电池热管理仿真流程及前处理技术

众所周知，新能源汽车锂离子电池的最佳工作温度只在一个狭小的范围，不仅其本身在工作时会产生热量，而且还会受周围环境温度的影响，故需要高效的热管理系统将电池维持在一定范围内。而仿真分析应用于系统开发可以缩短开发周期和降低开发成本等。仿真一般分为零件级别的三维性能仿真和系统级别的匹配与策略仿真。今天开始首先来讲讲三维CFD仿真。

• 仿真流程

电池热管理仿真流程与其他CFD或CHT仿真流程类似，主要基于产品数模对其进行必要的简化（前处理），再对数模进行离散处理（划分网格），然后对系统施加一定的边界条件和选取适合的计算模型后，交由仿真软件进行计算，最后对计算结果进行相应的处理，提取相关数据用于编写分析报告（后处理）。流程归纳如下图：

电池热管理仿真问题，其实就是电子元器件散热问题，只是这个电子元器件有几个特殊性：数量众多，结构复杂，发热量还不均匀（随时间变化）等，所以如何去平衡计算量（网格量）和计算时间，对于仿真工程师来说是个挑战。比如下图电池包，一共有36个模组，分上下两层摆放，水冷系统采用“三明治”结构，下方水冷管还是口琴管结构，整个液冷系统较复杂，而且模组较多，对仿真前处理画网格带来很大的难度。

Audi e_tron电池包

好在市面上的商业CFD软件都比较成熟，操作越来越便利性的同时，计算效率也大大提高，也算是为解决工程问题带来了福音。常见的CFD软件都能对电池进行热仿真，比如：Star-ccm+，Fluent，Icepack, FloEFD，FloTHERM和TAItherm等等。虽然这些软件仿真流程都相似，但也有各自的特点，有的所有流程都在一个界面下搞定，比如CD-adapco的Star-ccm+（现已被西门子收购），也有几个软件相互配合，发挥各自优势的，比如ANSYS Fluent。

ANSYS Fluent仿真流程

• 前处理

  
  

众所周知，求解三维CFD问题，关键是画出一套高质量数量适中的网格，网格好坏对求解结果影响最大，而前处理对网格划分起决定性作用。而笔者认为，液冷电池包前处理的难点在于电池模组的处理：

1. 模组结构复杂，每个模组包括电芯，导热垫，绝缘膜，极耳和busbar等；

2. 数量众多，一个电池包少则几十个电芯，多则上千个，比如特斯拉的圆柱电芯，整个电池包好几千个电芯；

3. 网格尺寸不好控制，电芯的极耳和busbar等厚度尺寸较小，控制网格数量上带来很大的挑战。

而流体域部分的处理（指水冷板和流道），由于现今制造工艺日趋成熟，流道大多比较规整，而且并联或者对称结构较多，所以流体域处理相对来说简单些。笔者曾经秉着对网格的高质量要求，使用Hypermesh花一个多星期手动拉伸出一套全六面体的软包电芯网格，而只用了两天前处理完液冷板并画出完整网格，所以可以感受下电池包建模的难易。

模组前处理根据冷却方式和计算方法的不同稍有点差别，下面分别列举方形和软包电芯模组的前处理案例来分析：

下图是常见的方形模组，采用底部铺设液冷板的冷却方式，主要研究对象是液冷板的冷却换热效果。根据热量生成与传递路径，保留了busbar和电芯极耳，电芯之间的泡棉，电芯周围的绝缘膜和底部导热材料。

再举个大众风冷电池包的例子，每个模组由N片软包电芯组成，每个电芯外部还有比较薄的散热片包裹，由于是风冷，跟空气接触到的地方都需要保留，所以模组端板，电芯端盖，散热片，busbar和总正总负等都保留并做了一定的简化。

上面两个例子有个共同点是都保留了电芯的极耳和busbar，busbar的温度在冷却的时候能很好的反应模组的最高温度，不论是研究busbar对模组最高温度的影响【1】还是后期一维仿真的标定，都需要这个点的温度，所以busbar在前处理建模的时候推荐保留。

 再来看看流体域部分,液冷电池包主要通过冷却液进行热交换，所以此处流体域部门是指水冷板内的水流道（包内空气处理方法将在以后章节讲解），前处理需要注意的是尽可能保留内部流道特征，特别是变径，弯头等一些局部阻力较大的区域，而尽量简化管路外部特征，比如快插接头，温度传感器等一些不直接参与换热的元件，这样能减少些网格量。

虽然现在EV的电池包电量越来越多，电池包也越做越大，但多数采用模块化设计，包内的热管理系统也是如此，如下图冷却架构，8块水冷板采用4P2S的方式连接在一起，而这8块水冷板内部流道是相同的设计，所以前处理相对来说简单。方案设计前期更是可以只做流体域CFD仿真计算单板流量，后期可以以分支为单位优化水板流道设计，大大提高计算效率。

总体来说，前处理还是模组的难度大一点，需要保留哪些简化哪些部件斟酌的点多一些。但也不是绝对，关键是看研究问题的关注点在哪，需要保留哪些和简化哪些都可以灵活处理。

参考文献：

1. Influence of terminal tabs/busbar ohmic heat on maximum cell temperature of a Li-ion battery system for PHEV applications, AVL, 2012, Kim Yeow.

部分图片来自网络，侵删。下期预告：前处理推荐软件介绍及网格划分。