动力电池制冷剂直冷设计与仿真是一个复杂而关键的过程，研发工程师需要综合考虑多个因素。通过精确设计和仿真分析，可以确保直冷系统满足动力电池的冷却需求，提高电池的性能和安全性。同时，随着技术的不断进步和经验的积累，直冷技术将在动力电池领域发挥越来越重要的作用。

《新能源行业仿真工程师技术进阶31讲：STAR-CCM 动力电池制冷剂直冷设计与仿真》是笔者原厂首发仿真秀的视频课程，为订阅用户提供知识圈答疑和VIP群交流群服务，后续可以根据用户需求酌情加餐。

一、直冷仿真方法课程安排

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第1节动力电池直冷仿真介绍

第2节直冷系统介绍

第3节直冷仿真方法

第4节直冷仿真方法验证-文献实验数据的获取技巧

第5节直冷仿真验证-文献案例复现

第6节直冷仿真验证-结果分析

第7节直冷仿真方法验证-网格的影响

第8节直冷仿真方法验证-湍流模型的影响

第9节直冷仿真方法验证-多相流模型的影响VOF方法的准确度评价

第10节冲压直冷板设计-流路设计

第11节冲压直冷板设计-流体域建模

第12节冲压直冷板设计-固体域建模

第13节电池包直冷仿真-几何模型处理

第14节电池包直冷仿真-几何检查与修复

第15节电池包直冷仿真-网格建立方法

第16节电池包直冷仿真-物理模型建立方法

第17节电池包直冷仿真-R134a初始物性设置方法

第18节电池包直冷仿真-边界条件设置

第19节电池包直冷仿真-求解器设置

第20节电池包直冷仿真-设置电池包和液冷板场景

第21节电池包直冷仿真-创建电芯温度监测报告

第22节电池包直冷仿真-计算调试-计算产生负体积解决办法

第23节电池包直冷仿真-计算调试-多重网格警告解决办法

第24节电池包直冷仿真-计算调试-发散解决方法

第25节电池包直冷仿真-计算调试-松弛因子调试

第26节电池包直冷仿真-计算调试-更改R134A物性随压力温度变化

第27节电池包直冷仿真-计算调试-进口干度设置

第28节电池包直冷仿真-稳态计算方法

第29节电池包直冷仿真-高温行车仿真

第30节电池包直冷仿真-高温快充仿真

第31节电池包直冷仿真-直冷仿真总结

二、制冷剂直接冷却

•制冷剂利用相变（液态到气态）传热直接吸收电池产生的热量。

•制冷剂直接冷却技术的冷却板通常与空调系统的内部蒸发器并联，并通过前置节流阀( 如电子膨胀阀) 调节制冷剂流量和控制冷却温度。

•直冷系统通常由电池直冷板、压缩机、冷凝器、蒸发器和膨胀阀组成。

•电池直冷系统与空调系统共用一个制冷循环，不仅简化了结构，还提高了冷却效率。

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原理图.jpg

•制冷剂直接冷却系统具有散热效率高和结构简单的优点，还能保持良好的温度控制和均温性。

•与液冷系统相比，制冷剂的导电性较低，从而避免了电池短路导致冷却液泄漏的危险。

•在电动汽车发生碰撞的情况下，即使电池严重损坏，制冷剂泄漏也不会引起电池燃烧的风险。

•电池直冷板在系统中起蒸发器和冷凝器的作用，其内部流阻均匀性、分配器设计等因素都会影响电池的温度均匀性，应该优化直冷板结构从而提升直冷系统的综合性能。

•直冷系统具有较高的传热能力，且相对容易集成到现有的车辆空调系统中，其冷却温度能够低于环境温度，但存在成本高且难以实现电池加热等问题。

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三、直冷与加热

1、先进的电池热管理技术

全球首创的脉冲自加热技术。通过电池高频充放电，给电池加热，不仅能热，还热得均匀，脉冲自加热效率比液加热提升10%。
领先的制冷剂直冷技术。采用制冷剂直冷技术，将制冷剂通入电池包进行冷却，相比液冷减少了一级能量交换，换热效率比液冷提升了20%。

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2、多相流仿真方法

欧拉多相流指定不同的相，其中流场被视为穿过计算网格上固定体积的连续场。对于计算网格的每个网格单元，将求解质量和其他变量的传输方程。

离散多相流 (DMP)
欧拉多相流 (EMP)
液膜
混合多相流 (MMP)
两相热力学平衡
流体体积 (VOF)

多相流1.jpg

流体体积 (VOF) 多相模型是一种简单的多相模型，适用于模拟数值网格（能够求解混合物的相之间的交界面）上的多个不混溶流体流。
VOF 多相模型用于求解涉及不混溶流体混合物、自由表面和相接触时间的问题。在此类情况下，不需要额外对相间相互作用进行建模，并且所有相共享速度、压力和温度场的模型假设将成为离散化误差。
对于使用 VOF 模型的两相流体，图提供了不合适网格（左侧）和合适网格（右侧）的图解。

3、两相热力学平衡

STAR-CCM 通过该模型将质量、动量和能量作为混合物量而非相量进行求解，通过假设悬浮液是均匀的单相系统来减少计算量。
两相热力学平衡模型旨在对涉及同一物质的两相（通常为水和蒸汽）的应用建模。可以使用静焓分布和热力学平衡的假设来计算相的分布。

三、沸腾仿真方法

沸腾是液体的快速汽化，当液体加热到沸点（液体的饱和温度）时，通常发生沸腾。其饱和蒸气压会变为等于或大于周围液体的压力。
壁面沸腾
液体与温度始终高于液体饱和温度的壁面接触时，沸腾最终发生在该液体-固体交界面处。在这种情况下，在三个特征阶段发生沸腾：
泡核沸腾涉及汽泡（源自表面上的离散点）在受热面上的生成和增长。表面温度只是略高于液体的饱和温度。通常，成核点数会随着表面温度的增加而增加。增加表面粗糙度可能会生成更多成核点，而非常平滑的表面可能会导致过热。
当超过临界热通量且连续蒸汽膜覆盖受热面时，会发生液膜沸腾。蒸汽层的导热率较低，因此蒸汽层通常与表面“隔离”。
在介于泡核沸腾中可达到的最大温度和液膜沸腾中可达到的最小温度之间的表面温度下，会发生过渡沸腾。它是一种包含两种元素的不稳定的中间沸腾形式。

沸腾模型

STAR-CCM 中有两个不同的选项可用于沸腾建模，即：Rohsenow 沸腾、液膜沸腾和过渡沸腾。

Rohsenow 沸腾：使用 Rohsenow 泡核沸腾模型，该模型适用于在相对较低的固体温度下沸腾。液膜沸腾模型还集成至 STAR-CCM 中的 Rohsenow 模型，方便其与高固体温度下的沸腾结合使用。
液膜沸腾：在足够高的壁面温度下，会在加热壁面上创建蒸汽层。因此，液体不再与加热壁面接触。汽液交界面（而不是加热壁面）处会发生蒸发。在液体和加热壁面之间创建的蒸汽膜充当绝缘体，会大幅减慢热传递过程。此过程称为液膜沸腾。
过渡沸腾模型提供泡核和过渡沸腾表达式。

四、多相流相变计算方法验证

对比文献《工质在微小圆管内流动沸腾换热的研究》

多相流5.jpg

仿真结果表明：

多相流相变温度计算误差为0.5℃，计算方法可用于动力电池直冷仿真
研究了网格、湍流模型、多相流模型的影响。

多相流6.jpg

五、直冷板设计

冲压直冷板设计要点
冲压直冷板流路路线设计
冲压直冷板流体域建模
冲压直冷板固体域建模

流路.JPG 直冷板1.JPG 直冷板2.JPG

六、动力电池直冷仿真

R134a制冷剂物性参数
饱和温度随压力变化
物性随压力温度变化
潜热计算

压焓图.png

七、动力电池直冷仿真

几何检查与修复
网格建立方法
物理模型设置方法
负体积解决办法
发散解决办法
要获得收敛结果的技术路径

Pack_results_massflow_Geometry Scene 1.png

稳态结果：随制冷剂的流动压力降低，饱和温度降低

Pack_results_massflow_Temperature Cell.png Pack_results_massflow_Pressure Cooling Board Fluid.png

高温行车结果

Pack_hot day discharge_Point Temperature Plot.png Pack_hot day charge_Temperature Cell-2.png

高温快充结果

Pack_hot day charge_Point Temperature Plot.png Pack_hot day charge_Temperature Cell.png

八、直冷仿真总结

直冷仿真方法
仿真方法验证
模型处理要点
网格划分要点
物理方程建立要点
计算调试要点
R134a仿真要点
各工况仿真流程

流体基础