一条通往合格动力电池热管理仿真和设计工程师之路

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作者 |LEVEL 仿真秀专栏作者

一、 电池热管理概述

电池热管理系统(BTMS)，是用来确保电池系统工作在适宜温度范围内的一套管理系统，主要由电池箱、传热介质、监测设备等部件构成。

温度对动力电池整体有非常显著的影响，一般要综合考虑温度对电池性能、寿命和安全的影响，电池热管理系统需要维持电池处于最优工作范围，获得性能和寿命的最佳平衡。

电池热管理系统有如下几项主要功能

(1)电池温度的准确测量和监控(2)电池组温度过高时的有效散热和冷却；(3)低温条件下的快速加热，使电池组能够正常工作；(4)有害气体产生时的有效通风；

(5)保证电池组温度场的均匀分布

电动电池作为电动汽车的唯一动力来源，是影响电动汽车性能的重要指标，电池必须满足性能要求才可以保证正常的行驶。

二、 电池热管理工程师的工作内容

1、协同进行电芯或模组的选型、热管理性能评估及设计目标确认

• 评估电芯模组的高低温性能_容量衰减、能量衰减、循环寿命、发热特性等；
• 明确电池热管理系统的设计目标_最高温度、最低温度、电芯温差、电池保温性能、升温速率等；

2、电池热管理系统设计一水冷电池包为例

• 电池冷板设计一流道设计、流程设计、内部结构设计等；
• 保温(外部保温)，导热(导热垫)和其他散热结构设计；

3、电池热管理系统控制策略设计温度计算、热行为识别算法

• 电池冷板水温流量需求、充放电倍率边界等；

4、试验策划实施—电芯台架试验、整包台架试验、整车标定试验

三、 电池热管理工程师需要掌握的技能

技能工具的使用：

• 3D建模工具— catia，UG， Solidworks
• CFD仿真工具—star-ccm+、 fluent、ansa、 hypermesh
• 1D仿真工具— Flowmaster、KULI、GT- SUITE
• 报文采集及曲线分析 canalyzer， contest
• 开发标定工具—C语言， Matlab，INCA等

四、 电池热管理工程师的职业发展前景

1、普通工程师

• 工作1~3年，参与1~2款电池包热管设计；
• 熟练掌握相关设计工具、仿真软件和试验方法；熟悉电池性能和成组要求；

2、资深工程师

• 工作3~5年，主持5款以上电池包热管设计
• 能独立负责供应商管理交流、负责SOR发放、制定相关试验标准；对行业新的技术发展方向有一定了解

3、专家工程师

• 工作5~10年，参与3款以上电池包热管设计
• 可以独立负责方案制定、性能定义，解决复杂技术问题；对行业型的技术发展方向有深入了解。

五、 动力电池热管理仿真和设计

如上，你是属于那类热管理工程师呢？热管理工程师的基本工作基本分为两大块，一块是热管理仿真工作，另外是热管理设计工作。热管理仿真工作，常用star-ccm+、 fluent作为仿真的工具，但是在利用仿真软件在划分网格时，效率比较低。如利用star-ccm+划分网格时容易出现穿刺面，处理比较麻烦，这时可以利用ANSA或者hypermesh进行网格前处理。在模型的简化时可以利用ANSYS-SCDM对三维模型进行简化再进行网格前处理。见下文网格和仿真温度云图。下面简单讲解一下仿真流程：电池热管理CFD分析，采用流-固耦合分析方法。

1、几何模型简化

几何模型简化是否合理直接影响到计算量大小以及模型计算精度，具体模型简化复杂程度，需根据分析目的、 热管理方案、计算资源、任务周期等综合考虑。

一般简化规则为：根据分析目的，尽可能保留对传热影响较大的零部件和特征，忽略对传热影响较小的零部件和特征。总结以下几点供参考:

• 对自然冷却电池电池包，需考虑空气传热影响，保留箱体、电池模组结构等；
• 去掉螺栓、连接件、线束等对传热影响较小的零部件；
• 对圆角、螺栓孔等细节特征进行简化处理；
• 对于完全对称模型可考虑对称建模；
• 去掉固定连接组件、底部泡棉支撑等对传热影响较小部件，
• 去掉水冷板内部对体网格质量影响较大的尖角、圆弧面等细节特征。

2、网格模型建模

Hypermesh或者ANSA中对模型划分面网格，网格需尽可能保持简化模型的所有特征合理选择网格划分方法，如有圆弧面的特征可通过surface deviation控制保持圆弧面曲率；合理设置网格尺寸大小，保持网格质量同时尽量减小网格数量；面网格生成完成后检查网格质量，重点检查最小网格尺寸，避免有<0.2mm等非正常网格特征；

面网格重构：合理设置网格尺寸，可局部控制部分细节特征，保证重新生成面网格质量合格，网格数合理；生成体网格：设置流体边界层，可选择切割体网格或多面体网格两种网格生成方式；一般几何规则模型可考虑选择切割体网格，几何复杂，曲面较多的模型选择多面体网格。

3、热模型建立流场分析：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：…… 

充电工况分析：……

热管理设计工作：……

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