基于Fluent动力电池热管理及热流场仿真分析攻略（附详细教程）

导读：电动汽车的自燃事故相信已经是深入人心了，而自燃事故之所以会发生，原因不仅在于漏电或者短路这种电路上的问题，车上控制器的热管理策略和热管理回路设计都直接影响电动汽车的安全性。

自燃的部分原因是过度发热没有得到及时的冷却，那同时也还有一些其它场景的需求，是环境太冷而得不到及时的加热，比如电池低温预热和座舱加热。本文将从电池在不同的温度工况下热管理分析。

一、写在前面

该电池包采用的冷却方式为箱体底部集成液冷系统，将所有液冷板放置于电池模组下部，通过导热硅胶进行热传导。模组内部结构复杂，为了提高计算效率，不考虑电池内部结构，假设电池内部材料物理属性相同，在相同方向上导热系数相同。

3D前处理模型

网格模型

二、仿真工况要求

• 模组常温自然散热工作，电芯1c放电，发热量参考下表，环境温度25℃，初始温度*℃。

• 高温高速行车工况，模拟夏天高速行车恶劣情况，进口的温度设置为*，进口流量* ，电芯1c放电，发热量参考下表，环境温度40℃，初始温度40℃。

• 常温行车工况，模拟常温高速行车情况，初始温度25℃，环境温度25℃，当ntc监测Tmax≥*℃，开启液冷，开启后，如果温度降到ntc监测Tmin≤*℃，关闭液冷，进口流量 *，温度25℃，电芯1c放电，发热量参考下表。

• 低温液热加热 快充工况，模拟冬天液热系统边加热边充电的使用情况，进口的温度设置为35℃，流量为*，环境温度-20℃，初始温度-20℃，箱体外对流换热系数*，加热到ntc监测Tmin≥*℃，关闭加热，电芯1C充电，发热量参考下表。

• 低温加热膜加热 快充工况，模拟冬天加热膜系统边加热边充电的使用情况，环境温度-20℃，初始温度-20℃，加热到ntc监测最低温度*需要的时间，加热膜的功率密度*和*W/CM2

• 常温风冷散热，模拟风冷电池包常温情况下的散热情况，风扇流量*，进口温度*℃，环境温度25℃, 开启1C充电，发热量参考下表。

• 低温保温，模拟冬天停车后再启动电池的温度情况，环境温度-20℃，初始温度*℃。保温*小时，cell温度大于*℃。

三、仿真设置

1、在Model中选择计算所需要的物理模型，本算咧需要打开能量模型和湍流模型。

2、材料设置主要包括材料的名称、种类、物性参数等，可以调用Fluent默认材料库中的材料和外部材料文件，也可新建材料，并且可以导出材料库。对体进行材料选择，依据所选的物理模型还可以定义体为源项等其他参数，对不同的体赋予材料时，复 制命令非常实用，特别适合区域数量较多的情况，同类区域可以互相复 制，省去了很多重复性操作。

材料设置界面

3、对模型进行边界条件设置，选择边界类型，根据所选的物理模型，分别设置不同模型对应的边界参数， 本算咧进口流量为15g/s，进口温度25℃，  

边界条件设置

4、在电芯和的导热垫间设置接触热阻，热阻为10e-3(m·k）/w，电芯的大面和侧面导热面积较大且位于关键的导热路径下，用shell单元代替其薄壁件，最后需要在箱体外面设置对流换热系数。不同的工况，对流换热系数也不同。

5、对求解器进行设置，通常Fluent的默认选项对大部分算例都适用，只是可能并非最佳选择，本算例采用Coupled算法。

6、监测曲线:仿真计算时，对于仿真过程中的重要的参数，需要设置监测，一方面可以在仿真的过程中判断收敛行，同时也为后处理提供大量的仿真数据。如下设置NTC温度的监测曲线。

求解前需要进行初始化,。设置求解保存、步骤和停止条件等

四、结果评估

常温工况是指在春秋25℃情况下，电池初期未达到开启冷却系统的温度条件，当电芯持续放热，最高温度的达到38℃时，开启液冷系统，冷却液进口温度设置为25℃，当温度降到30℃以下时，关闭液冷系统。

如下图为电芯导电排NTC处的温度变化曲线下图，初始温度为25℃，在全程3600s放电过程中主要分为两个阶段，在0-2905s，没有开启液冷系统，2905-3600s开启液冷系统，从图中可以看出，开始液冷时候并不是电芯温度最高的时候，主要是由于热惯性和电芯本身热阻较大，导致位于电芯最上面温度在开始液冷系统后温度继续上升。在放电末端电芯温度出现抖动现象，从电芯的发热量可以发现，在放电末端发热量较大且波动较大，导致电芯也出现类似的温度波动情况。

如下图为电芯温度云图，在未开启液冷时，整个电芯温度分不呈现中间高，两端低，主要由热累计导致的。在开始液冷系统后，整个电芯温度为进口侧温度低于出口侧温度，主要由于冷却液冷却进口出口冷却效率不一致导致的，从温差曲线也可看出，第一阶段温差较小，开启液冷后，温差增大，整个过程，温差低于5℃。

下图为液冷系统压力和速度云图，系统压降1503pa，流道内部压力变化均匀，压力突变主要在进出口，如优化流阻，可优化进出口。

流道内部主要流速0.2m/s，内部速度较小，流道可进一步优化，如减小流道解密，提高流速，提高冷却效果。

五、我的精品课

以上就是笔者基于Fluent动力电池热管理及热流场仿真分析部分分析，它也是我近期独家发布在仿真秀官网精品课《动力电池热管理及热流场仿真分析案例分析-基于Fluent热管理仿真33讲》，目前已经更新完结，后续提供直播加餐，并为订阅用户提供90天答疑专栏和VIP群服务，以下是我的课程大纲。

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