基于STAR-CCM+电池热管理CFD分析关键点
本文摘要（由AI生成）：
本文介绍了使用STRACCM+进行电池包热管理仿真的方法和步骤，包括网格设计、工况仿真分析和热管理控制策略实现。网格设计对仿真结果准确性至关重要，需要根据几何模型选取合适的网格类型、尺寸和加密方式。工况仿真分析则包括纯流动计算、电芯生热计算和流热耦合计算，需要考虑不同工况下的电池热管理指标。热管理控制策略实现需要与整车能量管理相匹配，设定不同工况下的控制策略以满足电池温度要求、温度均匀性和冷却液进出口条件等。文章最后展示了在STRACCM+中设定热管理控制策略的简单例子，并说明了实车热管理策略实现的过程。
对于电动汽车而言，如何精确控制电池温度是电池热管理系统设计的重要指标。过高或者过低的温度均会对电池产生不良影响：过高的电池温度会缩短电池寿命，过低的电池温度会降低电池活性，电池无法快速充放电。
电池温度是否合理
电芯温差是否合理
1、建模方法；
2、表面修复；
3、网格设计；
4、工况仿真分析；
一、建模方法
对自然冷却电池包，需考虑空气传热影响，保留箱体、电池模组结构等；
对水冷电池包，可忽略空气影响（根据项目周期、开发阶段、计算资源等综合考虑），仅保留冷却系统和电池模组结构；
去掉螺栓、连接件、线束等对传热影响较小的零部件；
对圆角、螺栓孔等细节特征进行简化处理；
对于完全对称模型可考虑对称建模。
去掉固定连接组件、底部泡棉支撑等对传热影响较小部件； 抽取内部流道，保留冷却板或口琴管厚度和管路内径，对管道变径、局部弯头等细节特征尽可能保留，忽略进出水口管、集流管管壁厚度； 去掉水冷板内部对体网格质量影响较大的尖角、圆弧面等细节特征。
二、表面修复
划分网格之前，需对几何表面进行检查（surface repair），不少工程师都会遇到或多或少的模型表面错误（穿刺、自由边、压缩边等），一些工程师可能和我一样曾经会困惑如何处理？若表面修复后发现穿刺、自由边等问题成千上百甚至更多，这时候应回到CAD软件里检查整个模型，是否存在干涉和其他等问题；若表面修复问题比较少，则通过表面修复的主界面操作命令进行修复。
三、网格设计
仿真结果是否准确很大程度上取决于网格设计、网格质量。在划分网格前，需对几何模型进行评估，选取网格类型、网格尺寸、关键区域加密等。
STRACCM+高效的重要原因就是前处理与后处理高度集成，在软件里完成网格设置和网格划分，当然也可以在前处理软件（hypermesh、ansa）里进行面网格划分，然后导入STARCCM+进行体网格划分。
个人推荐在STARCCM+进行几何模型网格划分，提高仿真工作效率。网格设置可基于Parts的网格划分，可基于Region的网格划分；网格类型可分为多面体、四面体、切割体、棱柱层、薄壁（thin）网格等，不同的网格类型的特征和适用范围不同。
四面体网格易浪费，收敛慢；多面体网格比四面体网格计算精确，收敛快，在不同区域的交界面上形成正交的网格，适用于传热、旋流、复杂流动等；切割体网格比多面体网格需求的内存少，不同区域的交界面上不能形成共形网格，适用于电子散热、外部流动；thin网格用于体积较薄的区域（例如导热垫、隔热垫、钣金件等等），通常和多面体网格组合使用。此外，考虑传热计算精确度，网格划分时需要考虑交界面处网格共形与非共形。
四、工况仿真分析
Starccm+进行电池包热管理仿真分析分为纯流动计算（稳态计算）、电芯生热计算和流热耦合计算。
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。流场分析结果取决于流道抽取模型处理的准确度。
热仿真分析依据整车性能工况输入，分为放电工况分析（行车工况、爬坡工况、NEDC工况等等）和充电工况分析（高温快充、常温快充、低温快充、低温慢充）。例如分析高温高速工况（极限工况），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。
仿真结果是否准确取决于工程师是否理解所分析工况、电芯发热量计算、模型建立、网格划分、边界条件等因素。根据设计目标，对应如下评价指标对仿真计算结果进行评价，评估热管理系统设计可行性，并指导热管理系统方案设计和优化。
五、热管理控制策略实现
电池热管理控制策略需要与整车能量管理相匹配，涉及到能量的分配、使用场景以及使用优化平衡问题。对于电池热管理工程师来说，所关心的关键问题，在于如何满足电池温度要求、温度均匀性、平衡压降与温差和冷却液进出口条件设定。热管理系统设计的成功不仅仅取决于液冷系统设计，同时也取决于不同工况下设定不同的控制策略。
假设分析工况：高温行车工况下，环境温度为42℃；电池Tmax≥38℃，开启液冷回路，电池Tmax≤32℃，关闭液冷回路，电池生热功率随整车工况变化；冷却液温度为20℃，进口流速为10min/L。
下面给大家简单演示一下，为了节约计算时间，下图描述的控制策略为电池Tmax≥39.5℃，开启液冷回路，电池Tmax≤38.5℃，关闭液冷回路。
图1为电池温度变化动态云图，从动态图看出温度先下降后上升的过程，最高温度为39.9，此时液冷回路开启。
图1 电池温度变化动态云图
从图2、图3可以看出，一开始Tmax≥39.5℃，进口速度为1m/s，随着冷却回路开启，电池温度降低；当电池Tmax≤38.5℃时，此时冷却回路关闭，随之而来电池温度上升，当再次电池Tmax≥39.5℃时，冷却回路开启，实现温度回差控制。上述简单的例子说明通过starccm+实现热管理策略控制，实际行车过程中，工况更为复杂，需要根据电池系统温度变化制定相应的控制策略，不断地开启或关闭水泵。
图2 电芯最高温度与进口速度动态变化曲线
图3 液冷系统进口速度变化曲线
上面举例简单说明了在STRACCM+软件里设定热管理控制策略，热管理仿真分析需根据不同工况来设定热管理策略。实车热管理策略实现过程，BMS接受唤醒信号，无故障后进入工作模式，判断最高温度或最低温度是否达到加热或冷却条件，向VCU发出请求，然后开启或者关闭控制元件。
