电动汽车用锂离子动力电池包热管理仿真技术规范

1电动汽车用锂离子动力电池包热管理仿真技术规范本文件规定了锂离子动力电池包三维热管理仿真的通用流程，包括几何处理、网格控制、边界条件处理、后处理等技术处理内容。本文件适用于装载在电动汽车上的液冷型锂离子动力电池包，其他类型参照执行。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T6425-2008热分析术语GB/T19596-2017电动汽车术语GB/T31467-2023电动汽车用锂离子动力电池包和系统电性能测试方法GB38031-2020电动汽车用动力蓄电池安全要求3术语和定义下列术语和定义适用于本文件。3.1单体蓄电池secondarycell将化学能与电能进行相互转换的基本单元装置，通常包括电极、隔膜、电解质、外壳和端子，并被设计成可充电。也称作电芯。3.2内阻internalresistance蓄电池中电解质、正负极群、隔膜等电阻的总和。3.3荷电状态state-of-charge当前电池单体、模块、电池包或系统中按照制造商规定的放电条件可以释放的容量占实际容量的百分比。3.4热导率thermalconductivity热流密度与温度梯度之比，热流密度是单位时间内传过单位面积界面的热量。23.5比定压比热容specificheatcapacityatconstantpressure在恒定的压力下，单位质量的样品单位温升所需要的热量。也称作比热容。3.6电芯熵热系数entropyheatcoefficientofcell开路电位相对于温度的导数。也称作电芯开路电压温度导数。3.7电芯最高温度maximumtemperatureofbatterycells电池包内电芯最高温度3.8温度传感器点位temperaturesensorlocation电池包内温度传感器布置的位置3.9热管理策略thermalmanagementstrategy电池包加热或制冷系统随着内部温度传感器温度变化采取的干预策略4符号和缩略语4.1SOC：荷电状态(State-of-Charge)。4.2CFD：计算流体动力学（ComputationalFluidDynamics）5建模流程及内容5.1仿真流程电动汽车用锂离子电池包热管理仿真主要包括仿真目标、仿真规划、模型几何处理、网格划分、边界条件处理、热管理策略处理、计算、后处理，具体参见附录A.1。5.2确定仿真目标本标准推荐目标为液冷型车用电池包三维高精度多工况热管理设计仿真验证，涉及物理场主要包括电池产热、汇流排欧姆产热、固体热传导、流体计算、热交换等。针对其他仿真目的，可参照本标准执5.3制定仿真技术实施方案依据仿真目标制定仿真技术规范，包括产热模型选择、模型几何处理原则、网格划分原则、边界条件处理原则、热管理策略处理原则、后处理原则。5.4仿真实施5.4.1几何模型处理3注1:加热系统可以是加热片加热、与冷却系统同路加热、电芯自加热。注2:图1仅为电池包结构示意图。1是结构胶是2电芯是注1是是电芯间汇流排是3液冷系统(加热系统)是是是导热胶是44是是5是6是7是8注1：无论是方形、圆柱、还是软包，电芯结构主要由芯胞、外壳、汇流组件构成，为保证准确定，减少计算资源，将电芯简化处理成外壳、芯胞、汇流组件，确保产热、传热的准确性。注2：液冷系统为通用流道液冷模式，不包括微流道。加热系统为液冷同路加热。注3：加热系统指加热片加热系统以及除液冷同路加热外的其他加热系统。注4：其他设计对应热结果影响小的例如插件、螺母、线束、焊接等不进行建模，如对热结果影响大的需进行建模，如有不确认的可进行影响敏感性分析，分析流程A.3。5.4.1.2几何清理依据5.4.1.1.1原则，删除/抑制不建模零部件，保留建模零部件。5.4.1.3几何简化几何简化见下表表2几何简化项目对象操作1倒角零部件倒角对热结果影响小的，建议删除倒角特征。2圆孔直径小于10mm，建议删除圆孔特征。3水冷板的流道水冷板的流道倒角保留。4其他其他小的特征，不影响仿真结果可进行抑制或简化。如不确认影响程度，采用分析流程A.3进行辨识。5.4.1.4几何构建电池包内部大的空气域，进行实体建模，包括压铸类中空零件内空气，如不确认影响程度，采用分析流程A.3进行辨识。根据实际情况区分固体空气域和流场空气域。5.4.1.5电芯几何处理要求无论是方形、圆柱、还是软包，电芯结构主要由芯胞、外壳、汇流组件构成，为保证准确定，减少计算资源，将电芯简化处理成外壳、芯胞、汇流组件，确保产热、传热的准确性。5.4.1.6其他对于零部件与零部件之间的接触设置，优先选用结构拓扑共享，以减少网格及接触，提高计算效率，存在接触热阻零部件需进行接触热阻设置。5.4.2网格处理55.4.2.1网格大小最小网格尺寸0.1mm，最大网格尺寸30mm，推荐网格尺寸：8mm。5.4.2.2网格质量因网格质量与求解器关联性强，推荐网格质量按照使用软件收敛最低要求推荐值，例如FLURNT：正交质量（OrthogonalQuality）>0.1；偏斜度（Skewness）<0.9；STAR-CCM+：facevalidity>0.5;volunmchange>0.01。其他软件依据软件商提供的网格控制推荐。5.4.2.3边界层流体边界层层数≥3，固体网络处理层数≥2。第一层厚度<0.5mm，层数≥2。5.4.2.4网格检查与优化网格划分完成后依据5.4.2.1与5.4.2.2检查网格大小及网格质量，存在偏差后进行网格的局部或整体优化。5.4.3材料属性设置5.4.3.1电池包内部空气因内部空气域CFD计算占用时间比较大，温差引起的流体流动速度较低，内部空气存在传热作用，推荐将电池包内部空气域处理成空气材料属性固体。5.4.3.2芯胞芯胞因结构自身因素，导热性设置为各向异性导热材料。5.4.3.3其他部件存在导热异性材料按照异性导热材料设置，具体参数数值以材料供应商提供数据或自测数据为准。5.4.4热源及边界条件处理热源及边界条件对结果影响较大，处理原则依据电池包车辆实际使用工况进行适当转化。5.4.4.1热源处理电池自身属性决定其产热率随着使用工况、外部条件的变化而变化。例如电池SOC状态、放电倍率、环境温度等。CFD仿真分析，其产热一般处理为体积产热速率，单位W/m³。推荐使用产热率进行转换计算，单位W。除芯胞产热外，其他产热单元，汇流排按照欧姆热计算，转换为体积产热率。具体使用方法，见附件附件A.4。5.4.4.2边界条件电池包在车辆位置一般在底部，随着车辆行驶过程，底部速度越大，其换热效率越大，应考虑底部风速影响。同时对空气域和流体域的影响进行转化。具体需依据车辆实际结构确定，以下为可能的情况及建议：6(1)CTC（CellToChassis）:电芯直接集成到车辆底盘，需将底盘考虑到建模之中，底盘底部保温及护板需要建模，底部单独建立风场或采用速度与换热系数经验公式进行转换，公式如下：h=BV^n（1）h：换热系数；B：经验系数；n：速度指数；注：公式h=BV^n中的可根据CFD仿真结果进行拟合修正，拟合修正方法见附录A.5；各参数一般范围及推荐值见附件A.6(2)CTB（CelltoBody电池包集成到车身，因为电池包保持独立，顶部与车身组装，因顶部与车身接触，底部直接与空气接触，建议不再考虑车身，电池包单独进行仿真，底部底部单独建立风场或采用速度与换热系数经验公式进行转换，见公式（1）。(3)CTP(CelltoPack)与CTM（CelltoModule）除了成组模式不同外，就电池包而言与CTB没有太大差别，典型完整的电池包结构。其边界条件的转化，参考CTC与CTP，具体依据与整车装配形式确定。(4)热管理策略处理热管理策略与车辆实际策略等价处理，温度依据实际传感器布置位置最高温和最低温。5.4.5计算5.4.5.1瞬态处理实际热管理过程为瞬态过程。为节省计算时间，再处理上，液冷系统采用稳态计算结果与热传导瞬态耦合模式。即先计算液冷系统CFD的瞬态计算，稳态结果用于后续的热传导瞬态过程。推荐采用实时输出的方式检查仿真收敛情况，整车工况下推荐0.02s时间步长。5.4.5.2时间步长时间步长设置应考虑使用工况，需基于电流的变化频率进行相应的计算时间步长控制，最大时间步长建议为20s。NN（资料性）电芯产热模型建模流程A.1建模流程图。准备明确仿真目标 建立仿真方案几何模型处理 网格划分网格质量检查网格质量检查Y 材料属性设置 热源及边界条件处理 热管理策略处理 计算 后处理撰写报告文件保存8A.2仿真工况123456热物性产热率三维散热模型热物性产热率三维散热模型A.3电芯一维产热与三维传热实现示意图工况电流散热边界热管理策略散热边界产热模型温度包含零部件/特征不处理包含零部件/特征不处理A.4几何建模影响因素流程准备准备 包含零部件/特征不处理