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電動汽車電池包熱仿真Step by Step教程

2018-12-04 20:29:25·  來源：仿真秀 （ID:fangzhenxiu2018）  作者：王永康  
　
導(dǎo)讀本案例主要是對某電動包Pack進(jìn)行整包的熱仿真計算。詳細(xì)講解了電池包CAD模型的修復(fù)處理、CAD模型導(dǎo)入Icepak、Icepak熱模型的修復(fù)、Icepak熱模型的網(wǎng)格劃分過
導(dǎo)讀
本案例主要是對某電動包Pack進(jìn)行整包的熱仿真計算。詳細(xì)講解了電池包CAD模型的修復(fù)處理、CAD模型導(dǎo)入Icepak、Icepak熱模型的修復(fù)、Icepak熱模型的網(wǎng)格劃分過程及修復(fù)、求解計算的設(shè)置、直到最終后處理顯示，并提出熱流優(yōu)化的方向。通過Step by step進(jìn)行講解，用戶可學(xué)習(xí)到：
① SCDM修復(fù)此類電池包的技巧及規(guī)則
② SCDM如何將CAD模型導(dǎo)入Icepak
③ Icepak熱模型的網(wǎng)格劃分技巧
④ 熱模型求解計算的設(shè)置
⑤ Icepak后處理結(jié)果顯示
⑥ 要求SCDM版本為18.1以上
一、問題描述
對電動汽車而言，電池Pack的熱控（降溫、加熱）非常關(guān)鍵。本算例的電池包模型主要包括Pack外殼、多個電池模塊、電池模塊固定架、出風(fēng)口及三個軸流風(fēng)機(jī)；對于此類機(jī)箱熱模擬而言，需要輸入風(fēng)機(jī)本身的P-Q曲線，設(shè)置電池包各個部件的材料屬性（尤其是導(dǎo)熱率）和熱耗；在計算強(qiáng)迫風(fēng)冷的同時，考慮電池包外部空氣區(qū)域與外殼的自然對流及輻射換熱計算。
圖1 電池包散熱案例
二、CAD模型的修復(fù)
1、使用SCDM打開電池包模型，在模型樹下選擇所有名稱為luosi的器件，點(diǎn)擊右鍵，刪除這些幾何體；
圖2 打開電池包CAD模型
2、使用SCDM的分割主體命令，選擇Pack底殼的內(nèi)表面，將底殼與其他5個側(cè)面分開；
其他5個側(cè)面比較薄，將使用殼單元建立熱模型，而底殼使用實體模型；
圖3 分割電池包外殼
3、選擇SCDM主菜單欄Workbench下的開口命令，然后鼠標(biāo)選擇殼體左右兩側(cè)、后側(cè)（安裝風(fēng)機(jī)一側(cè)）的外表面；SCDM自動生成開口Opening模型；
圖4 生成開口
4、使用Workbench下的仿真簡化命令，在類型中選擇級別0，然后將殼體轉(zhuǎn)化成方塊；
然后選擇方塊的某個面，點(diǎn)擊右鍵—復(fù)制—粘貼；依次對其他4個面進(jìn)行類似操作，建立機(jī)殼的殼單元（開口Opening與殼單元接觸，會自動將殼單元打穿）；然后刪除轉(zhuǎn)化后的方塊Block模型；
圖5 簡化外殼
5、點(diǎn)擊WB菜單下的識別對象，SCDM將認(rèn)可的模型（殼單元，長方體，圓柱體）轉(zhuǎn)換為Icepak熱模型；點(diǎn)擊顯示—非仿真主體，查看未轉(zhuǎn)換的幾何體；點(diǎn)擊風(fēng)扇命令，然后鼠標(biāo)左鍵選擇風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口半徑和Hub半徑，完成風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)換；依次對其他2個風(fēng)機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)化；
再次點(diǎn)擊顯示—非仿真主體；
圖6 轉(zhuǎn)化風(fēng)機(jī)
6、選擇一個固定架，點(diǎn)擊右鍵—隱藏其他；選擇支架上的安裝孔，點(diǎn)擊左側(cè)選擇面板，然后點(diǎn)擊孔等于或小于4.25mm，單擊填充命令，支架上的孔洞消失；
圖7 填充支架孔洞
使用分割主體命令，將支架兩頭的梯形凸臺結(jié)構(gòu)與支架分開（盡可能使得模型變成規(guī)則的幾何形狀，以利用劃分網(wǎng)格）
圖8 分割支架凸臺
7、調(diào)整視角，如下圖所示，單擊分割主體命令，使用下圖中橙色的面，對固定架進(jìn)行切割；然后使用WB下的仿真簡化—級別0，將下圖中橙色的幾何體轉(zhuǎn)化成長方體Block；轉(zhuǎn)化后的長方體與電池單體干涉，在熱仿真模型中，只需保證電池體優(yōu)先級高于固體支架即可。
圖9 分割簡化支架（1）
8、選擇下圖中橙色的表面及其正對的面（與其平行，視圖區(qū)域未顯示），單擊分割主體命令，SCDM會將鏤空結(jié)構(gòu)的固定支架切割成多個長方體（使用WB—仿真簡化—級別1也可以自動切割、轉(zhuǎn)換）；點(diǎn)擊WB下的識別對象，這些規(guī)則幾何體自動轉(zhuǎn)換為Icepak熱模型；對其他3個固定支架執(zhí)行第6）—第8）相同的操作；
 
圖10 分割簡化支架（2）
9、單獨(dú)顯示一個電池單體；使用鼠標(biāo)框選下圖中標(biāo)注的螺母、凸臺特征，然后點(diǎn)擊填充命令，SCDM自動刪除這些幾何特征（本算例假定螺母緊密，忽略其導(dǎo)致的接觸電阻及熱損耗）；保留電池體、正極極柱及集流板（綠色部分）、負(fù)極極柱及集流板（粉色部分）；使用WB—仿真簡化—級別1對電池體進(jìn)行自動切割、模型轉(zhuǎn)化，使其變成Icepak熱模型（由于原始CAD電池體將極耳、電池體、集流板，所以必須對其進(jìn)行切割轉(zhuǎn)化，使其分開）；對其他所有電池體進(jìn)行類似命令的操作；
圖11 分割簡化電池電極
10、按照下圖所示的電流方向及單個電池正負(fù)極的標(biāo)注示例，對模型樹下所有電池的正極極柱及集流板、負(fù)極極柱及集流板進(jìn)行重命名；
圖12 重命名電池電極、集流板
11、點(diǎn)擊顯示—非仿真主體，查看未轉(zhuǎn)換的幾何體；單擊WB—仿真簡化—級別1，選項中務(wù)必勾選允許分割，然后框選所有的銅排（用于電池并聯(lián)、串聯(lián)），自動轉(zhuǎn)換為多個長方體；完成CAD模型的修復(fù)、轉(zhuǎn)化；
圖13 簡化銅排
12、勾選顯示模型樹下所有器件，并對部分模型（SCDM生成的新模型，名稱為中文字符）重新進(jìn)行命名；點(diǎn)擊保存；
圖14 顯示所有器件
三、CAD模型的導(dǎo)出
點(diǎn)擊File—另存為，在相應(yīng)項目目錄下建立新文件夾，并命名（dianchiThermal），打開此文件夾；在保存類型中選擇Icepak項目（*.icepakmodel)，然后點(diǎn)擊保存，完成Icepak熱模型的輸出；可以單獨(dú)啟動Icepak，直接打開dianchiThermal項目。
圖15 導(dǎo)出CAD模型
四、 Icepak熱模型的修復(fù)
假定讀者熟悉Icepak軟件的相應(yīng)命令，部分操作不再進(jìn)行截圖顯示。
1、各部件材料及熱耗說明：
① 電池正極極柱、集流板材料為鋁（導(dǎo)熱率205w/m.k），負(fù)極極柱、集流板材料為Cu-pure；電池體導(dǎo)熱率各向異性，其中X方向1.5w/m.k，而Y\Z方向?qū)崧?0w/m.k；在20℃環(huán)境下，此電池單體1C恒流放電工況下熱耗為1.5w；
② 電池Pack外殼及固定電池的支架為SPCC鋼，其導(dǎo)熱率為48w/m.k；
③ 電池串并聯(lián)之間的連接體為銅排，材料為Cu-pure；
④ 風(fēng)機(jī)的P-Q曲線如右表，后續(xù)在風(fēng)機(jī)模型中直接輸入。
圖16 電池模型及風(fēng)機(jī)P-Q值
2、選擇頂殼plate，向下移動1.5mm（實體頂殼的厚度），使得頂殼可以與電池極柱相貼；使用邊對齊命令，將前后、左右殼體的頂邊與頂殼的邊對齊；
3、新建一種材料，命名為SPCC，其導(dǎo)熱率48w/m.k；并選擇所有的Plate殼單元模型，點(diǎn)擊編輯按鈕，在屬性中選擇contact resistance，輸入厚度1.5mm，選擇SPCC材料；對底殼實體模型輸入SPCC材料；對所有的固定支架輸入SPCC材料；
圖17 新建SPCC材料
4、使用移動命令將風(fēng)機(jī)與后殼接觸（或者使用面對齊命令）；打開風(fēng)機(jī)編輯窗口，選擇Fan type為Internal，保持Flow direction為Positive方向，在fan flow中選擇Non-linear，并輸入風(fēng)機(jī)本身的P-Q曲線；打開開口Opening的屬性面板，去除所有的勾選
圖18 風(fēng)機(jī)P-Q曲線輸入及參數(shù)設(shè)置
5、新建材料DC，其導(dǎo)熱率各向異性，本算例中，X方向為電池的厚度方向、Y/Z為高度及寬度方向；選擇所有的電池模型，打開多體編輯面板，選擇DC材料，輸入熱耗1.5w；
選擇所有的負(fù)極極柱及集流板，對其輸入材料純銅；不修改正極材料、lianjiezhu模型的材料屬性，默認(rèn)為鋁；對電池串并聯(lián)的銅排輸入純銅材料。
圖19 電池材料設(shè)置
6、雙擊Cabinet，打開計算區(qū)域編輯窗口，修改各個方向的數(shù)值，均向外擴(kuò)大100mm；
并在其屬性中，修改Default為Openging。
圖20 Cabinet參數(shù)設(shè)置
7、右鍵選擇Model—Sort—Meshing priority，然后選擇模型樹下所有的銅排連接模型（名稱為lianjie），然后向上移動，確保其優(yōu)先級低于正極級柱、負(fù)極極柱；同樣，選擇所有的lianjiezhu模型，向下移動，確保其優(yōu)先級高于固定支架gudingzhijia模型。
圖21 模型優(yōu)先級調(diào)整
五、Icepak熱模型的網(wǎng)格劃分
1、選擇模型樹下所有器件（除了計算區(qū)域Cabinet及Cabinet設(shè)置的開口），點(diǎn)擊右鍵—Create assembly，雙擊建立的Assembly，在其屬性區(qū)域中輸入Slack數(shù)值為10mm，其他保持默認(rèn)設(shè)置；
圖22 Assembly建立（1）
2、點(diǎn)擊Shift+鼠標(biāo)左鍵，框選下圖相應(yīng)區(qū)域中的器件（包含lianjie銅排、正負(fù)極柱及集流板等），點(diǎn)擊右鍵—Create assembly，雙擊建立的Assembly，在其屬性區(qū)域中輸入Slack數(shù)值為2mm，其他保持默認(rèn)設(shè)置，對Pack電池包上部空間中包含的小尺寸器件建立非連續(xù)性網(wǎng)格；同理，對Pack電池包下部空間區(qū)域進(jìn)行框選，點(diǎn)擊右鍵—Create assembly，對其輸入Slack數(shù)值2mm，其他保持默認(rèn)設(shè)置，完成非連續(xù)性網(wǎng)格的建立。
圖23 Assembly建立（2）
3、打開劃分網(wǎng)格面板，按照下圖進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，點(diǎn)擊Generate，對熱模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分；網(wǎng)格總數(shù)為3024008，Message窗口顯示網(wǎng)格質(zhì)量0.0508637；點(diǎn)擊Dispaly，對各個器件的面網(wǎng)格、體網(wǎng)格以及切面網(wǎng)格進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)固定支架梯形的幾何網(wǎng)格不貼體，必須對其進(jìn)行Local加密，務(wù)必確保網(wǎng)格能夠貼體熱模型。
圖24 網(wǎng)格劃分設(shè)置
4、在模型樹下選擇需要加密的幾何體（梯形固定架），點(diǎn)擊右鍵，選擇Edit mesh parameters，在調(diào)出的面板中輸入Side1 Count、Side2 Count、Side3 Count、Side4 Count數(shù)值為12，表示這4個邊上劃分12個網(wǎng)格，然后在網(wǎng)格劃分面板中點(diǎn)擊Local，Generate劃分網(wǎng)格；或者直接打開網(wǎng)格劃分面板，點(diǎn)擊Local，然后選擇梯形幾何，輸入相應(yīng)的數(shù)值，點(diǎn)擊Done，然后點(diǎn)擊Generate劃分網(wǎng)格。（對梯形做好命名，則很容易選擇）
圖25 網(wǎng)格加密設(shè)置
5、網(wǎng)格總數(shù)為3344452，點(diǎn)擊Display，選擇梯形幾何，其網(wǎng)格可以保持梯形原有的形狀；點(diǎn)擊Quality，網(wǎng)格質(zhì)量對齊率為0.177983—1，網(wǎng)格質(zhì)量明顯提高；
圖26 網(wǎng)格質(zhì)量查看
六、Icepak熱模型的求解計算
點(diǎn)擊Basic parameters，選擇輻射模型，選擇流態(tài)為湍流，勾選自然冷卻重力方向，其他保持默認(rèn)設(shè)置；點(diǎn)擊Basic settings，設(shè)置迭代步數(shù)；打開Parallel settings，設(shè)置多核并行計算；模型樹下選擇某個電池體，拖動至Points下，設(shè)置溫度監(jiān)控點(diǎn)，同樣設(shè)置速度監(jiān)控點(diǎn)；然后點(diǎn)擊求解計算按鈕，進(jìn)行求解計算，直至計算收斂。
圖27 求解計算設(shè)置
七、Icepak熱模型的后處理顯示
1、點(diǎn)擊Object face，可以顯示多個或單個幾何體的溫度分布；
圖28 幾何體溫度分布云圖
2、點(diǎn)擊Plane cut，可以顯示切面的溫度和速度分布；（明顯的氣流短路現(xiàn)象）
圖29 切面溫度、速度分布云圖
3、點(diǎn)擊Object face，可以顯示電池包Pack內(nèi)部的氣流跡線圖；點(diǎn)擊Report—Fan operating points，可以顯示風(fēng)機(jī)的工作點(diǎn)。
圖30 電池包內(nèi)部氣流跡線圖
4、在視圖區(qū)域中框選電池體，然后在模型樹下點(diǎn)擊右鍵，打開Summary report面板，可以統(tǒng)計被選擇電池包的最大溫度、最小溫度及平均溫度等等。
圖31 電池包模型溫度統(tǒng)計設(shè)置
5、電池包的溫度定量統(tǒng)計表
圖32 電池包溫度定量統(tǒng)計
八、Icepak熱模型的優(yōu)化方向
通過前面的計算，可以發(fā)現(xiàn)，電池包Pack內(nèi)存在氣流短路現(xiàn)象，不利于散熱；可以通過修改電池包的外殼或者在電池包內(nèi)增加導(dǎo)風(fēng)板，以消除氣流短路現(xiàn)象；相應(yīng)的措施如下圖所示。（也可以在進(jìn)風(fēng)腔體區(qū)域內(nèi)設(shè)置導(dǎo)流板，以消除渦流區(qū)域，降低系統(tǒng)的阻力，如右圖中的紅色標(biāo)記線）優(yōu)化計算后，可以發(fā)現(xiàn)電池包的最高溫度有所降低，降低了約3℃。
 圖33 導(dǎo)流板設(shè)置
圖34 優(yōu)化設(shè)計模型溫度云圖
 
九、總結(jié)
本案例主要介紹了使用SCDM對某風(fēng)冷電池包CAD模型進(jìn)行修復(fù)處理、講解了CAD模型導(dǎo)入Icepak、Icepak熱模型的修復(fù)、Icepak熱模型的網(wǎng)格劃分過程及修復(fù)、求解計算的設(shè)置、后處理顯示等整個電池包Pack的熱流仿真計算過程，并提出了整包熱流優(yōu)化的方向。 
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