挑战

热管理在电池模块中至关重要，以确保最佳性能、使用寿命和安全性。当这些模块运行时，它们会产生热量，如果管理不当，可能会导致过热和潜在故障。

有效的热管理有助于将电池单元保持在安全温度范围内，防止热失控，提高效率并延长电池的使用寿命。

由于电池系统的复杂性，电池模块的计算流体动力学 （CFD） 建模提出了几个重大挑战。这些挑战源于需要准确模拟电池运行过程中发生的各种物理现象。一些主要挑战包括传热的精确建模和热热点的识别，这对设计安全系统至关重要。

当电池模块在机架/机柜中堆叠在一起时，挑战会进一步加剧。模块的仿真可以包含许多网格单元。当模块 堆叠到getEther 在 RACK 中，RACK 仿真将包含模块网格数的倍数加上模块周围机架域的网格数。高网格数可能会给硬件内存和仿真求解时间带来挑战。

工程解决方案

CFD（计算流体动力学）仿真为电池模块的热管理提供了显著的优势。它允许工程师可视化和分析电池模块和机架/机柜内的热量分布和流体流动，而无需物理原型。

此处显示的工程解决方案是使用 two 平台方法对机架/机柜进行 CFD 仿真。首先，在一个模块/机箱上执行 Fluent CFD 仿真。来自外表面的热通量存储在配置文件中。其次，在外壳为空的机架上执行 Fluent CFD 仿真，以及读取并应用于外壳表面的第 1 阶段的热通量。
此处显示的模型适用于稳态热/气流条件。它们包括一个机箱中的示例模块以及一个具有 7 个机箱的机架。

为具有多个模块/外壳的电池机架/机柜设置两阶段 CFD 仿真的分步指南

为电池模块/外壳设置 CFD 仿真涉及几个关键步骤：

• 创建电池模块/外壳的详细 3D 网格模型，包括所有相关组件、物理模型、材料和边界条件。
• 运行模块/外壳仿真，然后写出外墙面上的热通量曲线。
• 为每个机架机箱生成热通量曲线的翻译副本。
• 创建机架/机柜的 3D 网格模型，包括多个空机柜，以及所有相关的机架组件、物理模型、材料和边界条件。
• 使用配置文件更新机架机柜墙壁边界条件。
   

第 1 阶段：设置模块/外壳仿真

1. 设置模块/机柜几何结构。最好具有水密几何图形。下面是一个示例模块，其中 10 个电池位于采用液体冷却的冷板上。使用 Fluent Meshing 生成具有适当网格大小的网格。
    

   

   
   
    

2. 设置 Fluent 案例。
   求解器 = 稳态;重力 = 关闭;SST k-omega 湍流
   电池模型 = 开;解决方法 = CHT 偶联;设置 A主动和被动导电区
   
    

   

   
   
    

3. 设置 Battery Model 参数，包括 Energy Source per Battery （每个电池的能量源）。
    

   

   
   
    
4. 为空气、冷却液、固体组件设置材料。
    
5. 为流体区和固体区设置单元区条件。
    

6. 设置冷却液入口和出口的边界条件。使用对流为外墙设置热边界条件。建议将此区域的前缀重命名为类似于 wx-*
   
    

   

   
    

7.  为总表面热通量的负值生成自定义场函数。
   
    

   

   
    

8. 运行模块/外壳仿真以达到收敛。确认结果是否合适。
    

   

   
   
    
9. 定义新配置文件。选择具有对流热边界条件（wx-* 前缀）的外壁。

   激活 Merge Profile Options 下的 “Write Merge Profiles”。选择 “neg_heat_flux” 作为值。
   
    

   

10. 在电子表格
     

    

    
    
    
    中打开.csv配置文件
11. 创建具有平移偏移的新配置文件（例如 deltaY = 0.2 米）。
     

    

    
    
     
12. 将各个配置文件复制到单独的工作表中，并将工作表另存为 .csv 文件。对所有配置文件重复上述步骤。
     

    

    
     

第 2 阶段：设置机架/机柜仿真

1. 设置带有图案电池模块/外壳的机架柜的几何形状。
   
   阵列模块/外壳子组件。
   
   不包括电池的内部组件，例如电池、极耳、母线和冷板。
   
   保留外壳外壳零部件，但使用标记为“void”的实体填充。（见下文）。

   
   包括机架/机柜组件，如面板、盖板、支架等。
   
   帽口以获得水的几何形状。
   
   建议将如下所示的子装配结构树用于零部件管理和截面分配。
   
    

   

   
    

2. 具有适当设置的网格几何体。如果使用建议的部件结构，则区域应如下所示：
    

   

   
    
3. 体积网格划分完成后，删除所有封闭区域。
    

   

   
   
    
4. 在 Fluent 中设置案例：

   求解器 = 稳态; 重力 = 打开; SST k-omega 湍流; 能量 = 开; 电池型号 = 关闭。

5. 设置空气和实心机架组件的材料。

6. 为流体区和固体区设置单元区条件。
    
7. 设置机架开口的边界条件。为外部机架壁设置对流热边界条件。
    
8. 读取每个配置文件（按顺序）并选择 neg_heat_flux 作为 FIelds
    

   

   
   
    
9. 使用刚才读取的截面设置箱体壁的边界条件。该轮廓需要应用于给定外壳的每个面区域。应使用 Copy 或 multiple select 来加快该过程。复制功能如下所示。
    

   

    

   

   
    
    
10. 运行仿真，进行简短的迭代，并验证热通量边界条件的应用。
     

    

    
    
     
11. 运行到收敛处并评估结果。例如，机柜表面的等值线图显示，由于机架式机箱内部的自然对流，机柜温度随海拔升高而升高。
     

    

Ansys 解决方案的优势

电池模块和机架式机柜的 CFD 仿真中一个常见的挑战是准确建模复杂的几何体，同时在计算和时间资源的限制下进行仿真。

在上面的示例中，一个模块/外壳的网格数为 3 万个单元。机架模型的网格数为 1 万。如果对 2 个模块/机柜进行详细建模，则机架模型将具有 7*7 + 3.1 = 2 万个元件。

上述程序可以扩展到瞬态分析，包括热滥用失控，方法是定期从模块/外壳写入配置文件，在电子表格中处理这些配置文件，并在机架/机柜仿真期间以相同的定期间隔读取这些配置文件。在这两种情况下，写入和读取都应通过日志文件完成，并应指定.csv文件类型。

使用 Ansys Fluent 进行流体流动仿真可以进一步用于被动和/或主动通风设计。利用 Ansys Mechanical 进行的结构仿真，进一步分析机架/机柜结构完整性。利用 Ansys OptiSLang 进行灵敏度仿真，进一步分析设计、操作和噪声参数。利用 Ansys TwinBuilder 的降阶模型仿真进行快速参数评估。