫度為23.5℃，下極柱最低溫度為15℃，溫差8.5℃。
4、實驗驗證
4.1、實驗條件和實驗設備
(1)實驗條件(環境溫度、濕度、壓強等)實驗過程環境溫度-30～40℃，濕度30%～50%，壓強101.325kPa。
展開 Ansys Electric電仿真根據焦耳熱計算功率 ￥1
Ansys Electric電仿真根據焦耳熱計算功率
一 分析背景
Ansys Electric在分析一個電熱時，想得到某個地方的發熱功率。
但是打開后處理如下：
并沒有我們想要的結果。
那么這里就要想一想了：
1. Commands 方式。焦耳熱Joule Heat * Volume計算
2. 其他方法，我不知道。有可能user defined result也能實現，有可能。
所以我就說說第一種。
新能源電動汽車水冷電機散熱理論熱設計與熱仿真管理分析
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電解電容的發熱損耗計算與分析
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展開 新能源汽車動力電池熱管理熱流體仿真案列分析
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。下面基于案例的方式，介紹一下動力電池熱管理仿真分析的基本流程和技巧。
該案列液冷系統的設計目標為：在指定工況下運行，電池系統內部電芯的最大溫度小于50℃；電芯之間的溫差小于等于5℃；液冷系統的壓降小于10kPa，依據下圖7電芯單體的產熱數據，計算在1c滿放的情況下電池系統的產熱功率。
利用STAR-ccm+軟件的VOF模型，清楚的仿真出液冷板內從開始注入冷卻液到注滿冷卻熱的過程。
設置進口兩相材料的體積分數：cooling water：air=1：0
設置出口兩相材料的體積分數cooling water：air=0：1
定義進口質量流量值：4L/min
從云圖6中我們可以看到，在不到1min的時間內，冷卻液充滿整個液冷板內腔。同時在流道的轉彎區有漩渦現象，有優化空間。
圖6 冷卻液流動云圖（動圖）
圖7 1c放電發熱功率
圖8通過STAR-CCM+仿真工具計算出來的液冷系統的壓力云圖，從仿真的結果上看，系統的壓降為1.8kPa，整個系統采用兩進兩出的兩個并聯結構，流量的均勻性必然滿足設計要求。
展開 電池熱管理仿真（三）：三維仿真邊界條件和算法
采用這樣的算法是根據三維熱仿真與電池發熱工況的特征來制定的，忽略了溫度對換熱介質屬性的影響，是一種可取的近似算法。
圖6：Star-ccm+穩態變瞬態的設置
文末福利，關注公眾號：新能源汽車熱管理仿真技術，回復1，領取新能源熱管理資料。同時本人也在技術鄰平臺更新新能源動力電池熱管理仿真和設計課程如下：如需購買可添加VX：fxy33186375領取優惠券。
1、 基于starccm+在動力電池熱管理仿真技術應用、
2、新能源汽車PACK熱流體仿真進階20講
3、新能源動力電池熱管理設計入門到進階23講
4、 Hypermesh網格劃分-精講進階視頻教程
5、有限元分析ANSA19.0視頻教程零基礎入門到精通50講
展開 
基于starccm的電芯熱管理仿真
6、仿真參數的設定
本案例中，電芯發熱量為10W，電芯物理條件選擇為總熱源：
并且電芯的導熱系數也可以在其中設定。
邊界條件設置為絕熱，即所有熱量均通過水冷板帶走。
水冷板流體的進口邊界條件設置為速度進口：
進口流速為4m/s，進口水溫為25℃。
7、停止標準的設定：
最大內部迭代步數為1s內，需要計算多少步，一般為10-20步。
最大物理時間為需要計算多少秒。
8、監控點的設定：
本案例監控電芯的最大溫度：
右鍵選擇生成監控點和繪圖
9、模型計算
初始化計算后，選擇運行。
10、模型后處理
雙擊繪圖，顯示各個監控點溫度隨時間變化的情況：
在場景中，右鍵新建標量場景，選擇函數，區域后，雙擊標量場景，顯示模型云圖：
文章來源熱管理
展開 基于Star-CCM+液冷電池熱管理仿真
定義材料參數如下表所示：定義好材料參數后，把每個材料賦予到對應的模型上去，電池的能量密度為20000W/M3,對于相同材料的模型可以采用copy方式去賦予材料效率更高
密度
比熱
導熱系數
鋁
2719
871
202.4
Cell
2300
930
18.5/18.5/1.5
導熱墊
2420
967
2
Hyb
1800
550
0.2
定義邊界條件：
設置進口邊界條件為質量流量進口，流量為0.1Kg/s，進口的溫度25℃，出口的邊界條件為壓力出口，
設置監測：
在計算的過程通過設置的監測數據，判斷計算的是否收斂，一般監測的參數都是在仿真中比較關系的參數，比如溫度，壓力參數等。下圖設置了監測每個電芯的最高溫度，冷卻流道壓降參數。
初始化：
求解前需要進行初始化。設置求解保存、步驟和停止條件等。進行過初始化后，即可計算面和體等相關的參數，如面積、體積等。
結論：
迭代了1360步，任然未達到10e-3收斂標準，但是查看監測的數據已趨于穩定，可繼續計算一段時間，演示計算這里位置。
電池的最高溫度35.1℃
系統壓降35.1pa
流道出口溫度25.8℃
更多考慮點：
上文動力電池熱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節相對較小，仿真的方法還需進一步的優化，本次仿真未考慮，熱阻、隨時間變化發熱功率，導電排，極柱的歐姆熱、隨溫度變化的材料參數等等因素。
展開 動力電池熱管理仿真分析教程
解決電池熱仿真過程中前處理的原則，了解動力電池仿真過程中導熱材料的選擇標準，熟悉新能源汽車在不同工況下電池溫度變化情況以及對動力電池熱管理技術設計行業評估標準。
3. 解決學員在ANSYS-SCDM和STAR-CCM+軟件應用過程中遇到的難點和痛點；
4. 能夠具備獨立建立液冷系統流場仿真模型和PACK熱流程仿真的能力。
5. 掌握動力電池CFD仿真結果后處理的方法，能夠正確解讀電池流場仿真和熱仿真結果，提出合理的結構和充放電策略改進建議；
四、適聽人群
① 學習型仿真工程師
② 理解有限元基本概念、熟悉仿真分析流程的工程師
③ 從事動力電池熱管理分析的工程師
④ ANSYS-SCDM 和STAR-CCM+ 軟件學習和應用者
參加課程可添加微信號：fxy331386375
展開 [重大仿真專題更新]新能源汽車全工況電池熱管理復雜策略仿真方法
為了更精確的評估電池熱管理性能，熱管理的工況越來越復雜，如何把復雜的工況條件轉化為仿真輸入的邊界條件是熱管理仿真工程師的一個巨大的挑戰，目前基礎的軟件設置已經滿足不了常規的熱管理工況，需要結合軟件的函數控制和簡單編程語言才能實現。</span></p><p> 以下為<strong style="background-color: rgb(255, 218, 169);">LEVEL水平線</strong>團隊打造<span style="background-color: rgb(255, 218, 169);">熱管理設計和仿真系列</span>課程，團隊成員為行業內工作年限10年以上的資深研發工程師，課程在都是基于工程經驗進行講解，讓你從小白走向利用軟件和經驗的角度去分析問題。<strong>目前市場上唯一一套從</strong><strong style="color: rgb(255, 0, 0);">工程經驗實際</strong><strong>出發和</strong><strong style="color: rgb(255, 0, 0);">軟件使用相結合</strong><strong>對新能源</strong><strong style="color: rgb(255, 104, 39);">動力電池/儲能</strong><strong style="color: rgb(0, 209, 0);">熱管理策略仿真、熱失控仿真、超級快充、多面冷卻仿真技巧、電池MAP快充時間優化</strong><strong>仿真各個關鍵環節進行系統講解課程。
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