ANSYS新能源电池包散热仿真解决方案

K哥

        在国家政策的大力扶持下，新能源汽车这些年得到了蓬勃的发展。作为新能源汽车的核心零部件，电池包的性能对整车性能的影响是非常大的，因此在研发阶段，各整车和零部件生产商对电池包的仿真分析都非常关注，而电池包热分析是其中很重要的一环。

一般情况下，电池包是由几百甚至几千个单体电池组成，CFD建模时往往会生成超过千万的网格，如果按照传统的CFD方法进行瞬态热分析，计算量是非常大的，不满足实际应用中对分析效率的要求。基于这一点考虑，ANSYS根据CFD热分析的特点，采用降阶处理的方式建立热分析等效模型完成瞬态热分析，大大提高了分析效率。

1、LTI ROM

如果只关注电池放电过程中监测点温度、单体平均温度或出口温度等单个物理量的瞬态响应特性，可以采用LTI（Linear Time Invariant） ROM降阶模型来进行热分析，大概的分析流程如图1所示：

图1 LTI ROM流程

1.1. 建立CFD模型

这一步和传统的CFD热分析过程是一样的，根据实际的边界条件建立完整的CFD分析模型，并且计算出在不考虑电池发热情况下的流场稳态结果。

1.2. 生成系统的阶跃响应

热问题实际上是一个热系统的响应问题，分析的是不同工况下输出量（所关注的温度）对输入量（电池热源）响应。

这一步是要得到某个工况下电池包热系统的响应。

在上一步模型基础上给定阶跃输入（设定电池一个固定发热量）进行瞬态热分析，记录输出量的阶跃响应（就是在Fluent的monitor中保存相应的.out文件），当输出量不再随时间明显变化时结束瞬态分析。

1.3. 使用Simplorer生成LTI ROM

ANSYS在系统仿真软件Simplorer中开发了专门用于生成LTI ROM的工具（如图2），使用该工具可以根据上一步的阶跃响应文件（.out文件）自动生成LTI ROM，生成的ROM（图3）与原系统具有同样的系统响应特性，这样ROM就可以得出与原系统等效的分析结果。

在此例中，ROM的输入端是电池模块中16个电池的发热量，输出端是16个电池的平均温度。实际案例中，输入端和输出端的数量都是可以根据实际情况来设定的。

图2 LTI ROM萃取工具

图3 在Simplorer中生成的LTI ROM

1.4. 在Simplorer中完成仿真

生成LIT ROM之后，就可以在ROM中（图3的左边端口）给定任意工况下电池的发热特性（图4），得到各个电池的平均温度随时间变化的结果。

在Simplorer中只需要经过几秒就可以得到一个新工况的仿真结果，即使加上前边3个步骤，计算时间也一般不会超过1个小时，远远小于传统CFD瞬态分析在多核并行情况下几个小时甚至几十个小时的计算量。同时，从图5可以看到，由于LTI ROM与原电池包热系统具有相同的响应特性，降阶处理之后的分析结果与CFD分析结果完全一致，计算精度上不会有任何损失。

图4 电池任意工况（发热量随时间的变化曲线）

图5 CFD瞬态分析结果（实线）和ROM分析结果的对比（点线）

2、SVD ROM

LTI ROM可以得到任意电池任意工况下各关注点温度随时间变化的结果，比如任意监测点温度、单体电池的平均温度或出口平均温度等，但无法得到电池包温度场随时间变化的可视化化效果。

要生成温度变化的可视化效果，需要用到另一种降阶处理方法：SVD (Singular Value Decomposition) ROM。

SVD ROM的分析过程（图6）和LTI ROM过程是类似的，需要通过Simplorer中的SVD ROM萃取工具生成ROM，不同的是SVD ROM在过程中保存的是温度场的响应数据，而最后需要在Fluent中通过后处理生成温度变化的动画（图7）。

图6 SVD ROM流程

图7 电池包温度变化动画

3、ECM

由以上介绍可以看出，LTI ROM和SVD ROM都需要给定电池的热源特性才能得到相应的分析结果，这样就会有两个问题：

a)   电池的热源特性是通过试验测试得到的，某些情况下可能会由于条件限制而无法获得该数据；

b)   电池的放电过程受温度影响，因此电池放电发热导致温度升高，这样又会反过来影响电池放电，如果直接指定电池的热源就无法考虑温度反馈带来的影响。

因此，ANSYS采用现已成熟的电池等效电路模型（ECM）来模拟电池的放电过程，通过ECM与ROM耦合的方式来解决前边提到的两个问题。

和ROM工具一样，ANSYS在Simplorer开发了专门用于生成ECM的工具，大概流程如图8所示。

图8 ECM建模流程

3.1. 获取电池充放电曲线

需要通过试验测定单体电池的两组特性曲线数据：

a)   开路电势 vs SOC曲线（open circuit potential vs SOC(state of charge) ）

b)   脉冲放电情况下的瞬态电势（transient potential under pulse discharge）

3.2. 生成ECM

这个和ROM生成过程一致，基于上一步的试验数据，在Simplorer中使用专门的ECM萃取工具生成单体电池的ECM模型。

3.3. 搭建电池包电路模型

根据实际情况，将单体电池ECM模型通过串联或并联的方式搭建电池包的电路模型，其中还可以加入电机、电阻负载等电路元件。

3.4. 在Simplorer完成电池包电路仿真

模型搭建完成之后就可以在Simplorer中进行电池包电路系统的仿真分析，得到各种电池特性曲线，其中电池的热耗散可以作为CFD分析的热源输入数值，用于与ROM的耦合分析。

4、完整的电池包热分析模型

由以上介绍可知，ANSYS是在Simplorer这一个平台中创建了LIT ROM、SVD ROM和ECM三个模型，在这基础之上，就可以搭建如图9所示的完整电池包热分析模型。

在这一个ECM和ROM耦合的模型中，ECM计算电池热源的热耗散并把数据传递给两个ROM，其中LTI ROM计算出电池的平均温度并把此温度反馈回ECM，这样就可以考虑温度对电池放电的影响，而SVD ROM则计算并保存了整个温度场分布随时间变化的过程。

从图10可以看出传统CFD分析方法和降阶处理方法在计算时间上的差别，按传统CFD分析方法进行瞬态分析在单核计算情况下需要约5个小时，而降阶处理方法仅仅需要耗费几秒钟，即使加上生成ROM的时间也不超过半小时。而且在实际应用中，模型越大，这种时间上的差距就越大。

图9完整的电池包热分析模型（ECM和ROM耦合）

图10 对比数据

5、总结

热分析是电池包设计中比较重要的问题，而电池包瞬态热分析的计算量比较大，不满足实际应用中对分析效率的要求。ANSYS采用降阶处理的方式，通过LTI ROM、SVD ROM与ECM耦合方法搭建了完整的电池包热分析模型，从结果可以看出，这种方法不仅保证了与传统CFD分析方法一样的精度，还大大缩短了计算时间，提高了实际用于中的分析效率。

鉴于篇幅的限制，本文未对各模型的理论做详细的介绍，若有任何疑问请联系阳普科技。

（注：文中图片来自ANSYS官方发布的公开资料）