电池单体及电池包热管理

电池单体及电池包热管理

新能源汽车电池是新能源汽车的三大核心技术之一，被誉为新能源汽车的心脏。按照电池的工作性质和贮存方式，可以划分为两大类：蓄电池和燃料电池。

蓄电池，又称为二次电池，即可充电电池，如铅酸蓄电池、镍基电池、锂电池、空气电池等；燃料电池，即活性材料在电池工作时才连续不断地从外部加入电池，如氢氧燃料电池、质子交换膜燃料电池、固体氧化物燃料电池等。

新能源汽车电池领域的应用案例

锂离子电池仿真

ANSYS Fluent的电池模块可以自动探测电池连接模式（串/并联），流动、热和电化学完全耦合在一起进行计算，具有非常好的计算精度和稳健性。该模块内置三个电化学模型，既有基于经验的模型又有基于物理的模型，而且支持用户使用UDF自定义电化学模型。

ANSYS Fluent的电池模块

ANSYS公司在美国能源部的计算机辅助工程用于电动车电池设计（CAEBAT）项目中，联合通用汽车、国家可再生能源实验室、ESim，共同开发、测试、验证、完善了该电池模块。

对于具有复杂串、并联结构的电池模组，可以仿真在复杂充放电循环工况下的瞬态放热特性。

具有复杂串、并联结构的电池模组

电芯的结构

电芯表面温度分布

通用汽车圆柱型锂离子电池包结构

电池包内的流线及电芯表面的温度分布

燃料电池仿真

ANSYS Fluent的燃料电池模块能模拟质子交换膜燃料电池、固体氧化物燃料电池以及电解过程，该模块自带UDF来模拟电池内的电化学反应、电荷运输、气体扩散、水的运输、能量传递等，用户也可以根据自己的需要，通过UDF来修改其中的模型。

ANSYS Fluent的燃料电池模块

某用户使用ANSYS Fluent的燃料电池模块，仿真了一个质子交换膜燃料电池，对PEMFC内的温度、压力、浓度进行考察。

左：模型网格；右：氢气的质量分数分布

左：气体的速度分布；右：电池的温度分布

福特汽车和德尔福联合进行电池包热管理的分析

福特汽车和德尔福合作进行了电池包的热管理仿真，优化了电池包内的气流通道，提升了电池单体的温度均匀性。

左：电池包的正视图；右：截面速度云图

电池包内的气流组织及温度分布云图

电池包抗冲击及可靠性

电池包是各种电动车辆的主要能量载体和动力来源，也是电动车辆整车成本的主要组成部分，其寿命直接影响电动车辆的使用。作为电动汽车能量供给的关键设备，电池包的结构设计应尽可能高效和轻便，并在保证存放空间合理布局的基础上，满足多变运行环境和行驶工况下的机械承受、工作安全性、可靠性及使用寿命要求。

CAE分析中，针对电池组常见的分析类型有：自重分析（评估电池包在自重载荷下，自身及连接结构的可靠性）、模态分析（确定电池包结构的固有频率，可以在设计时避开

这些频率或者最大限度地减少对这些频率上的激励，从而消除过度振动和噪声）、随机振动分析（评估电池包在复杂路况载荷下的有效性）、冲击及跌落分析（评估结构受冲击载荷下的动力性能）等。

ANSYS 模拟结果：电池包自重分析结构应力分布（参照标准SAE J2380）

电池包振动分析预应力一阶频率，ANSYS分析结果：z方向变形及1sigma 应力分布（参照标准SAE J2380）

电池包跌落测试（参照标准SAE J2464）