STAR-CCM+电池热管理设计，如何准确、高效划分网格？

导读：本文为新能源电池热管理仿真案例介绍，笔者根据项目经验从电池热管理开发流程、分析工况、电池产热计算、热管理CFD分析五个方面进行阐述，列出部分典型分析工况（静态和动态），介绍电池产热计算说明和方法，CFD分析中展示了流场分析、快充和高速行车两种工况仿真结果。最后，如何能够掌握电池热管理设计及其仿真分析的能力，笔者根据自身经验给出几点建议，希望能够帮助到从事相关科研和工作的朋友们。一、
电池热管理开发流程电池热管理开发贯穿于电池包系统设计开发全周期，包含电池温度控制、冷板、管路系统等设计，而电池热管理仿真作为整个热管理开发中最为有效的方法，对产品设计、方案评估和优化设计起到决定性作用，有效缩短开发周期，降低开发成本。不管是来自整车厂、电池PACK厂还是供应商的工程师，需要了解各子零部件开发与电池包、整车开发流程的关系，根据整车一级开发计划不断细化到各子零部件开发计划。电池热管理系统的开发流程应与电池包开发流程保持一致。热管理系统的设计贯穿于整个电池包的设计过程中，在整车开发经过A样件、B样件、C样件以及产品4个阶段，电池热管理参与每个阶段的设计、更改、试制以及验证。电池热管理系统设计的主要目标是：在考虑空间布置、设计成本、轻量化等条件下，通过加热或冷却控制，保证电池系统工作在相对适宜的工作温度，同时减小单体间温度，保证一致性。设计性能良好的电池组热管理系统，要采用系统化的设计方法。电池组热管理系统设计的过程包括如下步骤：电池热管理系统设计流程进一步细化，分别具体到每一项工作任务，细化工作如下：（1）确定热管理系统的目标及要求：分解整车目标，细化热管理系统流阻、温差、冷却性能及加热等要求；（2）测量或评估模块生热及热容量：电芯循环测试；电芯生热功率测试；电池等效电路模型搭建；锂离子电池充放电过程是电化学反应，所以它的发热实际上是非常复杂的过程，通过恒定值或I^2R来评估电池生热功率是不精确的。准确情况下采用Bernadi公式计算：Q=I（E-U）+IT*dE/dT其中I为电流值，U为电池端电压，E为开路电压；dE/dT为熵值系数。这个公式计算发热非常准确，而无论是单电芯还是整车工况下，都可以用它来计算发热功率的；实际过程中通过试验和等效电路仿真需要进行标定计算。（3）热管理系统首轮评估：选定传热介质；设计散热结构等；通过热计算来初步估算各液冷回路流量分配，估算液冷板有效换热面积来设计散热结构。（4）预测模组及电池总热行为：模组不同工况温度测试；不同工况下电池发热功率；不同工况下电池热管理CFD分析；（5）细化热管理系统：热管理控制策略制定；冷板及流道结构设计；水冷板CFD分析；整车工况下电池包CFD分析；流场分析：在电池冷却系统设计过程中，对冷却系统进行流场分析，得到在不同流量下冷却系统的流阻特性、流量分配等信息，用以初步评估冷却系统冷却均匀性，并为水泵选型和匹配作参考。放电工况分析：放电工况目前分析极端工况即高温高速工况一项，即对电池在高温状态下工作进行仿真模拟，评估冷却系统性能，以及电池最高温、温差等指标。充电工况分析：充电工况包括高温快充、常温快充、低温快充、低温慢充等，主要用于评估在不同温环境条件下，电池的充电特性以及温度、温差等热管理指标。（6）热管理系统试验验证-DV测试：水冷系统台架试验；整包热管理台架试验；整车热管理试验；（7）热管理系统优化：散热结构设计优化；热管理控制策略优化；（8）热管理系统产品试制：PV样件试制（不同开发阶段）；（9）热管理系统试验验证-PV测试：整包热管理台架试验；整车热管理测试；二、分析工况对电动汽车而言，驾驶习惯、实时路况、环境气候等是形成各个工况的因素，电池的工作状态是由汽车工况所决定的，准确地理解整车工况以及自身工作特性有助于进行电池CFD分析，而电池CFD分析有助于准确评估电池包在各个工作状态下是否满足温度、温差特性，对应地制定热管理控制策略。三、产热计算电芯性能研究是电池系统设计开发中非常关键的部分。电芯产热计算是电池热管理设计非常重要的环节，整个过程涉及很多方面的工作，比如电芯性能、测试、模型标定，数据分析、仿真等，电芯产热评估直接决定是否能够有效地预测各工况下电池热行为。四、热管理CFD分析在电动汽车电池热管理方案开发过程中，对热管理方案进行CFD仿真分析，用于评估电池热管理方案可行性，并指导热管理系统方案设计和优化，同时可对热管理热略标定和优化提供参考。下面将对建模方法（基于STARCCM+）和分析内容进行论述。五、总结如何能够掌握电池热管理设计及其仿真分析的能力，谈谈个人几点建议：1、软件篇：精通一款CFD仿真软件（目前汽车行业以STARCCM+和Fluent为主），能够正确地运用软件实现电池热管理仿真分析，软件操作方面能够有效保障仿真分析精确，评估并优化热管理系统设计。2、专业篇：了解新能源领域有关知识，比如电池包结构设计、BMS、测试、整车系统等，掌握电池热管理相关知识，比如电芯产热计算、液冷系统设计、工况分析等，有效的预测各工况下电池包的工作特性和热行为，为电池包系统设计提供有力保障。福利：分享本文到朋友圈并截图发送给平台任意仿真小助手
赠送您一份《奔驰整车热管理模拟案例分析》PDF 文件。也可以加入直播交流群领取，如下图。六、公开课-【动力电池案例】基于STAR-CCM+网格划分划分网格是建立有限元模型中最为关键的环节，同时也是相对比较耗时和复杂的步骤。若网格处理的不正确将影响计算精度，质量太差的网格设置会直接造成计算发散或残差过大等问题，因此掌握如何准确地划分网格尤为重要。什么是有效的网格？总体来说，有效的网格是允许模拟初始化，同时完成模型求解计算，这就是有效的网格，但能够说明一定是高质量的网格吗？网格的类型、数量、疏密程度等都会影响网格质量，笔者曾对同一模型进行数十次的网格优化尝试得出相对最优的网格，本次直播笔者将根据多年经验总结，将从网格类型、设计及优化等方面讲解网格划分方法和技巧，希望大家能从中得到启发，解决实际问题。2020年11月05日晚8点，笔者应仿真秀邀约，将在仿真秀平台为大家带来《【动力电池案例】如何通过STAR-CCM+进行网格划分？》直播公开课。直播中笔者将为大家带来以下内容：1、软件模块功能和操作命令介绍；2、STAR-CCM+网格划分流程讲解；3、不同网格类型应用场景讲解；4、STAR-CCM+网格划分注意事项；5、新能源电池案例讲解；6、互动答疑感兴趣的学员，可添加下方小助手微信，进入笔者直播答疑群，想参加直播的小伙伴可以私信小编哦！