电池热管理仿真（三）：三维仿真边界条件和算法
本文摘要（由AI生成）：
文章主要介绍了电池包三维热仿真的边界条件和算法选择。边界条件包括进出口水温与流速、电池包功率需求和周围环境。算法方面，介绍了稳态和瞬态算法，其中稳态算法用于标定电池包的热容热阻，瞬态算法采用离散算法，先将流场算稳定，然后关闭流场的动能方程与湍流方程，只加载能量方程，并施加电池发热量进行瞬态工况计算。
前面两篇文章讲解了前处理的要点以及如何将电池包模型网格化，今天的文章主要是来讲讲如何根据整车工况对电池包三维热仿真施加边界条件及初始条件，以及简单介绍下电池包热管理算法的选择。
一. 边界条件
现如今的新能源车，EV或者是PHEV，大部分将电池包固定在车身底部，与整车的接口主要是高压线束接口与水冷系统的进出口（若是液冷），另外与包外空气域直接或间接接触，并且还会或多或少的受到热辐射的影响，所以电池的三个主要边界条件：
（1）进出口水温与流速；
（2）电池包功率需求；
（3）周围环境的影响。
图1： 电池包车身位置
液冷电池包的冷源可以说是来自压缩机，通过Chiller进行冷媒与冷却液的热交换，将热量带走，一般进口水温可以低到15℃~25℃，而流速是水泵的作用，一般系统设计目标最高在12L/min~16L/min这个区间。
图2：典型液冷电池热管理架构
（2）：功率需求
工程中，衡量一个设计方案的好坏，肯定是在一定的工况下评估的。工况的选取很有讲究，选择过于严苛的工况，容易过设计，相反，会达不到整车的性能要求。电池热管理工况一般选择快充，急加急减，最高车速或爬坡等一系列极限工况来综合评估电池包冷却效果。而工况一般是车速map，工程师需要将车速转换成电池包功率需求，再计算成电池的发热量。笔者认为这是仿真计算仿真中的一大难点，因为电池本身的发热量或者说电池内阻会随SOC、温度、电流大小和电池SOH状态等变化而变化，要在三维仿真中将这些因素一起考虑会带来很大的计算量, 所以一般只能做近似计算。
最近几年，各大CFD软件厂商都推出了相应的电池模块，如FluentMSMD模块、Star-ccm+ BDS模块，常见的模型有电化学模型和等效电路模型等，主要是将SOC，温度和电流等因素做耦合计算。笔者前几年曾用热电模型在Fluent中实践过一次，这一部分放在下篇文章中分享。至于环境温度，既然是考察冷却系统极限冷却能力，就会选择最恶劣的工况，一般定在38~45℃。若考虑冬季加热工况，起始温度会在-20~-30℃。
（3）：周围环境
周围环境主要是指电池包内外空气域及周边件的影响，一般锂电池都放置在车身底部，若不做特殊的隔绝处理的话，电池包直接与车身底部空气接触，该部分的对流换热系数就跟车速成正比，可以到100W/(m^2·℃)左右，而包内空气域可以算是一个密闭空气域，等效来看，换热系数在20W/(m^2·℃)以下。还有一个就是热辐射，主要指车身底部地面对电池的影响，不过它的换热量级跟空气对流换热量级相当，若在三维仿真中耦合流场与热辐射模型，会使计算复杂化，并且实际中也比较难于验证，笔者一般将热辐射等效计算成自然对流系数。但是，电池包很可能会受到整车热害的影响，特别是PHEV的前舱和排气管等高温热辐射对电池包本体及附件的影响，这个是需要整车布置去消除的。所以从系统角度来看，液冷电池包的热量变化由水冷系统与自然对流共同影响，这两部分谁强谁弱，都会随着工况不同而变化，比如快充工况，流体部分换热可以占到整体换热的90%以上，而日常的长时间工况，水冷系统不是一直开启，所以外部空气的热交换比例就会明显上升。采用三维仿真对液冷系统进行评估，主要研究对象是水冷板的换热能力与整套系统的流动阻力，所以需要对其他换热影响因素尽可能的简化或者等效处理。
图4：某电池包1C快充自然对流换热量占比（＜5%）
二. 算法
（1）：稳态
在传热学上稳态是指传热系统中各点的温度仅随位置而变化，不随时间而改变。但是电池的发热特性决定了其很难达到传热学上的绝对稳态，而一些特定的工况，比如极小倍率放电（1/3C以下）或者定倍率脉冲充放电可以使电池温度达到相对的稳态（温度变化在±0.5℃以下）。这样算法下，可以将电池发热量设成定值，而介质的物理属性可以设置成多项式。一般稳态工况用于标定电池包的热容热阻。
（2：）瞬态
与稳态相对的就是非稳态（瞬态），传热学上的非稳态是指物体温度随时间变化的传热过程，电池的加热冷却工况就是非周期非稳态的传热过程。若三维瞬态工况计算中再考虑温度对流体粘度，密度，比热容和导热系数，这需要将时间子步长拉的很长，会带来非常大的计算量，是一种不太可取的计算方法。所以比较普遍的是采用“离散”算法，先将流场算稳定，然后关闭流场的动能方程与湍流方程，只加载能量方程，并施加电池发热量进行瞬态工况计算。采用这样的算法是根据三维热仿真与电池发热工况的特征来制定的，忽略了温度对换热介质属性的影响，是一种可取的近似算法。
图6：Star-ccm+稳态变瞬态的设置
文章来源：韩工的酱油台
