劉軍濤 CAE集中營

4月23日中國財政部、工業(yè)和信息化部、科技部、國家發(fā)展改革委聯合發(fā)文，將延長新能源汽車補貼期限，補貼政策實施期限延長至2022年底。毫無疑問新能源汽車的發(fā)展勢必將迎來井噴。

說起新能源汽車，就不得不說說動力電池PACK，動力電池PACK是新能源汽車的核心所在。而在這一領域中國可謂是行業(yè)老大一般的存在。早在2018年中國就已成為了全球最大的動力電池生產國，市場占有率達到了61.3%。

由于動力電池行業(yè)的特殊性，資本高度密集、技術高度密集，而且整車廠商一旦選擇供應商，出于安全性考慮基本不會考慮更換供應商。在這樣的背景之下，未來的的全球動力電池市場將走向寡頭化，也就是絕大多數業(yè)務被少數幾家企業(yè)瓜分。不難想象，未來全球的動力電池市場大概率將由中國主導。

巨大的市場潛力必然存在的巨大的商機，仿真技術就是一個明顯的缺口。動力電池PACK的安全性直接決定了新能源汽車的可靠性，即使是在技術如此成熟的今天，安全性依然是用戶選擇新能源汽車最大的擔憂。

而要保證動力電池PACK的安全性和壽命，有一個指標至關重要，那就是溫度。新能源汽車之所以會出現自燃或事故起火，其根本原因就是電池PACK熱失控和熱管理系統(tǒng)設計不當或者熱管理系統(tǒng)失效。這使得高效的熱管理系統(tǒng)和如何有效評估熱管理的功能可靠性就成為了新能源電池PACK研發(fā)中的關鍵所在。而能解決這一關鍵問題的方法便是仿真技術。

2018國家強制性要求電動汽車主機廠三電系統(tǒng)供應商配套液冷或者制冷熱管理系統(tǒng)，而目前各個廠商都在積極開發(fā)和探索自己的熱管理系統(tǒng)發(fā)展路線，熱管理人才會成為接下來的熱門急需人才被各大主機廠、電池廠、PACK廠及各類設備廠商青睞和尋求。

從2010年至今，筆者劉軍濤經歷了國內新年能源汽車電池系統(tǒng)熱管理從無到有的變化。見證并參與了熱管理應用于新能源汽車從可有可無到逐漸重視到成為必須的全部過程。十年時間，從風冷到液冷到液冷到直冷，技術路線沒有停止過討論，也沒有哪條技術路線完勝，只能適合自己的才是最好的。筆者列舉數例曾經參與過的案例，起到拋磚引玉的作用。

A、電池系統(tǒng)的熱、流場及耦合分析

能夠使用ANSYS-WORKBENCH 平臺進行電池系統(tǒng)的熱、流場及耦合分析，見下圖：

電池塊某次溫度場分析

B、電池箱系統(tǒng)前處理、NVH 分析、結構分析、溫度場分析及耦合分析

使用HYPERWORKS 和ANSYS 協同作業(yè)，對電池箱系統(tǒng)進行前處理、NVH 分析、結構分析、溫度場分析。利用HYPERWORKS 強大的前處理能力和ANSYS 優(yōu)秀的多物理場仿真分析能力對電池箱進行協作式的前后處理和分析，完成電池箱的熱、結構、NVH、流場-熱的耦合分析。如下圖：

熱分析

C、基于FLOEFD水冷散熱熱-流場的耦合仿真

水冷散熱熱-流場的耦合仿真1

水冷散熱熱-流場的耦合仿真2

水冷散熱熱-流場的耦合仿真3

D、基于FLOEFD風冷散熱熱-流場的耦合仿真

風冷散熱熱-流場的耦合仿真1

風冷散熱熱-流場的耦合仿真2

E、基于FLOEFD水冷系統(tǒng)流場

水冷系統(tǒng)流場

F、國內首款液冷電池系統(tǒng)（2010年）

模型說明

水冷系統(tǒng)

水冷板流道說明

溫度場分布

模塊溫度場分布

說明：水冷板之間循環(huán)水量>0.75L/min能夠滿足冷卻要求，電池單體之間溫差小于1℃。

左部圖的模塊溫度分布表明，電池最大溫差出現于電池縱向截面，這是由水冷板所置位導致，因此水冷板放置于底面能夠減小電池單體的溫度梯度，因為電池在高度上尺寸小于長度尺寸。

流體溫度場分布

說明：第二塊水冷板內水溫度變化最大，變化范圍是2.13℃，其他水冷板溫度變化在水溫1.5℃左右。

溫度場分布

說明：表面溫度場分布顯示，溫度最高點為306.04K，即在水冷作用下電池溫度最高上升8℃達到平衡。（2C持續(xù)工況，屬于惡劣工況）

表面溫度場分布

電芯溫度場分布

說明：最左端小模塊溫度略低于其他模塊，原因是該模塊單獨用一塊水冷板，而其他模塊是兩個標準模塊公用一塊水冷板。

模塊單體溫差

說明：溫度最高的第二個大模塊，模塊單體溫差小于1.5℃。

流場分布

系統(tǒng)流場分布

說明：最大流速點出現于進出口處，由管徑太細導致，流速過大會導致振動，因此，進出口總管會考慮管徑增大。

流場壓力分布

說明：最大壓力出現于進口處，此處壓力大原因是：流速快、且進水管偏細導致。

熱仿真結果與結論

Goal Name

Unit

Value

備注

最大壓力

[Pa]

120632.25

壓差：19.307KPa

最小壓力

[Pa]

101325.00

流體流速

[m/s]

0.42

熱流密度

[W/m^2]

50.81

最高溫度

[K]

300.01

2C連續(xù)充放電

最低溫度

[K]

306.04

水泵參數

L/min

10

本套系統(tǒng)在風冷系統(tǒng)作用下，在上述所述工況下，本套水冷系統(tǒng)熱仿真分析結論如下：本套水冷系統(tǒng)，通過調整各水冷板進出口尺寸來保證各個模塊的散熱均衡性，在2C工況循環(huán)下，模塊散熱性均勻良好；系統(tǒng)溫度最大上升8℃左右可達到平衡；電池之間溫差最大不超過6.2℃（因仿真時，采用2C持續(xù)工況，一般情況下，溫差小于5℃）；電池單體溫差不大于1.5℃。

注：不帶水冷系統(tǒng)，2C持續(xù)充放電工況下，溫升會超過30℃。