基于Star-CCM 动力电池液冷系统热管理仿真27讲

本课适合哪些人学习：

1、学习仿真工程师；

2、STAR-CCM 软件学习和应用者；

3、学习新能源汽车电池包仿真的工程师；

4、从新能源汽车电池包冷却设计的工程师；

5、从热流耦合分析的工程师。

你会得到什么：

1.掌握STAR-CCM 计算流程

2.掌握动力电池理论知识

3.掌握动力电池热管理设计方法和流程

4.掌握动力电池几何模型简化方法

5.掌握动力电池几何检查和修复方法

6掌握动力电池多类型网格划分方法

7.掌握Python编写宏命令批量创建监测点和报告方法

8.掌握动力电池计算时间步长设置准则

9.掌握液冷板冷却液动态开启方法

10.掌握动力电池结果动画制作方法

11.掌握动力电池常温1C放电计算分析

12.掌握动力电池高温1C放电计算分析

13.掌握动力电池高温快充计算分析

14.掌握动力电池低温加热计算分析

15.掌握动力电池保温计算分析

课程介绍：

本课程包括动力电池热管理理论、设计流程和仿真分析内容，为订阅用户提供VIP群服务和行业学习资料，不定期根据订阅用户交流提供加餐内容。还可获得仿真人才库高薪就业内推机会。

一、课程的主要内容

课程详细介绍了动力电池结构、产热原理，对动力电池设计流程进行了详细的介绍，对仿真过程包括几何简化、修复、多类型网格生成、宏命令创建监测点和报告，后处理动画制作进行了详细介绍，并介绍了常温1C放电、高温1C放电计算分析、高温快充计算分析、低温加热计算分析、保温性能计算分析等多工况仿真。

二、课程具体安排

三、课程关联的附件

以下图片是本课程附带的模型和资料，供订阅用户下载。购课后可以在附件直接下载，如果链接失效请联系仿真秀官方客服，或者进入我的vip用户群联系我下载。

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四、动力电池原理

1、锂电池结构

锂电池基本结构

锂离子电池是指在充放电时锂离子通过正、负极之间来回移动，主要组成部分：

1. 正极和负极；

2. 隔膜；

3. 电解液；

4.  集流体(正极集流体和负极集流体)。

2、锂电池工作原理

锂离子电池产热

锂离子电池在设定工况下的发热功率是热管理系统设计的一个非常重要的输 入参数，在进行热管理系统设计之前需要获得这个参数。获得锂离子电池产热功 率的方法多种多样，但归根结底都是采用数学建模的方法。

产热分为： 不可逆热、可逆热、 电子传输热、 离子传输热、 接触热阻产热

五、动力电池热管理设计方法

1、热管理系统基本功能

热管理系统的功能主要包括：

1. 电池温度的准确测量和监控；

2. 电池模组温度超过限值时，能有效散热和降温；低温条件下的快速加热，使得电池系统处于能正常运行的温度范围; 

3. 保证电池组温度场的均匀分布，降低单体电池之间的温度差异。

2、热管理系统设计要求

1. 热管理系统设计目标是根据整车典型的运行工况和锂离子电池的发热功率， 选择合适的热管理方式，基于电池的温度特性合理设计热管理策略，保证电池包 内各个电池都工作在合理温度范围内，同时尽量维持电池包内各个电池及电池模 组之间的温度均匀性。

2. 热管理系统负责与车辆热管理系统进行热量交换，保持动力电池系统能处于 适宜温度环境，以延长产品的使用寿命。

3、热场流场仿真分析方法

1. 仿真分析是获取电池系统内部热场和流场的一种十分有效的方法，借助仿真工具对电池系统内部热场和流场进行理论分析，可以在很大程度上缩短开发周期、节省开发成本，并且提高热管理系统的可靠性。 

2. 计算流体力学（computational fluid dynamics, CFD）将工程中涉及的流动与传热问题用三个控制方程进行描述，随后利用数值方法对模型进行求解并得出热场和流场的分布情况，然后对仿真结果进行分析并指导设计。

4、冷却系统设计

常用的冷却方式主要有四种：自然冷却、强制风冷、液冷和制冷剂直接冷却 （简称直冷）。其中，自然冷却、强制风冷和液冷这三种冷却方式都是利用冷却工 质流过热功耗表面时发生的对流换热将热量带走，过程中冷却工质没有发生相变。 直冷则是冷却工质在冷板中发生相变，并利用相变吸热带走大量的热量。

四种冷却方式的冷却效率的对比，液冷和直冷的冷却效率比自然冷却和强制风冷高出几个量级。此外，除了冷却效率之外，还需要综合考虑冷却均匀性、结构设计、成本和能耗等因素。

五、液冷系统

1. 液冷系统指的是电池系统内部的液冷系统，一套完整的液冷系统不仅包括电池系统内部的液冷系统，还包括电池系统外部的液冷系统。

2. 图是一套完整液冷系统的工作原理图：电芯产生的热量通过电池系统 内部液冷系统被带出电池系统，然后进入电池系统外部液冷回路中，紧接着这部 分热量通过换热器传递给整车空调系统，最后通过整车空调系统将这部分热量传 递到环境空气中。

液冷系统包括四个方面

1. 液冷工质

2. 液冷板焊接方式 

3. 模组热设计

4. 液冷系统设计流程

六、液冷系统设计流程

整个液冷系统设计的流程可以分为

1. 设计目标

2. 系统总体方案设计

3. 传热路径设计

4.  液冷回路设计

5.  液冷板设计

6. 冷却策略设计

7.  机械结构设计

8.  仿真分析 

9. 测试验证。

（一）设计目标

1）电芯温度控制：

对电芯温度的控制，主要是从保证电芯循环寿命要求出发的，即将电芯的最高温度控制在特定温度之下，才能保证电池系统的循环寿命要求。一般情况下， 电池系统在特定环境温度下运行特定工况时，液冷系统需要将电芯自身的温度控制在45°C以下或者将电芯自身的温升控制在10°C以下，从而保证电池系统的循环寿命要求。

2）电芯之间温差控制

电池在充电、放电和静置等过程中的电化学反应和自放电反应速率都会受到电池温度的影响。当电池系统中的电池单体间出现温度不均衡时，电池的电化学反应和自放电反应的速率也会出现不均衡，这种不均衡会导致电池单体间的循环寿命、容量和内阻出现差异。因此，应根据寿命一致性要求和BMS控制的要求确定电池单体间允许的最大温差。一般情况下，电池系统在特定环境温度下运行特定工况时，液冷系统需要将电芯之间的温差控制在5 °C以内，从而保证电池系 统的一致性要求。

3)系统压降控制

冷却液流过液冷系统时，由于流体存在黏性，流体与管槽内壁以及流体与流体之间存在着摩擦阻力，这会消耗一部分能量。这一部分能量消耗主要表现为液冷系统冷却液进出口压力下降。为了补充这一部分压降，循环液回路中的泵需要提供相应的升力。液冷系统的压降值需要根据泵的扬程来确定：在大多数情况下系统的压降一般控制在20〜30 kPa范围内；但对于采用圆柱电芯的电池系统来说, 它的液冷系统的压降一般会在60-70 kPa范围内。

（二）总体方案设计

液冷系统总体方案设计在整个电池系统设计过程中起到承上启下的作用。一方面，液冷系统作为电池系统的一个子系统，它的总体方案设计需要与电池系统 的方案设计匹配，并与电池系统方案设计同步完成。 另一方面，液冷系统总体方案作为各液冷子系统和液冷零部件的总括，它需要保证所有液冷子系统和液冷零部件能协同动作。

一般情况下，液冷系统的总体方案需要包括如下内容：传热路径概念设计、液冷回路概念设计、液冷板概念设 计、冷却策略概念设计、机械结构概念设计等。

（三）传热路径设计

一般情况下，液冷系统的传热过程可以归纳成三条传热路径：

1. 第一条是热量 从电芯内部传递到电芯外表面；

2. 第二条是热量从电芯外表面传递到液冷板冷却表面；

3. 第三条是热量从液冷板冷却表面传递到电池系统外部。

三条传热路径是串联的关系，因此需要对这三条传热路径进行逐一的优化设计，从而使整个系统的传热效率到达最优。

1. 第一条路径是在电 芯设计阶段完成的，第二条路径和第三条路径则是液冷系统设计所需要重点关注的。

2. 第二条路径的优化设计即为模组的优化设计。 •第三条路径的优化设计则主要体现在液冷回路设计和液冷板设计上，

（四）液冷回路设计

1. 整个液冷系统往往由若干个并联的回路组成，冷却液从液冷系统入口流入， 随后分流并流过并联回路，最后汇流并从液冷系统出口流出。

2. 图所示是液冷系统采用的是并联模式，每一块液冷板接入主干路并通 过连接形成一个并联回路，实际设计中可 以将每个并联回路之间流量比的偏差控制在10%以内。

（五）液冷板设计

对于每一个并联回路，为了保证并联回路内部冷却的均匀性,需要对液冷板与冷却液接触的面积(称为冷却面积)进行设计，冷却面积的设计方法。

h、Tw和S是未知的变量，其中S为待求的设计参数。对 于确定的流动情况，对流换热系数h是基本确定的，h可以通过公式来近似计算。 Tw则可以根据发热功率Pm和导热路径的情况进行计算。在确定h和Tw之后，则可以通过公式计算出冷却面积。

（六）冷却策略设计

1. 在实际的运行过程中，出于节省能耗的考虑，外部液冷系统的空调和电子泵并不是常开的，它们的开启和关闭一般是根据电芯的实际温度来确定的：当电芯的温度高于一定温度时，为了将电芯的温度控制在设计目标之内，需要开启空调和电子泵；当电芯的温度低于一定温度时，此时电芯的温度一般会是下行趋势，出于节省能耗的考虑，会关闭空调和电子泵。

2. 由于热惯性的存在，一般情况下空调和电子泵开启时电芯的温度低于液冷系统的设计目标，而空调和电子泵关闭时电芯的温度低于空调和电子泵开启时电芯的温度。当电芯温度高于什么温度时开启空调和电子泵以及低于什么温度时关闭空调和电子泵，即为液冷系统的冷却策略。冷却策略的设计一般是先通过仿真分析来确定，然后通过实验进行验证。

3. 冷却策略的设计流程，首先将初步设计的冷却策略输入到CFD仿真模型中， 经过数值计算可以获得整个热场和流场随时间变化的曲线；接着从仿真结果中提取出电池的最大温升、电池间的最大温差和能耗等数据，并将这些数据与设计目标进行比较，如果满足设计目标，则进行测试验证，如果不满足，则需要根据仿真结果调整冷却策略，然后将新的冷却策略输入到CFD模型中去，直至测试验证满足设计要求。
   

（七）机械结构设计

1. 在液冷系统设计中，需要对冷却界面（即液冷板与模组或者电芯的接触面）的接触热阻进行控制。一般来说，控制的方法有多种，但所有的方法都有一个共同点，即在液冷板与模组或者液冷板与电芯之间施加一个合适的预紧力，从保证二者接触良好。因此，液冷板安装的关键就是如何提供这样的一个合适的预紧力。 

2. 对于具备承重能力的液冷板来说，提供这个预紧力比较简单，常用的做法 是将模组直接安装在液冷板上，通过模组的重量和螺栓预紧来提供这样的一个预紧力。

3. 对于不具备承重能力的液冷板来说，一般不能通过模组重量和螺栓预紧这种方式来提供预紧力。对于这种类型的液冷板，常见的安装方式有两种：第一种是夹持安装，包括双模组夹持和双电芯夹持两种安装方式；第二种是弹性支撑结构。 

4. 双模组夹持安装的液冷板，这种安装方式是将两个模组相对平放，然后将液冷板夹持在两个模组的底面之间；双电芯夹持安装结构, 这种安装方式是将液冷板夹持在两个电芯(方形电芯和软包电芯)的大面之间。 总体来说，夹持安装方式使液冷板的两个表面均得以利用从而提高了液冷板的利 用效率，并且没有增加额外的支撑结构件，在某些情况下是一种较为可取的安装 方式。

(八) 仿真分析

        液冷系统设计过程中主要参数，都可以预先通过工具进行仿真分析和优化设计，然后再通过测试进行验证，从而节省成本和周期。在确定液冷系统的设计目标之后，通过CFD工具预先验证液冷系统的传热路径设计、液冷回路设计、液冷板设计、冷却液入口温度设定、冷却液流量设定以及液冷策略设计等参数是否合理。

(九) 测试验证

对于液冷系统来说，测试验证是至关重要的。液冷系统的功能、可靠和安全 等性能最终都需要通过实验进行验证。一般情况下，功能性测试在A样进行，可靠性测试和安全性测试在B样进行。

功能性测试

表列出了功能性测试的项目和参考值，需要说明的是，为了与液热系统和保温系统匹配，表中增加了加热性能测试和保温性能测试。

可靠性测试和安全性测试

表出了可靠性测试和安全性测试的项目及对应的测试参考。

七、加热系统设计

锂离子电池在温度较低的环境充电时，在电池负极Li 容易以金属锂的形式析出。这种反应是不可逆的，它不但消耗了电池内部的Li ，此外，析出来的锂以枝晶的形式生长在电池负极并不断生长，这种不断生长的枝晶存在着刺穿隔离膜致使电池短路的风险。

为了避免这种风险的出现，在低温环境需要对锂离子电池充电时，一般会采取两种方法：一种方法是降低充电电流；另一种方法是对锂离子电池加热。对于这两种方法，前者的效果有限且会在很大程度上增加充电的时间，后者则需要通过合理的设计以保证高效、可靠和快速地充电。

目前，常见的锂离子电池加热方式有三种：电加热膜加热、PTC加热和液热。

功能需求

加热系统的功能是快速地将电池系统中所有电池单体的温度加热到特定的温度，并保证加热过程中电池单体的温度一致性。因此，与之对应的两个功能需求参数则是电池单体的升温速率和电池单体间的温差。

对升温速率和加热均匀性的控制目标需要根据客户的需求和电芯本身的特性来定。一般要求电池单体的升温速率在0.15〜0.8 °C/min范围内，电池单体间的温差控制在10〜15 °C以内。

八、液热设计

1. 液热是建立在液冷系统之上的一种加热形式，通过在外循环冷却回路中并入 一个加热回路，并可以对电池系统进行加热。

2. 图是液热系统的原理图，当收到加热指令时，三通阀指向加热回路，工质被加热之后流经液冷系统并对电池系 统进行加热，当收到冷却指令时，三通阀指向换热器，工质被冷却之后流经液冷 系统并对电池系统进行冷却。这种加热形式在实现较高升温速率的同时，将干烧温度控制在一个较低的水平，且大部分零部件与液冷系统共用。

液热系统进行单独设计时需要确定的参数主要是液冷系统冷却液的入口温度 和冷却液流量。通常冷却液入口温度在40-60°C范围内，冷却液流量为10L/min。该电池系统对液热设计提出的功能性目标为电芯升温速率为0.3°C/min,电芯之间的温差为15°C,液热设计的冷却液入口 温度为40°C,冷却液流量为10L/min,仿真结果显示电池升温速率为0.42 °C/min, 电芯之间的温差为4.9°C。

九、保温系统设计

保温系统设计的目标是：在非工作状态下，电池原始温度40°C,长期暴露-15°C环境下，电池单体最低温度降到0°C的时间应大于等于6 h。

隔热设计则主要 对模组保温设计和箱体保温设计

动力电池热管理思维导图

十、动力电池仿真分析流程

1.电池包预处理-电池包箱体简化

2.电池包预处理-液冷板简化

3.电池包预处理-电池模组简化

4.电池包预处理-电池包组织和命名规则

5.电池包仿真-几何检查

6.电池包仿真-几何修复

7.电池包仿真-建立多种类型网格

8.电池包仿真-建立多种材料的物理模型

9.电池包仿真-设置边界条件和电芯生热

10.电池包仿真-在UG里面创建监测点坐标并导出

11.电池包仿真-宏命令批量创建监测点（Python编写）

12.电池包仿真-宏命令批量创建报告（Python编写）

13.电池包仿真-建立电芯温度和压降监测参数

14.电池包仿真-建立电芯和液冷板温度等多种可视化场景

15.电池包仿真-求解器参数控制

16.电池包仿真-计算调试

17.电池包仿真-结果处理和动画制作

18.常温行车1C放电分析

19.高温1C放电计算分析

20.快充计算分析

21.低温加热结果分析

22.电池包保温仿真分析

课程相关图片：