西门子 Simcenter STAR-CCM+ 电池组热仿真

2010 年代初以来，西门子 Simcenter STAR-CCM+ 电池组热仿真一直是先驱，其功能是利用精确的 3D 等效电路模型执行电池组冷却耦合电热仿真。它计算发热量的 3D 分布，从而能够非常准确地识别电池温度梯度和热点。

PART. 01  电池组热仿真的价值

电池组的热管理并不是一件新鲜事。从一开始，它就对于确保电池在安全温度范围内运行、最大限度地提高其性能、最大限度地减少其退化以及避免任何危险情况至关重要。仿真在此过程中发挥着关键作用。

要使模拟有价值，关键在于模型能够以合理的精度预测电池的发热率。因此，工程师可以识别电池占空比期间的温度梯度和热点。这使工程师能够选择最合适的冷却策略，例如空气冷却、液体冷却或相变材料冷却。但它也有助于确定热管理系统的尺寸并改进其设计。

PART. 02  电池热管理一系列新挑战

快进到 2021 年，汽车电气化的竞赛是真实的，许多原始设备制造商正在开发越来越多的新型电动汽车车型。他们必须快速行动，使其设计适应许多不同的模型，并利用设计探索来优化每个冷却系统。他们需要评估电池组在许多占空比下的热响应和电响应。最后，验证其在整个动力总成中的集成。

但是，由于实现耦合电热仿真的工作流程过于复杂，OEM 通常仅依靠简单的源项进行电池组温度预测。这可能会导致对温度梯度的严重错误预测，并限制在瞬态占空比中评估电池性能的能力。这意味着电池组效率低下，提供更少的有用能量并且降解得更快。

为了帮助应对上述挑战，西门子 Simcenter STAR-CCM+ 电池组热仿真 2021.3 发布了一种新的电池工作流程，其速度比 10 年代初发布的原始工作流程快 2010 倍。它的设置也简单得多，并在 HPC 和设计探索方面利用了最新的 Simcenter STAR-CCM+ 技术。

它提供：

1.用于电池电和热速率预测的超快速 0D 等效电路模型

2.支持用户设计的整个电池组（包括单元）的 CAD，以实现更大的几何灵活性

3.专用的设置面板，可提高生产率

这些综合改进表明，电池组冷却仿真应由耦合电热方法驱动。由于强大的配置器可以让用户有更多时间花在分析上，因此用户花在预处理上的时间更少。

PART. 03  快速电池充电循环模拟

让我们以电动汽车电池组为例，我们需要冷却该电池组才能进行快速充电循环。我们将考虑具有以下特征：

用于快速充电循环电池组热仿真的 CAD 几何形状

这是一个 ~80 kWh 电池组，带有 456 个锂离子方形电池，底部用液体冷却板冷却。

等效电路模型 （ECM） 具有 2 个 RC 元件，可更好地捕获扩散效应，从而预测锂离子电池的电气行为。它包含 -8 的 20 个温度级别oC 至 60oC 用于准确的温度依赖性估计。该模型输出电池的发热速率、电压、电流和充电状态 （SOC）。

PART. 04  快速设置电池组热模拟

现已嵌入 Simcenter STAR-CCM+ 的 2-RC 等效电路模型 （ECM） 示意图

西门子 Simcenter STAR-CCM+ 电池组热仿真使用专用配置器可以轻松将 ECM 分配给单元的几何部件。网格简单明了，使用平行网格划分器可以快速执行，获得 6.6M 的有限体积单元。

使用6.6M有限体积单元进行电池组热仿真的有限体积网格

PART. 05  从电池组热模拟中快速获得见解

以 150 kW 的速度快速充电 20 分钟，电池升温不均匀。这是由于冷却板中施加的高电流和低效率造成的。但是，最高电池温度仍低于 45 的安全限值oC，这是典型的最大值。

在具有 2 个内核的计算机集群上执行的计算时间不到 128 小时，就模拟了 20 分钟的快速充电占空比。

在电池组和冷却板上可以观察到以下温度分布：

快充20分钟后电池组和冷却板温度分布

PART. 06  电池管理CFD，快速而明显

有了这些快速的详细信息，您现在可以轻松分析效率低下的情况，并执行几何形状或条件更改，以提高该电池组承受快速充电的能力

Simcenter STAR-CCM+ 2021.3 使电池组热管理设计能够“快速、明显地"实现 3D 电热仿真。

采用 西门子 Simcenter STAR-CCM+ 电池组热仿真 2021.3 设计的电池高效、持久且安全，将让车辆 OEM 及其客户满意。