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电动汽车电池包热仿真Step by Step教程
2018-12-04 20:29:25· 来源：仿真秀 （ID:fangzhenxiu2018） 作者：王永康
导读本案例主要是对某电动包Pack进行整包的热仿真计算。详细讲解了电池包CAD模型的修复处理、CAD模型导入Icepak、Icepak热模型的修复、Icepak热模型的网格划分过
导读
本案例主要是对某电动包Pack进行整包的热仿真计算。详细讲解了电池包CAD模型的修复处理、CAD模型导入Icepak、Icepak热模型的修复、Icepak热模型的网格划分过程及修复、求解计算的设置、直到最终后处理显示，并提出热流优化的方向。通过Step by step进行讲解，用户可学习到：
① SCDM修复此类电池包的技巧及规则
② SCDM如何将CAD模型导入Icepak
③ Icepak热模型的网格划分技巧
④ 热模型求解计算的设置
⑤ Icepak后处理结果显示
⑥ 要求SCDM版本为18.1以上
一、问题描述
对电动汽车而言，电池Pack的热控（降温、加热）非常关键。本算例的电池包模型主要包括Pack外壳、多个电池模块、电池模块固定架、出风口及三个轴流风机；对于此类机箱热模拟而言，需要输入风机本身的P-Q曲线，设置电池包各个部件的材料属性（尤其是导热率）和热耗；在计算强迫风冷的同时，考虑电池包外部空气区域与外壳的自然对流及辐射换热计算。
图1 电池包散热案例
二、CAD模型的修复
1、使用SCDM打开电池包模型，在模型树下选择所有名称为luosi的器件，点击右键，删除这些几何体；
图2 打开电池包CAD模型
2、使用SCDM的分割主体命令，选择Pack底壳的内表面，将底壳与其他5个侧面分开；
其他5个侧面比较薄，将使用壳单元建立热模型，而底壳使用实体模型；
图3 分割电池包外壳
3、选择SCDM主菜单栏Workbench下的开口命令，然后鼠标选择壳体左右两侧、后侧（安装风机一侧）的外表面；SCDM自动生成开口Opening模型；
图4 生成开口
4、使用Workbench下的仿真简化命令，在类型中选择级别0，然后将壳体转化成方块；
然后选择方块的某个面，点击右键—复制—粘贴；依次对其他4个面进行类似操作，建立机壳的壳单元（开口Opening与壳单元接触，会自动将壳单元打穿）；然后删除转化后的方块Block模型；
图5 简化外壳
5、点击WB菜单下的识别对象，SCDM将认可的模型（壳单元，长方体，圆柱体）转换为Icepak热模型；点击显示—非仿真主体，查看未转换的几何体；点击风扇命令，然后鼠标左键选择风机进风口半径和Hub半径，完成风机转换；依次对其他2个风机进行转化；
再次点击显示—非仿真主体；
图6 转化风机
6、选择一个固定架，点击右键—隐藏其他；选择支架上的安装孔，点击左侧选择面板，然后点击孔等于或小于4.25mm，单击填充命令，支架上的孔洞消失；
图7 填充支架孔洞
使用分割主体命令，将支架两头的梯形凸台结构与支架分开（尽可能使得模型变成规则的几何形状，以利用划分网格）
图8 分割支架凸台
7、调整视角，如下图所示，单击分割主体命令，使用下图中橙色的面，对固定架进行切割；然后使用WB下的仿真简化—级别0，将下图中橙色的几何体转化成长方体Block；转化后的长方体与电池单体干涉，在热仿真模型中，只需保证电池体优先级高于固体支架即可。
图9 分割简化支架（1）
8、选择下图中橙色的表面及其正对的面（与其平行，视图区域未显示），单击分割主体命令，SCDM会将镂空结构的固定支架切割成多个长方体（使用WB—仿真简化—级别1也可以自动切割、转换）；点击WB下的识别对象，这些规则几何体自动转换为Icepak热模型；对其他3个固定支架执行第6）—第8）相同的操作；
图10 分割简化支架（2）
9、单独显示一个电池单体；使用鼠标框选下图中标注的螺母、凸台特征，然后点击填充命令，SCDM自动删除这些几何特征（本算例假定螺母紧密，忽略其导致的接触电阻及热损耗）；保留电池体、正极极柱及集流板（绿色部分）、负极极柱及集流板（粉色部分）；使用WB—仿真简化—级别1对电池体进行自动切割、模型转化，使其变成Icepak热模型（由于原始CAD电池体将极耳、电池体、集流板，所以必须对其进行切割转化，使其分开）；对其他所有电池体进行类似命令的操作；
图11 分割简化电池电极
10、按照下图所示的电流方向及单个电池正负极的标注示例，对模型树下所有电池的正极极柱及集流板、负极极柱及集流板进行重命名；
图12 重命名电池电极、集流板
11、点击显示—非仿真主体，查看未转换的几何体；单击WB—仿真简化—级别1，选项中务必勾选允许分割，然后框选所有的铜排（用于电池并联、串联），自动转换为多个长方体；完成CAD模型的修复、转化；
图13 简化铜排
12、勾选显示模型树下所有器件，并对部分模型（SCDM生成的新模型，名称为中文字符）重新进行命名；点击保存；
图14 显示所有器件
三、CAD模型的导出
点击File—另存为，在相应项目目录下建立新文件夹，并命名（dianchiThermal），打开此文件夹；在保存类型中选择Icepak项目（*.icepakmodel)，然后点击保存，完成Icepak热模型的输出；可以单独启动Icepak，直接打开dianchiThermal项目。
图15 导出CAD模型
四、 Icepak热模型的修复
假定读者熟悉Icepak软件的相应命令，部分操作不再进行截图显示。
1、各部件材料及热耗说明：
① 电池正极极柱、集流板材料为铝（导热率205w/m.k），负极极柱、集流板材料为Cu-pure；电池体导热率各向异性，其中X方向1.5w/m.k，而Y\Z方向导热率30w/m.k；在20℃环境下，此电池单体1C恒流放电工况下热耗为1.5w；
② 电池Pack外壳及固定电池的支架为SPCC钢，其导热率为48w/m.k；
③ 电池串并联之间的连接体为铜排，材料为Cu-pure；
④ 风机的P-Q曲线如右表，后续在风机模型中直接输入。
图16 电池模型及风机P-Q值
2、选择顶壳plate，向下移动1.5mm（实体顶壳的厚度），使得顶壳可以与电池极柱相贴；使用边对齐命令，将前后、左右壳体的顶边与顶壳的边对齐；
3、新建一种材料，命名为SPCC，其导热率48w/m.k；并选择所有的Plate壳单元模型，点击编辑按钮，在属性中选择contact resistance，输入厚度1.5mm，选择SPCC材料；对底壳实体模型输入SPCC材料；对所有的固定支架输入SPCC材料；
图17 新建SPCC材料
4、使用移动命令将风机与后壳接触（或者使用面对齐命令）；打开风机编辑窗口，选择Fan type为Internal，保持Flow direction为Positive方向，在fan flow中选择Non-linear，并输入风机本身的P-Q曲线；打开开口Opening的属性面板，去除所有的勾选
图18 风机P-Q曲线输入及参数设置
5、新建材料DC，其导热率各向异性，本算例中，X方向为电池的厚度方向、Y/Z为高度及宽度方向；选择所有的电池模型，打开多体编辑面板，选择DC材料，输入热耗1.5w；
选择所有的负极极柱及集流板，对其输入材料纯铜；不修改正极材料、lianjiezhu模型的材料属性，默认为铝；对电池串并联的铜排输入纯铜材料。
图19 电池材料设置
6、双击Cabinet，打开计算区域编辑窗口，修改各个方向的数值，均向外扩大100mm；
并在其属性中，修改Default为Openging。
图20 Cabinet参数设置
7、右键选择Model—Sort—Meshing priority，然后选择模型树下所有的铜排连接模型（名称为lianjie），然后向上移动，确保其优先级低于正极级柱、负极极柱；同样，选择所有的lianjiezhu模型，向下移动，确保其优先级高于固定支架gudingzhijia模型。
图21 模型优先级调整
五、Icepak热模型的网格划分
1、选择模型树下所有器件（除了计算区域Cabinet及Cabinet设置的开口），点击右键—Create assembly，双击建立的Assembly，在其属性区域中输入Slack数值为10mm，其他保持默认设置；
图22 Assembly建立（1）
2、点击Shift+鼠标左键，框选下图相应区域中的器件（包含lianjie铜排、正负极柱及集流板等），点击右键—Create assembly，双击建立的Assembly，在其属性区域中输入Slack数值为2mm，其他保持默认设置，对Pack电池包上部空间中包含的小尺寸器件建立非连续性网格；同理，对Pack电池包下部空间区域进行框选，点击右键—Create assembly，对其输入Slack数值2mm，其他保持默认设置，完成非连续性网格的建立。
图23 Assembly建立（2）
3、打开划分网格面板，按照下图进行参数设置，点击Generate，对热模型进行网格划分；网格总数为3024008，Message窗口显示网格质量0.0508637；点击Dispaly，对各个器件的面网格、体网格以及切面网格进行检查，发现固定支架梯形的几何网格不贴体，必须对其进行Local加密，务必确保网格能够贴体热模型。
图24 网格划分设置
4、在模型树下选择需要加密的几何体（梯形固定架），点击右键，选择Edit mesh parameters，在调出的面板中输入Side1 Count、Side2 Count、Side3 Count、Side4 Count数值为12，表示这4个边上划分12个网格，然后在网格划分面板中点击Local，Generate划分网格；或者直接打开网格划分面板，点击Local，然后选择梯形几何，输入相应的数值，点击Done，然后点击Generate划分网格。（对梯形做好命名，则很容易选择）
图25 网格加密设置
5、网格总数为3344452，点击Display，选择梯形几何，其网格可以保持梯形原有的形状；点击Quality，网格质量对齐率为0.177983—1，网格质量明显提高；
图26 网格质量查看
六、Icepak热模型的求解计算
点击Basic parameters，选择辐射模型，选择流态为湍流，勾选自然冷却重力方向，其他保持默认设置；点击Basic settings，设置迭代步数；打开Parallel settings，设置多核并行计算；模型树下选择某个电池体，拖动至Points下，设置温度监控点，同样设置速度监控点；然后点击求解计算按钮，进行求解计算，直至计算收敛。
图27 求解计算设置
七、Icepak热模型的后处理显示
1、点击Object face，可以显示多个或单个几何体的温度分布；
图28 几何体温度分布云图
2、点击Plane cut，可以显示切面的温度和速度分布；（明显的气流短路现象）
图29 切面温度、速度分布云图
3、点击Object face，可以显示电池包Pack内部的气流迹线图；点击Report—Fan operating points，可以显示风机的工作点。
图30 电池包内部气流迹线图
4、在视图区域中框选电池体，然后在模型树下点击右键，打开Summary report面板，可以统计被选择电池包的最大温度、最小温度及平均温度等等。
图31 电池包模型温度统计设置
5、电池包的温度定量统计表
图32 电池包温度定量统计
八、Icepak热模型的优化方向
通过前面的计算，可以发现，电池包Pack内存在气流短路现象，不利于散热；可以通过修改电池包的外壳或者在电池包内增加导风板，以消除气流短路现象；相应的措施如下图所示。（也可以在进风腔体区域内设置导流板，以消除涡流区域，降低系统的阻力，如右图中的红色标记线）优化计算后，可以发现电池包的最高温度有所降低，降低了约3℃。
图33 导流板设置
图34 优化设计模型温度云图
九、总结
本案例主要介绍了使用SCDM对某风冷电池包CAD模型进行修复处理、讲解了CAD模型导入Icepak、Icepak热模型的修复、Icepak热模型的网格划分过程及修复、求解计算的设置、后处理显示等整个电池包Pack的热流仿真计算过程，并提出了整包热流优化的方向。
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