劉軍濤 CAE集中營

4月23日中國財(cái)政部、工業(yè)和信息化部、科技部、國家發(fā)展改革委聯(lián)合發(fā)文，將延長新能源汽車補(bǔ)貼期限，補(bǔ)貼政策實(shí)施期限延長至2022年底。毫無疑問新能源汽車的發(fā)展勢必將迎來井噴。

說起新能源汽車，就不得不說說動力電池PACK，動力電池PACK是新能源汽車的核心所在。而在這一領(lǐng)域中國可謂是行業(yè)老大一般的存在。早在2018年中國就已成為了全球最大的動力電池生產(chǎn)國，市場占有率達(dá)到了61.3%。

由于動力電池行業(yè)的特殊性，資本高度密集、技術(shù)高度密集，而且整車廠商一旦選擇供應(yīng)商，出于安全性考慮基本不會考慮更換供應(yīng)商。在這樣的背景之下，未來的的全球動力電池市場將走向寡頭化，也就是絕大多數(shù)業(yè)務(wù)被少數(shù)幾家企業(yè)瓜分。不難想象，未來全球的動力電池市場大概率將由中國主導(dǎo)。

巨大的市場潛力必然存在的巨大的商機(jī)，仿真技術(shù)就是一個明顯的缺口。動力電池PACK的安全性直接決定了新能源汽車的可靠性，即使是在技術(shù)如此成熟的今天，安全性依然是用戶選擇新能源汽車最大的擔(dān)憂。

而要保證動力電池PACK的安全性和壽命，有一個指標(biāo)至關(guān)重要，那就是溫度。新能源汽車之所以會出現(xiàn)自燃或事故起火，其根本原因就是電池PACK熱失控和熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)不當(dāng)或者熱管理系統(tǒng)失效。這使得高效的熱管理系統(tǒng)和如何有效評估熱管理的功能可靠性就成為了新能源電池PACK研發(fā)中的關(guān)鍵所在。而能解決這一關(guān)鍵問題的方法便是仿真技術(shù)。

2018國家強(qiáng)制性要求電動汽車主機(jī)廠三電系統(tǒng)供應(yīng)商配套液冷或者制冷熱管理系統(tǒng)，而目前各個廠商都在積極開發(fā)和探索自己的熱管理系統(tǒng)發(fā)展路線，熱管理人才會成為接下來的熱門急需人才被各大主機(jī)廠、電池廠、PACK廠及各類設(shè)備廠商青睞和尋求。

從2010年至今，筆者劉軍濤經(jīng)歷了國內(nèi)新年能源汽車電池系統(tǒng)熱管理從無到有的變化。見證并參與了熱管理應(yīng)用于新能源汽車從可有可無到逐漸重視到成為必須的全部過程。十年時間，從風(fēng)冷到液冷到液冷到直冷，技術(shù)路線沒有停止過討論，也沒有哪條技術(shù)路線完勝，只能適合自己的才是最好的。筆者列舉數(shù)例曾經(jīng)參與過的案例，起到拋磚引玉的作用。

A、電池系統(tǒng)的熱、流場及耦合分析

能夠使用ANSYS-WORKBENCH 平臺進(jìn)行電池系統(tǒng)的熱、流場及耦合分析，見下圖：

電池塊某次溫度場分析

B、電池箱系統(tǒng)前處理、NVH 分析、結(jié)構(gòu)分析、溫度場分析及耦合分析

使用HYPERWORKS 和ANSYS 協(xié)同作業(yè)，對電池箱系統(tǒng)進(jìn)行前處理、NVH 分析、結(jié)構(gòu)分析、溫度場分析。利用HYPERWORKS 強(qiáng)大的前處理能力和ANSYS 優(yōu)秀的多物理場仿真分析能力對電池箱進(jìn)行協(xié)作式的前后處理和分析，完成電池箱的熱、結(jié)構(gòu)、NVH、流場-熱的耦合分析。如下圖：

熱分析

C、基于FLOEFD水冷散熱熱-流場的耦合仿真

水冷散熱熱-流場的耦合仿真1

水冷散熱熱-流場的耦合仿真2

水冷散熱熱-流場的耦合仿真3

D、基于FLOEFD風(fēng)冷散熱熱-流場的耦合仿真

風(fēng)冷散熱熱-流場的耦合仿真1

風(fēng)冷散熱熱-流場的耦合仿真2

E、基于FLOEFD水冷系統(tǒng)流場

水冷系統(tǒng)流場

F、國內(nèi)首款液冷電池系統(tǒng)（2010年）

模型說明

水冷系統(tǒng)

水冷板流道說明

溫度場分布

模塊溫度場分布

說明：水冷板之間循環(huán)水量>0.75L/min能夠滿足冷卻要求，電池單體之間溫差小于1℃。

左部圖的模塊溫度分布表明，電池最大溫差出現(xiàn)于電池縱向截面，這是由水冷板所置位導(dǎo)致，因此水冷板放置于底面能夠減小電池單體的溫度梯度，因?yàn)殡姵卦诟叨壬铣叽缧∮陂L度尺寸。

流體溫度場分布

說明：第二塊水冷板內(nèi)水溫度變化最大，變化范圍是2.13℃，其他水冷板溫度變化在水溫1.5℃左右。

溫度場分布

說明：表面溫度場分布顯示，溫度最高點(diǎn)為306.04K，即在水冷作用下電池溫度最高上升8℃達(dá)到平衡。（2C持續(xù)工況，屬于惡劣工況）

表面溫度場分布

電芯溫度場分布

說明：最左端小模塊溫度略低于其他模塊，原因是該模塊單獨(dú)用一塊水冷板，而其他模塊是兩個標(biāo)準(zhǔn)模塊公用一塊水冷板。

模塊單體溫差

說明：溫度最高的第二個大模塊，模塊單體溫差小于1.5℃。

流場分布

系統(tǒng)流場分布

說明：最大流速點(diǎn)出現(xiàn)于進(jìn)出口處，由管徑太細(xì)導(dǎo)致，流速過大會導(dǎo)致振動，因此，進(jìn)出口總管會考慮管徑增大。

流場壓力分布

說明：最大壓力出現(xiàn)于進(jìn)口處，此處壓力大原因是：流速快、且進(jìn)水管偏細(xì)導(dǎo)致。

熱仿真結(jié)果與結(jié)論

Goal Name

Unit

Value

備注

最大壓力

[Pa]

120632.25

壓差：19.307KPa

最小壓力

[Pa]

101325.00

流體流速

[m/s]

0.42

熱流密度

[W/m^2]

50.81

最高溫度

[K]

300.01

2C連續(xù)充放電

最低溫度

[K]

306.04

水泵參數(shù)

L/min

10

本套系統(tǒng)在風(fēng)冷系統(tǒng)作用下，在上述所述工況下，本套水冷系統(tǒng)熱仿真分析結(jié)論如下：本套水冷系統(tǒng)，通過調(diào)整各水冷板進(jìn)出口尺寸來保證各個模塊的散熱均衡性，在2C工況循環(huán)下，模塊散熱性均勻良好；系統(tǒng)溫度最大上升8℃左右可達(dá)到平衡；電池之間溫差最大不超過6.2℃（因仿真時，采用2C持續(xù)工況，一般情況下，溫差小于5℃）；電池單體溫差不大于1.5℃。

注：不帶水冷系統(tǒng)，2C持續(xù)充放電工況下，溫升會超過30℃。