我的新能源动力电池PACK热管理仿真案例(附视频直播)
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导读:本文为新能源电池热管理仿真案例介绍,笔者根据项目经验从电池热管理开发流程、分析工况、电池产热计算、热管理CFD分析五个方面进行阐述,列出部分典型分析工况(静态和动态),介绍电池产热计算说明和方法,CFD分析中展示了流场分析、快充和高速行车两种工况仿真结果。最后,如何能够掌握电池热管理设计及其仿真分析的能力,笔者根据自身经验给出几点建议,希望能够帮助到从事相关科研和工作的朋友们。一、 电池热管理开发流程
电池热管理开发贯穿于电池包系统设计开发全周期,包含电池温度控制、冷板、管路系统等设计,而电池热管理仿真作为整个热管理开发中最为有效的方法,对产品设计、方案评估和优化设计起到决定性作用,有效缩短开发周期,降低开发成本。不管是来自整车厂、电池PACK厂还是供应商的工程师,需要了解各子零部件开发与电池包、整车开发流程的关系,根据整车一级开发计划不断细化到各子零部件开发计划。电池热管理系统的开发流程应与电池包开发流程保持一致。热管理系统的设计贯穿于整个电池包的设计过程中,在整车开发经过A样件、B样件、C样件以及产品4个阶段,电池热管理参与每个阶段的设计、更改、试制以及验证。电池热管理系统设计的主要目标是:在考虑空间布置、设计成本、轻量化等条件下,通过加热或冷却控制,保证电池系统工作在相对适宜的工作温度,同时减小单体间温度,保证一致性。设计性能良好的电池组热管理系统,要采用系统化的设计方法。电池组热管理系统设计的过程包括如下步骤:
电池热管理系统设计流程进一步细化,分别具体到每一项工作任务,细化工作如下:(1)确定热管理系统的目标及要求:分解整车目标,细化热管理系统流阻、温差、冷却性能及加热等要求;(2)测量或评估模块生热及热容量:电芯循环测试;电芯生热功率测试;电池等效电路模型搭建;锂离子电池充放电过程是电化学反应,所以它的发热实际上是非常复杂的过程,通过恒定值或I^2R来评估电池生热功率是不精确的。准确情况下采用Bernadi公式计算:其中I为电流值,U为电池端电压,E为开路电压;dE/dT为熵值系数。这个公式计算发热非常准确,而无论是单电芯还是整车工况下,都可以用它来计算发热功率的;实际过程中通过试验和等效电路仿真需要进行标定计算。(3)热管理系统首轮评估:选定传热介质;设计散热结构等;通过热计算来初步估算各液冷回路流量分配,估算液冷板有效换热面积来设计散热结构。(4)预测模组及电池总热行为:模组不同工况温度测试;不同工况下电池发热功率;不同工况下电池热管理CFD分析;
(5)细化热管理系统:热管理控制策略制定;冷板及流道结构设计;水冷板CFD分析;整车工况下电池包CFD分析;流场分析:在电池冷却系统设计过程中,对冷却系统进行流场分析,得到在不同流量下冷却系统的流阻特性、流量分配等信息,用以初步评估冷却系统冷却均匀性,并为水泵选型和匹配作参考。
放电工况分析:放电工况目前分析极端工况即高温高速工况一项,即对电池在高温状态下工作进行仿真模拟,评估冷却系统性能,以及电池最高温、温差等指标。充电工况分析:充电工况包括高温快充、常温快充、低温快充、低温慢充等,主要用于评估在不同温环境条件下,电池的充电特性以及温度、温差等热管理指标。(6)热管理系统试验验证-DV测试:水冷系统台架试验;整包热管理台架试验;整车热管理试验;(7)热管理系统优化:散热结构设计优化;热管理控制策略优化;(8)热管理系统产品试制:PV样件试制(不同开发阶段);
(9)热管理系统试验验证-PV测试:整包热管理台架试验;整车热管理测试;
二、分析工况
对电动汽车而言,驾驶习惯、实时路况、环境气候等是形成各个工况的因素,电池的工作状态是由汽车工况所决定的,准确地理解整车工况以及自身工作特性有助于进行电池CFD分析,而电池CFD分析有助于准确评估电池包在各个工作状态下是否满足温度、温差特性,对应地制定热管理控制策略。三、产热计算
电芯性能研究是电池系统设计开发中非常关键的部分。电芯产热计算是电池热管理设计非常重要的环节,整个过程涉及很多方面的工作,比如电芯性能、测试、模型标定,数据分析、仿真等,电芯产热评估直接决定是否能够有效地预测各工况下电池热行为。四、热管理CFD分析
在电动汽车电池热管理方案开发过程中,对热管理方案进行CFD仿真分析,用于评估电池热管理方案可行性,并指导热管理系统方案设计和优化,同时可对热管理热略标定和优化提供参考。下面将对建模方法(基于STARCCM )和分析内容进行论述。五、总结
如何能够掌握电池热管理设计及其仿真分析的能力,谈谈个人几点建议:1、软件篇:精通一款CFD仿真软件(目前汽车行业以STARCCM 和Fluent为主),能够正确地运用软件实现电池热管理仿真分析,软件操作方面能够有效保障仿真分析精确,评估并优化热管理系统设计。2、专业篇:了解新能源领域有关知识,比如电池包结构设计、BMS、测试、整车系统等,掌握电池热管理相关知识,比如电芯产热计算、液冷系统设计、工况分析等,有效的预测各工况下电池包的工作特性和热行为,为电池包系统设计提供有力保障。福利:点击附件下载一份《奔驰整车热管理模拟案例分析》PDF 文件。如下图。六、公开课-【动力电池案例】基于STAR-CCM 网格划分
划分网格是建立有限元模型中最为关键的环节,同时也是相对比较耗时和复杂的步骤。若网格处理的不正确将影响计算精度,质量太差的网格设置会直接造成计算发散或残差过大等问题,因此掌握如何准确地划分网格尤为重要。什么是有效的网格?总体来说,有效的网格是允许模拟初始化,同时完成模型求解计算,这就是有效的网格,但能够说明一定是高质量的网格吗?网格的类型、数量、疏密程度等都会影响网格质量,笔者曾对同一模型进行数十次的网格优化尝试得出相对最优的网格,本次直播笔者将根据多年经验总结,将从网格类型、设计及优化等方面讲解网格划分方法和技巧,希望大家能从中得到启发,解决实际问题。2020年11月05日晚8点,笔者应仿真秀邀约,将在仿真秀平台为大家带来《【动力电池案例】如何通过STAR-CCM 进行网格划分?》直播公开课。
感兴趣的学员,可添加下方小助手微 信,进入笔者微 信群。
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