電動汽車用鋰離子動力電池包熱管理仿真技術規(guī)范

1電動汽車用鋰離子動力電池包熱管理仿真技術規(guī)范本文件規(guī)定了鋰離子動力電池包三維熱管理仿真的通用流程，包括幾何處理、網(wǎng)格控制、邊界條件處理、后處理等技術處理內(nèi)容。本文件適用于裝載在電動汽車上的液冷型鋰離子動力電池包，其他類型參照執(zhí)行。2規(guī)范性引用文件下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對應的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。GB/T6425-2008熱分析術語GB/T19596-2017電動汽車術語GB/T31467-2023電動汽車用鋰離子動力電池包和系統(tǒng)電性能測試方法GB38031-2020電動汽車用動力蓄電池安全要求3術語和定義下列術語和定義適用于本文件。3.1單體蓄電池secondarycell將化學能與電能進行相互轉(zhuǎn)換的基本單元裝置，通常包括電極、隔膜、電解質(zhì)、外殼和端子，并被設計成可充電。也稱作電芯。3.2內(nèi)阻internalresistance蓄電池中電解質(zhì)、正負極群、隔膜等電阻的總和。3.3荷電狀態(tài)state-of-charge當前電池單體、模塊、電池包或系統(tǒng)中按照制造商規(guī)定的放電條件可以釋放的容量占實際容量的百分比。3.4熱導率thermalconductivity熱流密度與溫度梯度之比，熱流密度是單位時間內(nèi)傳過單位面積界面的熱量。23.5比定壓比熱容specificheatcapacityatconstantpressure在恒定的壓力下，單位質(zhì)量的樣品單位溫升所需要的熱量。也稱作比熱容。3.6電芯熵熱系數(shù)entropyheatcoefficientofcell開路電位相對于溫度的導數(shù)。也稱作電芯開路電壓溫度導數(shù)。3.7電芯最高溫度maximumtemperatureofbatterycells電池包內(nèi)電芯最高溫度3.8溫度傳感器點位temperaturesensorlocation電池包內(nèi)溫度傳感器布置的位置3.9熱管理策略thermalmanagementstrategy電池包加熱或制冷系統(tǒng)隨著內(nèi)部溫度傳感器溫度變化采取的干預策略4符號和縮略語4.1SOC：荷電狀態(tài)(State-of-Charge)。4.2CFD：計算流體動力學（ComputationalFluidDynamics）5建模流程及內(nèi)容5.1仿真流程電動汽車用鋰離子電池包熱管理仿真主要包括仿真目標、仿真規(guī)劃、模型幾何處理、網(wǎng)格劃分、邊界條件處理、熱管理策略處理、計算、后處理，具體參見附錄A.1。5.2確定仿真目標本標準推薦目標為液冷型車用電池包三維高精度多工況熱管理設計仿真驗證，涉及物理場主要包括電池產(chǎn)熱、匯流排歐姆產(chǎn)熱、固體熱傳導、流體計算、熱交換等。針對其他仿真目的，可參照本標準執(zhí)5.3制定仿真技術實施方案依據(jù)仿真目標制定仿真技術規(guī)范，包括產(chǎn)熱模型選擇、模型幾何處理原則、網(wǎng)格劃分原則、邊界條件處理原則、熱管理策略處理原則、后處理原則。5.4仿真實施5.4.1幾何模型處理3注1:加熱系統(tǒng)可以是加熱片加熱、與冷卻系統(tǒng)同路加熱、電芯自加熱。注2:圖1僅為電池包結構示意圖。1是結構膠是2電芯是注1是是電芯間匯流排是3液冷系統(tǒng)(加熱系統(tǒng))是是是導熱膠是44是是5是6是7是8注1：無論是方形、圓柱、還是軟包，電芯結構主要由芯胞、外殼、匯流組件構成，為保證準確定，減少計算資源，將電芯簡化處理成外殼、芯胞、匯流組件，確保產(chǎn)熱、傳熱的準確性。注2：液冷系統(tǒng)為通用流道液冷模式，不包括微流道。加熱系統(tǒng)為液冷同路加熱。注3：加熱系統(tǒng)指加熱片加熱系統(tǒng)以及除液冷同路加熱外的其他加熱系統(tǒng)。注4：其他設計對應熱結果影響小的例如插件、螺母、線束、焊接等不進行建模，如對熱結果影響大的需進行建模，如有不確認的可進行影響敏感性分析，分析流程A.3。5.4.1.2幾何清理依據(jù)5.4.1.1.1原則，刪除/抑制不建模零部件，保留建模零部件。5.4.1.3幾何簡化幾何簡化見下表表2幾何簡化項目對象操作1倒角零部件倒角對熱結果影響小的，建議刪除倒角特征。2圓孔直徑小于10mm，建議刪除圓孔特征。3水冷板的流道水冷板的流道倒角保留。4其他其他小的特征，不影響仿真結果可進行抑制或簡化。如不確認影響程度，采用分析流程A.3進行辨識。5.4.1.4幾何構建電池包內(nèi)部大的空氣域，進行實體建模，包括壓鑄類中空零件內(nèi)空氣，如不確認影響程度，采用分析流程A.3進行辨識。根據(jù)實際情況區(qū)分固體空氣域和流場空氣域。5.4.1.5電芯幾何處理要求無論是方形、圓柱、還是軟包，電芯結構主要由芯胞、外殼、匯流組件構成，為保證準確定，減少計算資源，將電芯簡化處理成外殼、芯胞、匯流組件，確保產(chǎn)熱、傳熱的準確性。5.4.1.6其他對于零部件與零部件之間的接觸設置，優(yōu)先選用結構拓撲共享，以減少網(wǎng)格及接觸，提高計算效率，存在接觸熱阻零部件需進行接觸熱阻設置。5.4.2網(wǎng)格處理55.4.2.1網(wǎng)格大小最小網(wǎng)格尺寸0.1mm，最大網(wǎng)格尺寸30mm，推薦網(wǎng)格尺寸：8mm。5.4.2.2網(wǎng)格質(zhì)量因網(wǎng)格質(zhì)量與求解器關聯(lián)性強，推薦網(wǎng)格質(zhì)量按照使用軟件收斂最低要求推薦值，例如FLURNT：正交質(zhì)量（OrthogonalQuality）>0.1；偏斜度（Skewness）<0.9；STAR-CCM+：facevalidity>0.5;volunmchange>0.01。其他軟件依據(jù)軟件商提供的網(wǎng)格控制推薦。5.4.2.3邊界層流體邊界層層數(shù)≥3，固體網(wǎng)絡處理層數(shù)≥2。第一層厚度<0.5mm，層數(shù)≥2。5.4.2.4網(wǎng)格檢查與優(yōu)化網(wǎng)格劃分完成后依據(jù)5.4.2.1與5.4.2.2檢查網(wǎng)格大小及網(wǎng)格質(zhì)量，存在偏差后進行網(wǎng)格的局部或整體優(yōu)化。5.4.3材料屬性設置5.4.3.1電池包內(nèi)部空氣因內(nèi)部空氣域CFD計算占用時間比較大，溫差引起的流體流動速度較低，內(nèi)部空氣存在傳熱作用，推薦將電池包內(nèi)部空氣域處理成空氣材料屬性固體。5.4.3.2芯胞芯胞因結構自身因素，導熱性設置為各向異性導熱材料。5.4.3.3其他部件存在導熱異性材料按照異性導熱材料設置，具體參數(shù)數(shù)值以材料供應商提供數(shù)據(jù)或自測數(shù)據(jù)為準。5.4.4熱源及邊界條件處理熱源及邊界條件對結果影響較大，處理原則依據(jù)電池包車輛實際使用工況進行適當轉(zhuǎn)化。5.4.4.1熱源處理電池自身屬性決定其產(chǎn)熱率隨著使用工況、外部條件的變化而變化。例如電池SOC狀態(tài)、放電倍率、環(huán)境溫度等。CFD仿真分析，其產(chǎn)熱一般處理為體積產(chǎn)熱速率，單位W/m3。推薦使用產(chǎn)熱率進行轉(zhuǎn)換計算，單位W。除芯胞產(chǎn)熱外，其他產(chǎn)熱單元，匯流排按照歐姆熱計算，轉(zhuǎn)換為體積產(chǎn)熱率。具體使用方法，見附件附件A.4。5.4.4.2邊界條件電池包在車輛位置一般在底部，隨著車輛行駛過程，底部速度越大，其換熱效率越大，應考慮底部風速影響。同時對空氣域和流體域的影響進行轉(zhuǎn)化。具體需依據(jù)車輛實際結構確定，以下為可能的情況及建議：6(1)CTC（CellToChassis）:電芯直接集成到車輛底盤，需將底盤考慮到建模之中，底盤底部保溫及護板需要建模，底部單獨建立風場或采用速度與換熱系數(shù)經(jīng)驗公式進行轉(zhuǎn)換，公式如下：h=BV^n（1）h：換熱系數(shù)；B：經(jīng)驗系數(shù)；n：速度指數(shù)；注：公式h=BV^n中的可根據(jù)CFD仿真結果進行擬合修正，擬合修正方法見附錄A.5；各參數(shù)一般范圍及推薦值見附件A.6(2)CTB（CelltoBody電池包集成到車身，因為電池包保持獨立，頂部與車身組裝，因頂部與車身接觸，底部直接與空氣接觸，建議不再考慮車身，電池包單獨進行仿真，底部底部單獨建立風場或采用速度與換熱系數(shù)經(jīng)驗公式進行轉(zhuǎn)換，見公式（1）。(3)CTP(CelltoPack)與CTM（CelltoModule）除了成組模式不同外，就電池包而言與CTB沒有太大差別，典型完整的電池包結構。其邊界條件的轉(zhuǎn)化，參考CTC與CTP，具體依據(jù)與整車裝配形式確定。(4)熱管理策略處理熱管理策略與車輛實際策略等價處理，溫度依據(jù)實際傳感器布置位置最高溫和最低溫。5.4.5計算5.4.5.1瞬態(tài)處理實際熱管理過程為瞬態(tài)過程。為節(jié)省計算時間，再處理上，液冷系統(tǒng)采用穩(wěn)態(tài)計算結果與熱傳導瞬態(tài)耦合模式。即先計算液冷系統(tǒng)CFD的瞬態(tài)計算，穩(wěn)態(tài)結果用于后續(xù)的熱傳導瞬態(tài)過程。推薦采用實時輸出的方式檢查仿真收斂情況，整車工況下推薦0.02s時間步長。5.4.5.2時間步長時間步長設置應考慮使用工況，需基于電流的變化頻率進行相應的計算時間步長控制，最大時間步長建議為20s。NN（資料性）電芯產(chǎn)熱模型建模流程A.1建模流程圖。準備明確仿真目標 建立仿真方案幾何模型處理 網(wǎng)格劃分網(wǎng)格質(zhì)量檢查網(wǎng)格質(zhì)量檢查Y 材料屬性設置 熱源及邊界條件處理 熱管理策略處理 計算 后處理撰寫報告文件保存8A.2仿真工況123456熱物性產(chǎn)熱率三維散熱模型熱物性產(chǎn)熱率三維散熱模型A.3電芯一維產(chǎn)熱與三維傳熱實現(xiàn)示意圖工況電流散熱邊界熱管理策略散熱邊界產(chǎn)熱模型溫度包含零部件/特征不處理包含零部件/特征不處理A.4幾何建模影響因素流程準備準備 包含零部件/特征不處理