STAR CCM 案例｜电池包散热

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本文摘要（由AI生成）：

本文介绍了使用STAR-CCM进行电动车辆电池组冷却分析的工作流程。首先，电池组由位于液体冷却板上的两个模块组成，每个模块包含有串联成两个并行串的四个电池。然后，使用STAR-CCM中的等效电路模型来执行电热分析，该模型采用电阻电容电阻(RCR)模型，并使用混合脉冲功率特征(HPPC)测试数据来表征电池单元的内部行为。最后，通过阵列操作得到完整的几何模型，并设置流体区物理模型和电池区域。

本教程演示了利用STAR-CCM 进行电动车辆电池组冷却分析的工作流程。

1 问题描述

为了确保电池包在安全温度范围内工作，电池包热管理的设计至关重要，其目的是防止组件的任何部分过热或保证电池在过低温度条件下能够正常工作。如果电池包的尺寸不合适，温度会加速电池的老化，造成电池和电池包的不平衡，或者导致危险的情况。

案例使用最新的STAR-CCM 电池工作流，该工作流程不需要Simcenter BDS的任何输入文件。工作流允许用户在电池的电气行为与其热响应之间紧耦合的情况下执行电热模拟。STAR-CCM 为用户提供了一种用于研究冷却策略或冷却系统设计的性能的工具，以管理各种条件下的快速充电或驱动循环等情况。

本教程将模拟一个小型电池组，该电池组由位于液体冷却板上的两个模块组成。每个模块中包含有串联成两个并行串的四个电池，其几何模型如下图所示。

您可以使用STAR-CCM中的等效电路模型来执行电热分析。该模型采用电阻电容电阻(RCR)模型，并使用混合脉冲功率特征(HPPC)测试数据来表征电池单元的内部行为。为了捕捉扩散效应，该模型使用了两个RC单元。为了准确地模拟温度依赖关系，该模型有四个温度等级，从10°C到50°C。

电池组特性如下表所示：

参数	参数值
Pack	2个模组，每个模组8个电芯
Nominal cell voltage	3.5 V/电芯
Nominal pack voltage	28 V = 3.5 V/cell x 4 cells in series x 2 modules in series
Capacity per cell	50 Ah/cell
Module capacity	100 Ah = 50 Ah x 2 strings in parallel
Pack energy	2.8 kWh = 100 Ah x 28 V

2 STAR CCM 设置

系统将为您提供一个初始仿真文件，其中包含电池几何图形(内部装有冷却液的极板)、一个初始电池单元、一组初始极耳及母排，以及预定义的网格操作。

2.1 导入文件

启动STAR CCM
利用菜单File > Load导入初始仿真文件batteryPack_start.sim

查看几何模型，如下图所示。

后面采用阵列操作得到完整的几何。

2.2 常见固体区物理模型

右键选择模型树节点Continua > Physics 1，点击弹出菜单项New → Physics Continuum，创建新的物理节点Battery

右键选择模型树节点Battery，点击弹出菜单项Select Models… 打开模型选择对话框

选择以下物理模型

Three Dimensional
Implicit Unsteady
Multi-Component Solid
Multi-Part Solid
Battery
Segregated Solid Energy
Constant Density
Solution Interpolation

设置完毕后的模型如下图所示。

右键选择模型树节点Continua > Battery > Models > Multi-Part Solid，点击弹出菜单项Select Mixture Components… 打开材料选择对话框

从对话框中选择材料Ag (Silver), Al (Aluminum (pure))及Cu (Copper)

修改节点 Ag的名称为Cells，双击节点Cells > Material Properties

2.3 设置流体区物理模型

创建新的物理节点Coolant，并点击弹出菜单项Select Models… 打开模型选择对话框

从对话框中选择以下物理模型

Three Dimensional
Liquid
Segregated Flow
Constant Density
Implicit Unsteady
Turbulent
K-Epsilon Turbulence
Segregated Fluid Temperature
Solution Interpolation

选择完毕后的模型对话框如下图所示。

选中模型树节点Continua > Coolant > Models > Liquid > H2O，按下表所示定义介质参数

2.4 定义冷却区域

右键选择模型树节点Geometry > Parts > Coolant，点击弹出菜单项Assign Parts to Regions

选中节点Regions > Collant，设置参数Physics Continuum为前面创建的物理节点Coolant

选中节点Boundaries > Coolant.Inlet，指定边界类型为Mass Flow Inlet

选中节点Coolant.Inlet > Physics Values > Mass Flow Rate，指定质量流量为0.15 kg/s

指定边界Coolant.outlet的边界类型为Pressure Outlet，采用默认参数

2.5 阵列几何

右键选择模型树节点Operations，点击弹出菜单项Execute All执行操作

注：这里的几何操作已经提前设置好了，进行几何的阵列操作。
”

生成的几何模型如下图所示。

2.6 定义电池区域

右键选择模型树节点Regions，点击弹出菜单项New → Region创建新区域并命名为Pack

选择节点Pack，如下图所示选择属性窗框中Parts右侧的筛选按钮

如下图所示设置筛选条件为Name does not contain coolant，这样筛选出32个结果

添加筛选出的结果到Parts中，如下图所示

选中节点Pack > Physics Values > Material Part Groups > Al，设置Parts为Plate

选中节点Cells，点击Parts右侧的筛选选择按钮，如下图所示

如下图所示筛选名称中带有cell的部件，并将其添加至选择的Part中

选中节点Cu，点击Parts右侧的筛选选择按钮，如下图所示

如下图设置筛选条件为名称中带有tab或busbar的部件

添加完毕后如下图所示

2.7 创建网格

1、创建薄层网格

右键选择模型树节点Geometry > Operations ，点击弹出菜单项 New > Mesh > Automated Mesh添加网格生成器

弹出的对话框中选择部件busbar1, busbar In, busbar Out, tab1, 及tab2
选择网格生成器Surface Remesher、Polyhedral Mesher及Thin Mesher，现在完毕后如下图所示

修改新创建的节点Automated Mesh名称为Automated Mesh - Thin Parts

如下图所示选中节点Surface Remesher，取消选项Perform Proximity Refinement

如下表所示设置Default Controls

2、创建电芯的体网格

右键选择模型树节点Geometry > Operations，点击弹出菜单项New > Mesh > Automated Mesh，打开网格生成参数设置对话框
在弹出的对话框的Parts列表中中选择Cell，选择网格生成方法Surface Remesher、Polyhedral Mesher

image-20211110100815275

修改网格生成节点的名称为Automated Mesh - Cell
指定Base Size为4 mm

选中节点Custom Controls，点击弹出菜单项New > Surface Control新建面控制

如下表所示设置面控制参数

3、创建冷却板及流体区网格

右键选择模型树节点Geometry > Operations，点击弹出菜单项New > Mesh > Automated Mesh，打开网格生成参数设置对话框
在弹出的对话框的Parts列表中中选择Coolant及Plate，选择网格生成方法Surface Remesher、Polyhedral Mesher及Prism Layer Mesher