基于STAR-CCM+电池热管理CFD分析关键点

  • 关于电动汽车而言,怎么精确操控电池温度是电池热办理体系规划的重要方针。过高或许过低的温度均会对电池发生不良影响:过高的电池温度会缩短电池寿数,过低的电池温度会下降电池活性,电池无法快速充放电。在进行热办理规划时,无法防止的两个课题是:电池温度是否合理
  • 电芯温差是否合理

为了处理这两个问题,首要需求剖析电池自身的结构规划是否合理,如水冷板结构、电池模组安置计划,然后进行外围体系的规划,这时需求考虑电池包所需求的冷却液流量、温度和操控战略。为了开发、点评和优化规划计划,减缩开发时刻,下降开发本钱,电池热办理CFD仿真剖析贯穿整个产品开发周期。本文将剖析依据STARCCM+仿真的液冷电池包热办理运用,要点论述在热办理仿真剖析进程中需求留意要害点,旨在协助我们更好剖析问题。STARCCM+以效率高、收敛好、集成度高级特色广泛运用于汽车行业,仿真作业流程,运用starccm标签19+进行电池热办理仿真剖析时,工程师需求留意的当地或许说或许存在一些难点有这几点:

1、建模办法;

2、外表修正;

3、网格规划;

4、工况仿真剖析;

5、热办理操控战略完结。授之以鱼不如授之以渔,下面将对上述几点进行解说和阐明。

一、建模办法从结构工程师获得电池包模型是不能直接拿来用的,需求对几许模依据STAR-CCM+电池热办理CFD剖析要害点型进行处理,包含几许模型简化和流道抽取两个部分。

1、几许简化几许模型简化是否合理直接影响到核算量巨细以及模型核算精度,详细模型简化杂乱程度,需依据剖析意图、热办理计划、核算资源、使命周期等归纳考虑。一般简化规则为:依据剖析意图,尽或许保存对传热影响较大的零部件和特征,疏忽对传热影响较小的零部件和特征。总结以下几点供参阅:

  • 对天然冷却电池包,需考虑空气传热影响,保依据STAR-CCM+电池热办理CFD剖析要害点留箱体、电池模组结构等;
  • 对水冷电池包,可疏忽空气影响(依据项目周期、开发阶段、核算资源等归纳考虑),标签20仅保存冷却体系和电池模组结构;
  • 去掉螺栓、衔接件、线束等对传热影响较小的零部件;
  • 对圆角、螺栓孔等细节特征进行简化处理
  • 关于彻底对称模型可考虑对称建模。

2、流道抽取

STARCCM+在仿真剖析时保存流体域,需对水冷体系进行流道抽取,流道抽取办法许多,简略流道可直接在STARCCM+进行抽取,杂乱流道主张在Catia、Proe或许SCDM软件进行抽取。流道几许模型处理几点主张:

  • 去掉固定衔接组件、底部泡棉支撑等对传热影响较小部件;
  • 抽取内部流道,保存冷却板或口琴管厚度和管路内径,对管道变径、部分弯头号细节特征尽或许保存,疏忽进出水口管、集流管管壁厚度;
  • 去掉水冷板内部对体网格质量影响较大的尖角、圆弧面等细节特征。

二、外表修正

区分网格之前,需对几许外表进行查看(surface repair),不少工程师都会遇到或多或少的模型外表过错(穿刺、自在边、紧缩边等),一些工程师或许和我相同从前会困惑怎么处理?若外表修正后发现穿刺、自在边等问题成千上百乃至更多,这时候应回到CAD软件里查看整个模型,是否存在干与和其他等问题;若外表修正问题比较少,则经过外表修正的主界面操作指令进行修正。

三、网格规划

仿真成果是否精确很大程度上取决于网格规划、网格质量。标签14在区分网格前,需对几许模型进行点评,选取网格类型、网格尺度、要害区域加密等。

STRACCM+高效的重要原因便是前处理与后处理高度集成,在软件里完结网格设置和网格区分,当然也能够在前处理软件(hypermesh、ansa)里进行面网格区分,然后导入STARCCM+进行体网格区分。

个人推荐在STARCCM+进行几许模型网格区分,进步仿真作业效率。网格设置可依据Parts的网格区分,可依据Region的网格区分;网格类型可分为多面体、四面体、切开体、棱柱层、薄壁(thin)网格等,不同的网格类型的特征和适用范围不同。

四面体网格易糟蹋,收敛慢;多面体网格比四面体网格核算精确,收敛快,在不同区域的接壤面上构成正交的网格,适用于传热、旋流、杂乱活动等;切开体网格比多面体网格需求的内存少,不同区域的接壤面上不能构成共形网格,适用于电子散热、外部活动;thin网格用于体积较薄的区域(例如导热垫、隔热垫、钣金件等等),一般和多面体网格组合运用。此外,考虑传热标签14核算精确度,网格区分时需求考虑接壤面处网格共形与非共形。

四、工况仿真剖析

Starccm+进行电池包热办理仿真剖析分为纯活动核算(稳态核算)、电芯生热核算和流热耦合核算。

流场剖析在电池冷却体系规划进程中,对冷却体系进行流场剖析,得到在不同流量下冷却体系的流阻特性、流量分配等信息,用以开始点评冷却体系冷却均匀性,并为水泵选型和匹配作参阅。流场剖析成果取决于流道抽取模型处理的精确度。

热仿真剖析依据整车功能工况输入,分为放电工况剖析(行车工况、爬坡工况、NEDC工况等等)和充电工况剖析(高温快充、常温快充、低温快充、低温慢充)。例如剖析高温高速工况(极限工况),即对电依据STAR-CCM+电池热办理CFD剖析要害点池在高温状态下作业进行仿真模仿,点评冷却体系功能,以及电池最高温、温差等方针。

充电工况包含高温快充、常温快充、低温快充、低温慢充等,首要用于点评在不同温环境条件下,电池的充电特性以及温度、温差等热办理方针。

仿真成果是否精确取决于工程师是否了解所剖析工况、电芯发热量核算、模型树立、网格区分、边界条件等要素。依据规划方针,对应如下点评方针对标签3仿真核算成果进行点评,点评热办理体系规划可行性,并辅导热办理体系计划规划和优化。

五、热办理操控战略完结

电池热办理操控战略需求与整车能量办理相匹配,涉及到能量的分配、运用场景以及运用优化平衡问题。关于电池热办理工程师来说,所关怀的要害问题,标签14在于怎么满意电池温度要求、温标签1度均匀性、平衡压降与温差和冷却液进出口条件依据STAR-CCM+电池热办理CFD剖析要害点设定。热办理体系规划的成功不仅仅取决于液冷体系规划,一起也取决于不同工标签11况下设定不同的操控战略。

假定剖析工况:高温行车工况下,环境温度为42℃;电池Tmax≥38℃,敞开液冷回路,电池Tmax≤32℃,封闭液冷回路,电池生热功率随整车工况改变;冷却液温度为20℃,进口流速为10min/L。

下面给我们简略演示一下,为了节省核算时刻,下图描绘的操控战略为电池Tmax≥39.5℃,敞开液冷回路,电池Tmax≤38.5℃,封闭液冷回路。

图1为电池温度改变动态云图,从动态图看出温度先下降后上升的进程,最高温度为39.9,此刻液冷回路敞开。

图1 电池温度改变动态云图

从图2、图3能够看出,一开始Tmax≥39.5℃,进口速度为1m/s,跟着冷却回路敞开,电池温度下降;当电池Tmax≤38.5℃时,此刻冷却回依据STAR-CCM+电池热办理CFD剖析要害点路封闭,随之而来电池温度上升,当再次电池Tmax≥39.5℃时,冷却回路敞开,完结温度回差操控。上述简略的比如阐明经过starccm+完结热办理战略操控,实践行车进程中,工况更为杂乱,需求依据电池体系温度改变拟定相应的操控战略,不断地敞开或封闭水泵。

图2 电芯最高温度与进口速度动态改变曲线

图3 液冷体系进口速度改变曲线

上面举例简略阐明晰在STRACCM+软件里设定热办理操控战略,热办理仿真剖析需依据不同工况来设定热办理战略。实车热办理战略完结进程,BMS承受唤醒信号,无故障后进入作业形式,判别最高温度或最低温度是否到达加热或冷却条件,向VCU宣布恳求,然后开依据STAR-CCM+电池热办理CFD剖析要害点启或许封闭控标签10制元件。


以上为笔者依据STARCCM+在电池包热办理仿真的经历共享,期望对我们所协助。

作者简介

朱教师,仿真秀专栏作者,多年汽车行业CAE仿真剖析从业经历,热能专业,硕士学历,整车厂任职动力电池热办理工程师,具有丰厚传热活动理论知识、擅长于一维和三维仿真剖析,具有丰厚的新能源仿真剖析经历。

学习或作业经历:南京工业大学热能专业,硕士学历;CFD热办理仿真剖析及一维体系仿真战略剖析,曾参加春风日产、长安、吉祥等干流整车厂的整车及电池包开发规划作业,具有多项汽车行业发明专利。

个人事例: 依据整车不同工况下电池热办理规划及仿真剖析,以行车进程极点工况、充电工况及低温加热工况进行剖析,运用Amesim一维软件进行模型建立,剖析不同工况下电芯产热标定,以及操控战略拟定,运用STARCCM+软件进行电池包流场及热场仿真剖析,设置边界条件、发热热源及依据STAR-CCM+电池热办理CFD剖析要害点操控战略,对不同工况下热办理规划的点评,完结电池热办理体系仿真剖析及优化。

总归,授之以鱼不如授之以渔,期望《STRACCM+入门到通晓系列课程—依据STAR标签11CCM+在新能源热办理仿真运用》能协助我们进一步把握STARCCM+软件,更好、更高效地解说工程运用仿真问题。

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