新能源動(dòng)力電池PACK熱管理仿真案例

導(dǎo)讀：本文為新能源電池?zé)峁芾?a target="_blank">仿真案例介紹，筆者根據(jù)項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)從電池?zé)峁芾黹_(kāi)發(fā)流程、分析工況、電池產(chǎn)熱計(jì)算、熱管理CFD分析五個(gè)方面進(jìn)行闡述，列出部分典型分析工況（靜態(tài)和動(dòng)態(tài)），介紹電池產(chǎn)熱計(jì)算說(shuō)明和方法，CFD分析中展示了流場(chǎng)分析、快充和高速行車(chē)兩種工況仿真結(jié)果。 最后，如何能夠掌握電池?zé)峁芾碓O(shè)計(jì)及其仿真分析的能力，筆者根據(jù)自身經(jīng)驗(yàn)給出幾點(diǎn)建議，希望能夠幫助到從事相關(guān)科研和工作的朋友們。

一、 電池?zé)峁芾黹_(kāi)發(fā)流程電池?zé)峁芾黹_(kāi)發(fā)貫穿于電池包系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)全周期，包含電池溫度控制、冷板、管路系統(tǒng)等設(shè)計(jì)，而電池?zé)峁芾矸抡孀鳛檎麄€(gè)熱管理開(kāi)發(fā)中最為有效的方法，對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、方案評(píng)估和優(yōu)化設(shè)計(jì)起到?jīng)Q定性作用，有效縮短開(kāi)發(fā)周期，降低開(kāi)發(fā)成本。

不管是來(lái)自整車(chē)廠、電池PACK廠還是供應(yīng)商的工程師，需要了解各子零部件開(kāi)發(fā)與電池包、整車(chē)開(kāi)發(fā)流程的關(guān)系，根據(jù)整車(chē)一級(jí)開(kāi)發(fā)計(jì)劃不斷細(xì)化到各子零部件開(kāi)發(fā)計(jì)劃。電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的開(kāi)發(fā)流程應(yīng)與電池包開(kāi)發(fā)流程保持一致。熱管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)貫穿于整個(gè)電池包的設(shè)計(jì)過(guò)程中，在整車(chē)開(kāi)發(fā)經(jīng)過(guò)A樣件、B樣件、C樣件以及產(chǎn)品4個(gè)階段，電池?zé)峁芾韰⑴c每個(gè)階段的設(shè)計(jì)、更改、試制以及驗(yàn)證。

電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是：在考慮空間布置、設(shè)計(jì)成本、輕量化等條件下，通過(guò)加熱或冷卻控制，保證電池系統(tǒng)工作在相對(duì)適宜的工作溫度，同時(shí)減小單體間溫度，保證一致性。

設(shè)計(jì)性能良好的電池組熱管理系統(tǒng)，要采用系統(tǒng)化的設(shè)計(jì)方法。電池組熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)程包括如下步驟：

電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計(jì)流程進(jìn)一步細(xì)化，分別具體到每一項(xiàng)工作任務(wù)，細(xì)化工作如下：

（1）確定熱管理系統(tǒng)的目標(biāo)及要求：分解整車(chē)目標(biāo)，細(xì)化熱管理系統(tǒng)流阻、溫差、冷卻性能及加熱等要求；
（2）測(cè)量或評(píng)估模塊生熱及熱容量：電芯循環(huán)測(cè)試；電芯生熱功率測(cè)試；電池等效電路模型搭建；鋰離子電池充放電過(guò)程是電化學(xué)反應(yīng)，所以它的發(fā)熱實(shí)際上是非常復(fù)雜的過(guò)程，通過(guò)恒定值或I^2R來(lái)評(píng)估電池生熱功率是不精確的。準(zhǔn)確情況下采用Bernadi公式計(jì)算： Q=I（E-U）+IT*dE/dT 其中I為電流值，U為電池端電壓，E為開(kāi)路電壓；dE/dT為熵值系數(shù)。這個(gè)公式計(jì)算發(fā)熱非常準(zhǔn)確，而無(wú)論是單電芯還是整車(chē)工況下，都可以用它來(lái)計(jì)算發(fā)熱功率的；實(shí)際過(guò)程中通過(guò)試驗(yàn)和等效電路仿真需要進(jìn)行標(biāo)定計(jì)算。
（3）熱管理系統(tǒng)首輪評(píng)估：選定傳熱介質(zhì)；設(shè)計(jì)散熱結(jié)構(gòu)等；通過(guò)熱計(jì)算來(lái)初步估算各液冷回路流量分配，估算液冷板有效換熱面積來(lái)設(shè)計(jì)散熱結(jié)構(gòu)。
（4）預(yù)測(cè)模組及電池總熱行為：模組不同工況溫度測(cè)試；不同工況下電池發(fā)熱功率；不同工況下電池?zé)峁芾鞢FD分析；
（5）細(xì)化熱管理系統(tǒng)：熱管理控制策略制定；冷板及流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；水冷板CFD分析；整車(chē)工況下電池包CFD分析；流場(chǎng)分析：在電池冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行流場(chǎng)分析，得到在不同流量下冷卻系統(tǒng)的流阻特性、流量分配等信息，用以初步評(píng)估冷卻系統(tǒng)冷卻均勻性，并為水泵選型和匹配作參考。放電工況分析：放電工況目前分析極端工況即高溫高速工況一項(xiàng)，即對(duì)電池在高溫狀態(tài)下工作進(jìn)行仿真模擬，評(píng)估冷卻系統(tǒng)性能，以及電池最高溫、溫差等指標(biāo)。充電工況分析：充電工況包括高溫快充、常溫快充、低溫快充、低溫慢充等，主要用于評(píng)估在不同溫環(huán)境條件下，電池的充電特性以及溫度、溫差等熱管理指標(biāo)。
（6）熱管理系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證-DV測(cè)試：水冷系統(tǒng)臺(tái)架試驗(yàn)；整包熱管理臺(tái)架試驗(yàn)；整車(chē)熱管理試驗(yàn)；
（7）熱管理系統(tǒng)優(yōu)化：散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化；熱管理控制策略優(yōu)化；
（8）熱管理系統(tǒng)產(chǎn)品試制：PV樣件試制（不同開(kāi)發(fā)階段）；
（9）熱管理系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證-PV測(cè)試：整包熱管理臺(tái)架試驗(yàn)；整車(chē)熱管理測(cè)試；

二、分析工況對(duì)電動(dòng)汽車(chē)而言，駕駛習(xí)慣、實(shí)時(shí)路況、環(huán)境氣候等是形成各個(gè)工況的因素，電池的工作狀態(tài)是由汽車(chē)工況所決定的，準(zhǔn)確地理解整車(chē)工況以及自身工作特性有助于進(jìn)行電池CFD分析，而電池CFD分析有助于準(zhǔn)確評(píng)估電池包在各個(gè)工作狀態(tài)下是否滿足溫度、溫差特性，對(duì)應(yīng)地制定熱管理控制策略。

三、產(chǎn)熱計(jì)算電芯性能研究是電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中非常關(guān)鍵的部分。電芯產(chǎn)熱計(jì)算是電池?zé)峁芾碓O(shè)計(jì)非常重要的環(huán)節(jié)，整個(gè)過(guò)程涉及很多方面的工作，比如電芯性能、測(cè)試、模型標(biāo)定，數(shù)據(jù)分析、仿真等，電芯產(chǎn)熱評(píng)估直接決定是否能夠有效地預(yù)測(cè)各工況下電池?zé)嵝袨椤?/p>

四、熱管理CFD分析在電動(dòng)汽車(chē)電池?zé)峁芾矸桨搁_(kāi)發(fā)過(guò)程中，對(duì)熱管理方案進(jìn)行CFD仿真分析，用于評(píng)估電池?zé)峁芾矸桨缚尚行?，并指?dǎo)熱管理系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)和優(yōu)化，同時(shí)可對(duì)熱管理熱略標(biāo)定和優(yōu)化提供參考。下面將對(duì)建模方法（基于STARCCM+）和分析內(nèi)容進(jìn)行論述。

五、總結(jié)如何能夠掌握電池?zé)峁芾碓O(shè)計(jì)及其仿真分析的能力，談?wù)剛€(gè)人幾點(diǎn)建議：1、軟件篇：精通一款CFD仿真軟件（目前汽車(chē)行業(yè)以STARCCM+和Fluent為主），能夠正確地運(yùn)用軟件實(shí)現(xiàn)電池?zé)峁芾矸抡娣治?，軟件操作方面能夠有效保障仿真分析精確，評(píng)估并優(yōu)化熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)。2、專業(yè)篇：了解新能源領(lǐng)域有關(guān)知識(shí)，比如電池包結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、BMS、測(cè)試、整車(chē)系統(tǒng)等，掌握電池?zé)峁芾硐嚓P(guān)知識(shí)，比如電芯產(chǎn)熱計(jì)算、液冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)、工況分析等，有效的預(yù)測(cè)各工況下電池包的工作特性和熱行為，為電池包系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供有力保障。

責(zé)任編輯：xj

原文標(biāo)題：我的新能源動(dòng)力電池PACK熱管理仿真案例（附視頻直播）

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