電池包CFD仿真的案例
電池包CFD仿真
電池包CFD仿真
【CFD專欄】圓柱電池包如何進行熱仿真？
圓柱電池（cylindrical cell）技術成熟，成本低，單體一致性較好，在新能源車中得到廣泛應用。最具代表性的車型，特斯拉 Model3，總共有 4416 顆 21700 型圓柱電池單體。
Model3 的電池包拆解圖
圓柱電芯單體是由多層材料組成，每個電芯在半徑方向和高度方向導熱性能差別較大。在電池包熱仿真模型中，不太可能對單個電芯進行詳細建模，通常簡化為均勻的固體，要求定義各向異性的熱屬性。如果手動來定義，那么數百個電芯都要創建各自的圓柱坐標系 (RTZ)，頗為麻煩。
圓柱電芯拆解圖
使用 SimLab 實現
圓柱電芯的熱屬性批量定義
在 Altair SimLab? 中不僅可以處理復雜的裝配體 CFD 網格，而且可以利用 Python 腳本輕松實現圓柱電芯的熱屬性批量定義。
展開 CFD專欄丨電池電芯熱電耦合仿真
電池電熱建模需要詳細了解電池中的電化學。例如，溫度和集電器電勢的任何空間不均勻性都會顯著影響電化學，電化學反過來又反饋到熱和電響應中。然而，詳細電化學在電池包CFD模型中進行模擬時計算量巨大。出于這個原因，開發了MSMD多尺度多維解決方案，在單電芯上結合重要的電化學，并擴展到電池pack級。下圖顯示了AcuSolve求解器的不同規模的電池模型。
等效電路模型
在等效電路模型（ECM）中，電池的電行為由電路模擬。例如在二階ECM模型中，電路由三個電阻和兩個電容組成，如圖所示。
電壓-電流關系可以通過求解以下一組電路方程來獲得。其中：QAh代表電池的容量，V和I分別是電壓和電流。開路電壓Vocv、電阻Rs/R1/R2和電容C1/C2是荷電狀態SOC和溫度的函數。這些參數通?？梢酝ㄟ^電芯試驗數據的非線性回歸獲取。
ECM模型中的上述參數用于Bernardi方程，以計算歐姆熱的產生（焦耳熱效應）和熵體積熱的產生（電芯的電化學反應）。dU/dT項代表開路電壓隨溫度的變化。
下面通過一個簡單的圓柱電芯模型演示電熱耦合分析過程。
展開 設計仿真 | 利用 Cradle CFD 設計最佳液冷電池組
設計最佳
液冷電池組
Cradle CFD
總部位于班加羅爾的 Sienna ECAD 公司成立于1997 年，是該國十分先進的印刷電路板（PCB）分析/設計工程公司之一。作為阿瓦隆集團旗下的一家公司，Sienna ECAD 還從事印刷電路板設計工程、系統集成以及塑料、變壓器、磁性元件、電纜和線束的功能測試。
研究小組需要研究液冷電池的功能，以優化冷卻效果。冷卻通道中的流量失衡會造成流動不均勻，從而導致冷卻不均勻，這會導致冷卻套中的傳熱不均勻。此外，考慮到冷卻劑特性對流動機制和傳熱效果的影響，研究小組還熱衷于研究不同冷卻劑對冷卻套中的流動和熱混合的影響。
研究小組決定對雙層電池組的冷卻水套出入口進行逆流和平流兩種不同配置的研究，除此之外他們還研究了冷卻回路中冷卻劑的流速。
01
設計最佳冷液電池
使用 Cradle ScFLOW，我們團隊成功確定了符合電池組仿真速度、準確性和詳細程度要求的正確數學模型。并且我們能夠設計出具有最佳的冷卻劑、最優流量配置和最佳流速的最佳電池組。
-Savita R Ganjigatti,
工程副總裁, Sienna Ecad Technologies, An Avalon group company
Sienna ECAD 團隊使用 Cradle CFD 軟件的最新電池冷卻數學模型，對兩種不同的水套配置進行了模擬，以便在最短時間內得出最準確的結果。研究小組比較了兩種不同冷卻劑的冷卻性能。第一種冷卻劑是乙二醇和水的混合物，第二種冷卻劑僅為水。
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 FC部件|基于 CFD 仿真的燃料電池離心空壓機葉輪的優化設計
通過對氣流的流動情況和葉片的載荷進行分析,未發現有明顯缺陷,即該設計結果基本合理,可以滿足目標燃料電池的需求。
新葉輪的流量較基礎葉輪增大21.4%,目標流量處的等熵效率增加7.5%、壓比提高了32.4%,達到了設計目標的要求。
文章來源：張申,吳孟龍,范俊巖,辛軍.基于CFD仿真的燃料電池離心空壓機葉輪的優化設計[J].汽車零部件,2020(11):23-26.DOI:10.19466/j.cnki.1674-1986.2020.11.005.
文章來源：CEA氫氫子衿
ANSYS電池包行業結構仿真解決方案
獲取完整版資料
目前動力電池開發中面臨的問題：
? 性能(能量密度及功率密度)
? 耐用性和使用壽命(考慮在不同環境和使用周期)
? 安全性(考慮惡劣環境)
? 費用成本
? 復雜的多尺度、多物理場系統
? 快速發展的材料和設計理念
? 現有軟件工具局限性
目錄
1. 動力電池開發中面臨的問題
2. 新能源電池結構仿真類別
3. 新能源電池結構仿真解決方案
3.1 新能源動力電池整包自重分析
3.2新能源汽車動力電池模組強度分析
3.3新能源汽車動力電池單體強度分析
3.4新能源汽車動力電池pack振動性能仿真
3.5新能源電池包機械沖擊仿真
3.6 新能源汽車動力電池單體跌落仿真
3.7 新能源電池包跌落仿真
3.8 基于Mechanical的新能源動力電池整包擠壓計算
3.9 新能源動力電池包PSD隨機振動及疲勞壽命計算
4. 電池包行業結構仿真分析案例
4.1 ANSYS解決方案的特點
4.2 電池包模型，材料，與網格
4.3 電池包邊界條件和求解
4.4 電池包案例分析
4.5 結果分析
以下內容截取自該篇資料
新能源動力電池整包自重分析
輸入條件：電池包整包的3D分析模型，材料力學屬性，標準重力加速度及安裝孔固定約束。
仿真流程：
? 目的：研究電池包在自重作用下的強度。
? 載荷：標準的重力加速度。
? 邊界條件：電池底部安裝孔固定。
結果與效果：
? 電池重量大的地方位移就大，圖中右下角模組位移最大0.1mm。
展開 電池包仿真經驗匯總-持續完善
電池包前處理
殼單元NASTRAN模塊下采用殼單元TRIA3和QUAD4對鈑金件進行網格劃分；在ABAQUS中采用S3R和S4R對鈑金件進行網格劃分，實體單元則盡量采用C3D8R。
網格處理標準：
--------摘自王麗娟《車用動力電池包結構CAE分析優化研究》
QI值越小表示網格質量越好。 QualityIndex面板檢測網格質量，其綜合質量指標值QI＝0.01，可認為整體網格質量是最理想的。
電池包常用材料特性：
自由模態分析：
激勵范圍17HZ-25HZ，參考《QC/T 989-2014 電動汽車動力蓄電池系統通用要求》及《QC/T 413-2002汽車電氣設備基本技術條件》，電池包的第一階固有頻率應高于30HZ為佳。
電池包輕量化設計原則：
--------摘自王麗娟《車用動力電池包結構CAE分析優化研究》
正弦振動試驗常用的是正弦定頻試驗和正弦掃頻試驗。
電池包安裝固定點建議6-10個。
展開 Starccm+ 電池包熱仿真分析（附模型及分析流程） ￥85
</p><p>以下內容包含完整的詳細教程，附件為完整教程文檔和CFD模型文件</p><div contenteditable="false" width="100%">
<img src="https://img.jishulink.com/upload/202301/8ffcb596025b4a04a67d1213a0db99b5.png" title="捕獲.png" alt="捕獲.png" style="max-width:760px;" data-mobile-src="https://img.jishulink.com/upload/202301/8ffcb596025b4a04a67d1213a0db99b5.png?image_process=/format,webp/resize,w_400" data-pc-src="https://img.jishulink.com/upload/202301/8ffcb596025b4a04a67d1213a0db99b5.png?image_process=/format,webp" data-initial-src="https://img.jishulink.com/upload/202301/8ffcb596025b4a04a67d1213a0db99b5.png">
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展開 CAE在電池包仿真分析中的應用
有限元仿真技術自進入中國之后，受到各大企業的重視。新能源領域上規模的企業都做過仿真分析，不少企業都與我司有過仿真方面的合作。
1
電池包——振動仿真
分析背景：蓄電池包或系統安裝在振動臺上，振動測試在三個方向上進行，測試從Z軸開始，然后是Y軸，最后是X軸。
判斷試驗是否通過的標準：試驗中，要求蓄電池包或系統保持連接可靠、結構完好，無外殼破裂。
蓄電池包Y軸振動過程中，內部連接區域最大應力低于所用材料屈服強度（SPCC/166Mpa），連接可靠。
振動測試功率譜密度（PSD）值和頻率
2
電池包——沖擊仿真
蓄電池包或系統無電泄露、外殼破裂、著火或爆炸現象。
3
電池包——翻轉仿真
試驗中，要求蓄電池包或系統無外殼破裂，連接可靠、結構完好。
試驗裝置
4
電池包——跌落仿真
蓄電池包或系統以實際維修或者安裝過程中最可能跌落的方向，若無法確定最可能跌落的方向，則沿Z軸方向，從1m的高度處自由跌落到水泥地面上。
蓄電池包或系統無電解液泄露、著火或爆炸現象。
展開 電池包涉水沖擊工況密封結構仿真評估（近期推出視頻課程） ￥8.88
電池包作為新能源汽車的核心部件，在車輛行駛過程中會頻繁經歷涉水沖擊場景，因此發生水流侵入電池包內部，造成絕緣故障帶來安全隱患的風險較大。主要有兩種失效形式：1、塑料件電池包密封蓋受水沖擊發生變形甚至破裂失效；2、電池包密封結構受水沖擊滲水失效。對于上述的失效形式一，基于LSDYNA ALE算法開發了一種電池包涉水沖擊雙向流固耦合仿真方法，可用于評估電池包涉水沖擊場景中水的流動狀態及密封蓋應力狀態；對于上述的失效形式二，引入LSDYNA與STAR CCM+聯合仿真，開發了正向判定電池包密封結構滲水失效的方法。
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(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。
接新能源電池包結構仿真分析
接仿真任務，主要為新能源電池包結構類:振動，沖擊，擠壓，碰撞，底部球擊，模組膨脹力等等。D寫畢設論文，有需要私聊。
基于頻率響應的電池包隨機振動仿真
本案例的設置如下：
輸出H3D和OP2格式的結果VON Mises Stress，輸出應力的均方根值，輸出動力電池包托腳處的單元RMS應力值。
為了定量描述托腳受振后的變形情況，定義了CASE_UNSUPPORTED_CARDS,用于指定要輸出的節點的位移，輸入命令流 XYPLOT,DISP,PSDF/5256(T1)，即可輸出5256號節點的位移的PSD曲線，讀者也可根據自己興趣輸出相關節點的速度、加速度、應力PSD曲線。
動力電池包的隨機振動仿真云圖如下圖所示。由云圖可知，1σ應力為89MPa，3σ應力為267MPa，所以該電池包95.7%的時間應力值低于267MPa，超過了Q235材料235MPa的屈服強度，托腳有可能因為強度不足而斷裂。
當然，這里的案例只是總結了基于頻率響應去進行隨機振動的原理、卡片、設置流程，對于仿真結果影響較大的阻尼沒有過多的關注。
動力電池包托腳處5256號節點的位移PSD曲線如下圖所示，可以看出低頻階段的位移量較大。
小結：
隨機振動仿真彌補了電池箱靜強度仿真的保守性。不僅可以用來預測動力電池包的設計強度，還可以使用隨機振動應力分布的三區間法則去預測動力電池包的疲勞耐久性。
展開 干貨 | ANSYS新能源電池包散熱仿真解決方案
作為新能源汽車的核心零部件，電池包的性能對整車性能的影響是非常大的，因此在研發階段，各整車和零部件生產商對電池包的仿真分析都非常關注，而電池包熱分析是其中很重要的一環。
一般情況下，電池包是由幾百甚至幾千個單體電池組成，CFD建模時往往會生成超過千萬的網格，如果按照傳統的CFD方法進行瞬態熱分析，計算量是非常大的，不滿足實際應用中對分析效率的要求?；谶@一點考慮，ANSYS根據CFD熱分析的特點，采用降階處理的方式建立熱分析等效模型完成瞬態熱分析，大大提高了分析效率。
1、LTI ROM
如果只關注電池放電過程中監測點溫度、單體平均溫度或出口溫度等單個物理量的瞬態響應特性，可以采用LTI（Linear Time Invariant） ROM降階模型來進行熱分析，大概的分析流程如圖1所示：
圖1 LTI ROM流程
1.1 建立CFD模型
這一步和傳統的CFD熱分析過程是一樣的，根據實際的邊界條件建立完整的CFD分析模型，并且計算出在不考慮電池發熱情況下的流場穩態結果。
1.2 生成系統的階躍響應
熱問題實際上是一個熱系統的響應問題，分析的是不同工況下輸出量（所關注的溫度）對輸入量（電池熱源）響應。
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