新能源汽车动力电池系统 课件 第7章 动力电池流体传热仿真分析

第七章动力电池流体传热仿真分析0102目录Contents流体传热仿真分析技术动力电池仿真分析原理PART1动力电池系统仿真分析原理动力电池系统仿真分析原理1.为什么要做动力电池流体传热仿真？（1）动力电池工作时产热不均，易引发性能衰减或热失控，需通过仿真优化散热设计；（2）传统实验法成本高、周期长（如电池包工况测试需数周），仿真可实现“先数字验证，再物理实验”。2.本章核心方法：两大关键技术支撑◦

有限元分析（FEA）：解决“结构与载荷”相关模拟；◦

计算流体力学（CFD）：聚焦“流体流动与热传导”模拟。有限元分析方法—基本概念有限元分析（FEA）：从“复杂系统”到“离散单元”

定义：利用数学近似方法，将真实物理系统（如动力电池包）拆分为“有限个互连小单元”，用有限未知量逼近无限未知量的真实状态。

本质：不是“准确解”，而是“高精度近似解”，能适配复杂形状（如动力电池模组的异形散热通道）核心思想：“化繁为简”（例：用多边形逼近圆形）有限元分析方法—发展历程FEA的发展历程多边形逼近圆克拉夫教授提出“矩阵近似方法”，用于航空器结构强度计算扩展到动力电池、汽车、建筑等领域有限元分析方法—核心优势FEA的核心优势核心优势（对比其他近似方法）：◦

近似性仅局限于“小单元”，无需满足整个定义域的复杂边界条件；◦

计算精度高，可灵活调整单元数量优化结果；◦

适配复杂几何形状（如动力电池的电芯排列、散热管路）。关键总结：FEA=RayleighRitz法+分片函数计算流体力学（CFD）—概述定义：通过计算机数值计算+图像显示，模拟包含“流体流动”“热传导”的物理系统（如动力电池散热通道内的流体运动）。2.基本思想：“连续场离散化”（1）将连续的物理量场（速度场、压力场、温度场），拆分为“有限个离散点”；（2）建立离散点间的代数方程组，求解得到物理量近似值；（3）最终输出流场细节（如旋涡、压力分布），相当于“在电脑上做物理实验”。机翼绕流CFD仿真图方法优势局限性适配场景理论分析结果通用，指导意义强需简化模型，非线性问题难求解基础规律推导实验测量结果真实，是理论/CFD的基础成本高、周期长，受模型/精度限制最终验证实验CFD成本低、灵活，可观测细节多依赖数学模型，有计算误差动力电池流体传热仿真计算流体力学（CFD）—核心内容CFD的核心特点：优势与“不可替代”的边界核心优势：◦

适应性强：可求解非线性、复杂边界的流动问题（如动力电池包内的多通道流体分配）；◦

成本可控：无需搭建物理模型，节省人力/物力，缩短周期（如电池包工况仿真从“数周”缩至“数天”）；◦

细节完整：可输出离散点外的衍生物理量（如散热效率、水力损失），还能模拟“极端场景”（如高温、有毒环境，实验难以实现）。的电芯排列、散热管路）。

关键局限性：◦

结果是“离散近似解”，存在计算误差，依赖数学模型的合理性；◦

需实验数据验证模型（如用真实散热实验校准CFD参数）；◦

对软硬件要求高（大规模仿真需高性能计算机），易出现“结果不真实”（如数值处理不当导致的流场失真）。计算流体力学（CFD）—核心内容

重要原则：CFD不能替代理论/实验，需三者结合计算流体力学（CFD）—流体与流动的基本特性流体与流动的核心分类：按“流体性质”分类，聚焦动力电池仿真常用类型

理想流体vs黏性流体：◦

理想流体（无黏流体）：忽略黏性，无切向变形抵抗，仅为“近似模型”（如简化动力电池内空气流动时可暂用）；◦

黏性流体：有黏性（相邻流体层的抵抗力），是真实流体（如动力电池散热用的冷却液、空气），黏性随温度变化。流体粘性示意图计算流体力学（CFD）—流体与流动的基本特性流体与流动的核心分类：按“流体性质”分类，聚焦动力电池仿真常用类型

牛顿流体vs非牛顿流体：◦

牛顿流体：黏性应力与速度变化率成正比（μ为常数），如动力电池散热用的水、乙二醇溶液；◦

非牛顿流体：μ不为常数，如部分特殊散热膏（动力电池仿真中较少用）。牛顿流体“τ-速度变化率”线性关系图关键公式流体的内摩擦剪切力τ由牛顿内摩擦定律决定：计算流体力学（CFD）—流体与流动的基本特性流体与流动的核心分类：按“流动状态”分类，结合动力电池场景举例可压流体vs不可压流体◦

不可压流体：是指在流动过程中密度保持不变的流体，例如动力电池冷却液。这类流体在进行流体仿真时，不需要考虑密度随压力或温度的变化。密度ρ为常数（如动力电池冷却液），仿真时无需求解ρ；◦

可压流体：指的是密度会随着压力或温度变化而变化的流体，如动力电池散热用的空气。在仿真这类流体时，必须考虑密度ρ的变化，以确保结果的准确性。ρ随压力/温度变化（如动力电池散热用的空气），连续方程需包含ρ。低速空气流动示意图高速空气流动示意图计算流体力学（CFD）—流体与流动的基本特性流体与流动的核心分类：按“流动状态”分类，结合动力电池场景举例定常流动vs非定常流动：◦

定常流动：物理量不随时间变化（∂()/∂t=0），如动力电池“稳态放电”时的散热流动；◦

非定常流动：物理量随时间变化（∂()/∂t≠0），如动力电池“急加速/急减速”时的瞬态散热。

层流vs湍流◦

判断依据：雷诺数Re=ud/ν（u：流速，d：管径，ν：运动黏度）；◦

临界值：Re≤2300（层流，流线规则），Re≥8000（湍流，流线紊乱），2300<Re<8000（过渡区）；◦

动力电池场景：散热管路内多为湍流。计算流体力学（CFD）—流体与流动的基本特性流体与流动的核心分类：按“流动状态”分类，结合动力电池场景举例

层流vs湍流◦

判断依据：雷诺数Re=ud/ν（u：流速，d：管径，ν：运动黏度）；◦

临界值：Re≤2300（层流，流线规则），Re≥8000（湍流，流线紊乱），2300<Re<8000（过渡区）；◦

动力电池场景：散热管路内多为湍流。“层流流线”“湍流流线”对比图计算流体力学（CFD）—流体动力学控制方程

核心逻辑：所有流动问题均遵循“物理守恒定律”，方程是定律的数学表达◦

定律含义：单位时间内微元体质量增加=流入微元体的净质量；◦

质量守恒方程：任何流动问题都必须满足质量守恒定律。◦

动力电池场景：用于判断散热通道内流体是否“堵塞”（若方程不满足，可能存在通道狭窄）。动量守恒方程质量守恒方程（连续方程）◦

定律含义:微元体动量变化率=外界作用力之和(牛顿第二定律);◦

核心作用:求解流体的速度场、压力场(如动力电池散热通道内的压力损失,判断泵体功率是否足够);◦

简化说明:对牛顿流体,黏性应力与变形率成正比,方程可代入黏性参数求解。计算流体力学（CFD）—流体动力学控制方程CFD核心：三大守恒定律与控制方程（进阶篇）能量守恒方程◦

定律含义：微元体能量增加率=净热流量+外力做功（热力学第一定律）；◦

简化公式（以温度T为变量）：◦

核心参数说明：k（传热系数，散热材料关键指标）、C_{P}（比热容）、S_{r}（黏性耗散项，动力电池产热相关）；◦

动力电池场景：求解电池包内“温度分布”，优化散热设计。动力电池温度场云图计算流体力学（CFD）—流体动力学控制方程

核心逻辑：所有流动问题均遵循“物理守恒定律”，方程是定律的数学表达组分质量守恒方程应用组分质量守恒方程应用湍流控制方程在工程应用中通常采用时间平均法进行简化，以适应实际计算需求。这种方法虽然牺牲了一些精确度，但使得方程的求解变得可行，且不需要依赖于高性能计算机资源。状态方程补充了压力（P）与密度（ρ）之间的关系，例如理想气体状态方程P=ρRT，这对于确保流体动力学方程组的封闭性至关重要。通过这些关系，可以完整描述流体状态，使整个方程组能够自洽地求解。在动力电池系统中，组分质量守恒方程特别适用于多组分混合的场景，例如燃料电池的水管理。这些方程帮助避免电池系统中出现水淹或脱水现象，确保电池性能和寿命。状态方程补充与方程组封闭性7.2流体传热仿真分析技术7.2.1流体传热仿真方案概述热管理问题在电池流体仿真方向，主要有热管理、电化学、水管理、热失控、短路和降阶模型等问题温度分布冷却设计电化学问题基于物理基于经验水管理问题温度影响水分布热失控问题机理短路问题内部短路外部短路降阶模型问题LTIROMSVDROM7.2.1流体传热仿真方案概述电池电化学问题研究核心：聚焦电池工作中内部电化学反应引发的产热、电流、电压、SOC等宏观量变化，研究方法分为基于物理的电化学模型与基于经验的电化学模型两类。电池热管理问题定位：是电池设计重点，最终输出温度分布、压降等信息，本质考察电池冷却设计，且温度场一致性对电池性能影响大。锂电池热失控风险：热管理设计缺陷可能导致热失控，其机理含电器滥用、热滥用、机械滥用，绝大多数直接诱因是短路（分内部短路、外部短路）。电池热管理仿真痛点：耗时久，尤其电池包级别、NEDC等循环工况下，因模型网格量大、计算物理时间长，常需几天至几周。热管理仿真痛点解决方案：ANSYS降阶模型技术，可在保证与三维CFD仿真同等准确度的前提下，近乎实时完成电池模组或电池包的共轭传热仿真。燃料电池特有问题：无热失控和降阶问题，但需解决水管理问题，避免膜脱水或水淹电极情况发生。电池流体方向仿真工具推荐：优先选Fluent，其内置电池模块与燃料电池模块，能高效解决流体方向仿真问题；CFX、Icepak

可处理特定电池问题，但专业性和功能覆盖度不及Fluent。7.2.1流体传热仿真方案概述ANSYS电池仿真软件列表7.2.2电池共轭传热仿真FluentBatteryModel目前BatteryModel主要可以做CHTCoupling、FMU-CHTCoupling、CircuitNetwork和MSMD4个子模块，分别对应共轭传热、通过FMU文件与第三方联合共轭传热、基于CircuitNetwork的电化学和完全热电耦合电化学模块。在仿真过程中只需要使用此中一个模块即可实现绝大多数电池仿真场景的仿真工作。同时BatteryModel还内置了两种热失控模型，可独立或与上述4个子模块耦合使用。7.2.2电池共轭传热仿真电池模组几何模型示意图该模型为1P12S（1并12串）水冷结构，模型中保留了工业电池模组的绝大多数特征，如电池本体、极柱(pole)、母排(busbar)、隔热材料(硅胶)、箱体、冷板。在接下来锂电池的共轭传热、ECM、NTGK、热失控等仿真过程中均以此模型为模拟对象。以此模型为例，进行以下仿真步骤7.2.2电池共轭传热仿真①.启动FluentLauncher启动FluentLauncher配置启动参数Dimension:勾选3DOptions:勾选DoublePrecision勾选MeshingModeProcessingOptions:设置并行/串行设置工作文件夹路径1.网格划分设置工作文件夹路径单击“OK"按钮，启动FluentMeshing进入FluentMeshing界面，选择网格划分方法切换至Workflow标签页SelectWorkflowType下拉菜单:选择WatertightGeometry按照集成流程执行7个子步骤：导人几何；添加局部尺寸控制；生成面网格；描述几何；更新域；添加边界层；生成体网格。7.2.2电池共轭传热仿真①.启动FluentLauncher1.网格划分7.2.2电池共轭传热仿真建议导人几何模型的为.scdoc

格式文件;其他类型的几何文件可先导人ANSYSSCDM中进行前处理后保存为.scdoc

格式。导人之前可选择几何模型创建时使用的单位，这样生成网格后通过switch-to-solution将网格传递到fuentsol-ver

中可自动缩放到所需的单位。②.WTM导入几何1.网格划分7.2.2电池共轭传热仿真添加局部尺寸控制可针对几何模型不同部位细节特征，采用FaceSize（作用于选中面）、BodySize（作用于选中体）、BodyofInfluence（作用于BOI体）、Curvature（曲率）、Proximity（邻近度）等不同类型，实现局部特征的针对性保留或不保留；由于本算例仅需全局尺寸控制，因此此环节选择“no”并单击“Update”按钮。③.WTM添加局部尺寸控制1.网格划分7.2.2电池共轭传热仿真此环节一是设置全局尺寸控制，二是控制生成面网格。与上一步骤添加局部尺寸不同，此处的尺寸控制设置作用在全部几何模型上④.WTM全局尺寸控制及生成面网格1.网格划分7.2.2电池共轭传热仿真定义几何有以下几方面功能:①GeometryType(几何类型):此处定义的是最终的计算模型的几何类型，共分以下3类:几何中全部为固体域;几何中全部为流体域;几何中既有流体域，又有固体域。②Capopeningandextractfluidregion(封闭开口):Yes,选择在FluentMeshing中封闭开口以抽取相应流体域;选择此项后，会激活相应的封闭开口菜单。此案例中在SCDM中抽取冷却水流体域，电池外表面与箱体内表面间的流体域为自动封闭;⑤.WTM定义几何1.网格划分7.2.2电池共轭传热仿真此功能的应用场景为几何模型在SCDM中没有进行共享拓扑或部分共享拓扑失败。在FuentMeshing中进行共享拓扑的时间会比较长，建议尽可能在SCDM中进行，实在完成不了的共享拓扑在FuentMeshing中完成。共享拓扑可确保在Interface处生成共节点网格(ConformalMesh)。⑥.ApplyShareTopology(共享拓扑)1.网格划分7.2.2电池共轭传热仿真系统会自动检测几何模型中NamedSelection命名中的关键词，并自动为其设置相应边界条件。需要在此步骤检查边界条件是否正确合理，将鼠标放置在BoundaryName上会在图形窗口对相应区域高亮显示。也可以在BoundaryName上右键选择drawselection，以单独显示选中的边界条件。检查无误后，单击“UpdateBoundaries”选项⑦.WTM定义边界条件1.网格划分7.2.2电池共轭传热仿真8.WTM定义域数量需要大概估算一下几何模型中有多少流体域，填写合适的数字即可。⑨.WTM更新域在此步骤对几何模型中最终的域信息进行确认更新。FluentMeshing中域的类型有fluid、solid、dead，检查时的技巧同上所述，将鼠标放在RegionName上，相应区域会高亮显示，也可在RegionName上右键选择drawselection来单独显示。对于仿真中不需要的域，可将其类型选择为“dead”。⑩.WTM体网格生成此步骤主要与边界层网格、体网格生成设置相关。在BoundaryLayerSettingsonFluidWalls中进行边界层网格设置，OffsetMethodType目前有4种类型。还需要定义边界层层数;其余设置会OffsetMethodType不同而略有不同。在VolumeSettings中进行相关体网格生成设置，FillWith有4种类型，分别是polyhedral、tetrahedral、hexcore、poly-hexcore。此外还需要设置MaxCellLength和其他因网格类型不同而不同的设置。⑧.WTM定义域数量1.网格划分7.2.2电池共轭传热仿真FluentMeshing会自动将网格数量、质量在console中显示出来一般需要将maxskewness控制在0.9,最好0.85以内。在本案例中，生成的体网格数量为382454个cell，maxskewness为0.85。若生成的体网格质量大于0.9，最好在createvolumemesh上右键选择improvevolumemesh，进行体网格质量的优化提升。11.WTM检查网格1.网格划分7.2.2电池共轭传热仿真2.电池共轭传热仿真流程启动Fluent读入网格Fluent网格检查通用设置相关物理模型选择设置电池材料物性设置母排、极柱、箱体、端板和冷板材料物性设置硅胶材料物性设置冷却液材料物性设置流体域CellZoneCondition冷却液区域设置固体域电池部分设置固体域其余部分设置边界条件设置Method和Control初始化及求解设置后处理7.2.2电池共轭传热仿真1）.启动Fluent2.电池共轭传热仿真流程启动FluentLauncher,勾选3DDimension,勾选DisplayMeshAfterReading，勾选DoublePrecision，ProcessingOptions选择并行，且SolverProcesses选择16(按照计算机实际选择计算线程)，在WorkingDirectory中设置工作路径。2）.读入网格在菜单File-ReadMesh中，选中Geom-1P12S-CHT2.msh.gz网格，导人完成后软件会自动显示网格。3）.Fluent网格检查在进行具体设置求解之前，对导人的网格一定要进行检查，主要检查以下4方面：计算域尺寸检查，确认计算的范围与计算模型范围是否相符，主要是通过x，y，z坐标最大最小值来判断，如若范围不符，往往需要通过scale来缩放到合理范围；最小体积检查，不可为负；网格正交质量，0rthogonalQuality一般建议大于0.1，最好大于0.15。7.2.2电池共轭传热仿真电池模组内流动速度较低，故选择压力基求解器，本案例为展示设置流程，为简单起见选择稳态求解，其余保持默认。4）.通用设置2.电池共轭传热仿真流程7.2.2电池共轭传热仿真打开能量方程；湍流模型选择Realizablek-e模型及标准壁面函数。如需切换其他湍流模型，可右键或双击Viscous模块即可，对于少数特定的湍流模型，则需要TUI命令来激活。5）.相关物理模型选择2.电池共轭传热仿真流程7.2.2电池共轭传热仿真在Materials-Solid中右键选择New，按照以下步骤进行设置：Name为cell；ChemicalFormula为cell；Density为2194kg/m3；Cp为906J/(kg·K)；ThermalConductivity:下拉菜单中选择orthotropic，在Conductivity0/Conductivity1/Conductivity2中分别填入0.5/12/12W/(m·K)，按照Direction0Components和Direction1Components的规定，以上Conductivity0/1/2分别对应X、Y、Z方向的热导率。6）.设置电池材料物性2.电池共轭传热仿真流程7.2.2电池共轭传热仿真7）.设置母排、极柱、箱体、端板和冷板材料物性2.电池共轭传热仿真流程采用Fluent默认铝的材料属性即可8）.设置硅胶材料物性电池之间的隔热材料为硅胶。在结构树Materials→Solid中右键，选择New，在弹出的设置面板中进行如下设置：Density为1450kg/m3；Cp：1700J/(kg·K)；ThermalConductivity为0.1W/(m·K)。单击“Change/Create”按钮，完成硅胶材料设置。设置硅胶材料物性7.2.2电池共轭传热仿真使用液态水作为冷却媒质。在结构树Materials→Fluid中右键，选择New，在弹出的设置面板中单击FluentDatabase，在FluentFluidMaterials中选择water-liquid(h2o<l>)，单击“Copy”按钮，完成冷却液材料物性设置。9）.设置冷却液材料物性2.电池共轭传热仿真流程7.2.2电池共轭传热仿真在结构树CellZoneConditions→Fluid中，双击cooling_fluid

流体域，从MaterialName下拉菜单中选择之前定义的water-liquid，其余保持默认，10）.设置流体域CellZoneCondition冷却液区域2.电池共轭传热仿真流程7.2.2电池共轭传热仿真11）.设置固体域电池部分

2.电池共轭传热仿真流程①2021R1之前版本设置方法：在结构树CellZoneConditions→Solid中选择cell-1并双击在MaterialName下拉菜单中选择cell，将电池材料赋值于电池几何；勾选SourceTerms，在SourceTerms标签下的Energy中单击Edit，设置电池发热功率密度6000W/m3。在cell-1中右键“Copy”按钮，将cell-1设置复制热功率设置，到其余电池；若电池发热功率不相同，需要分别设置。电池计算域设置电池发热功率密度设置7.2.2电池共轭传热仿真11）.设置固体域电池部分

2.电池共轭传热仿真流程②2021R1及之后版本设置方法：Fluent自2021R1开始提供了在BatteryModel中为电池设置源项的选项，具体操作如下:①双击BatteryModel，勾选EnableBatteryModel，在ModelOptions标签下SolutionMeth-od中选择CHTCoupling，其余保持默认。②在ConductiveZones标签下，ActiveComponents中选择电池域，在PassiveComponents中选择只导电无电化学反应的域。③在ElectricContacts标签下，NegativeTab中选择neg（总负），在PositiveTab中选择pos（总正）。④在ModelParameters标签下，EnergySource下面，可为每个电池设置不同功率，单位为W。若所有电池发热功率相同，勾选UseSameSettingforAllZones，以简化输入工作量在TabElectricCurrent后的输人框中输入工作电流，将其焦耳热考虑在内。7.2.2电池共轭传热仿真在结构树CellZoneConditions→Solid中选择cell-1并双击，在MaterialName下拉菜单中选择cel，将电池材料赋值于电池几何，其余保持默认。在cell-1右键“Copy”按钮，将cell-1设置复制于其余电池。电池的极柱默认为铝，在此不做修改。12）.设置固体域电池部分2.电池共轭传热仿真流程电池域设置将cell-1设置复制到其他电池域7.2.2电池共轭传热仿真在结构树CellZoneConditions→Solid中选择silica_gel-1并双击，在MaterialName下拉菜单中选择silica_gel，将硅胶材料赋值于硅胶几何，其余保持默认，在silica_gel-1右键“Copy”按钮，将silica_gel

设置复制于其余硅胶。母排、箱体、端板和冷板默认为铝，在此不做修改。13）.设置固体域其余部分2.电池共轭传热仿真流程7.2.2电池共轭传热仿真设置BC-Inlet，在结构树BoundaryConditions→Inlet中双击inlet，打开的面板Momentum标签设置VelocityMagnitude为0.53m/s，其余保持默认。在Thermal标签下设置冷却水的温度为300K。设置BC-outlet，在结构树BoundaryCon-ditions-0utlet中双击outlet,在打开的面板Momentum标签下设置GaugePressure为OPa，其余保持默认；在Thermal标签下设置冷水的温度为300K。14）.设置边界条件

2.电池共轭传热仿真流程7.2.2电池共轭传热仿真设置BC-璧面，在结构树BoundaryConditions→Wall

中双击“box:1”，在面板Thermal标签下设置。选择Convection热边界，在HeatTransferCoeficient

中设置5W/m²·K，在FreeStreamTemperature中设置300K，其余保持默认设置；在box:1右键“Copy”按钮，复制到其他通过自然对流散热的壁面。在Wall列表中凡是以xxx和xxx-shadow结尾的壁面均为Coupled面，上述壁面边界条件无须对其进行相关设置，壁面通过对流与外界进行热交换，壁面传热系数为5W/m²·K，外界环境温度为300K14）.设置边界条件

2.电池共轭传热仿真流程7.2.2电池共轭传热仿真15）.设置Method和Control2.电池共轭传热仿真流程在Solution→Methods和Solution→Controls中设置。为监测计算过程中电池温度的变化趋势以及收敛判断考虑，在此对电池平均温度进行监测，设置过程如下:在结构树Solution→ReportDefinitions中右键，选择New→VolumeReport-Volume-Average。7.2.2电池共轭传热仿真15）.设置Method和Control2.电池共轭传热仿真流程在面板中修改Name为report-def-avetemp；Options勾选PerZone，FieldVariable选择Temperature，CellZones选择所有的电池，Create勾选Re-portPlot，单击“OK”按钮。7.2.2电池共轭传热仿真15）.设置Method和Control2.电池共轭传热仿真流程收敛准则设置在结构树Solution→ReportPlots-ConvergenceConditions中，单击Residu-ConvergenceCriterion设置为none。7.2.2电池共轭传热仿真设置到此处，推荐保存一下case，使用.gz

或.h5文档格式。在结构树Solution→Initialization中双击，在设置面板中选择HybridInitialization方法。16）.初始化及求解设置2.电池共轭传热仿真流程7.2.2电池共轭传热仿真在结构树Solution→RunCalculation中双击，在设置面板中NumberofIterations设置为200，其余保持默认设置，单击“Calculate”按钮进行仿真求解。16）.初始化及求解设置2.电池共轭传热仿真流程7.2.2电池共轭传热仿真17）.后处理2.电池共轭传热仿真流程一般来说，后处理分为两大类，即定性的后处理和定量的后处理。其中常见的定性后处理有云图、矢量图、流线图、动画、粒子图等;定量的后处理有监测点值积分、XY线图等。①模组温度分布。在结构树Result→Graphics→Contours中右键，选择New，设置修改名称为contour-temp，Contoursof选择Temperature;在Surfaces中首先通过surfacetype方法选中所有的walltype，然后在FilterText中输人box，取消所有包含box的面，单击“Save/Display”按钮。②冷却液流线图。在结构树Results→Graphics→Pathlines

中右键，选择New，在设置面板上设置；ReleasefromSurfaces中选择inlet-water，Colorby选择Velocity,其余保持默认，单击“Save/Display”按钮。温度云图冷却液流线图7.2.2电池共轭传热仿真17）.后处理2.电池共轭传热仿真流程③冷却通道矢量图。为察看冷却液在某平面的矢量图，需要首先在Fluent设置一个后处理平面。在结构树Results-Surfaces中右键，选择New-Plane，选择Iso-Surface，连续平面选择Z向的网格。在结构树Results→Graphics→Vectors中右键，选择New，在弹出的设置面板中，Surfaces中选择刚刚创建的平面，单击VectorOptions，勾选FixedLength和InPlane，单击“Apply”按钮；在Vectors面板Scale设置为0.005，其余保持默认。单击“Save/Display”按钮。通过分析矢量图可以很方便地得出诸如流动拥塞、旋涡、回流区、混合度等信息。冷却通道速度矢量图7.2.2电池共轭传热仿真17）.后处理2.电池共轭传热仿真流程④监测点温度随时间变化及残差图。图所示为电池监测点平均温度随时间变化曲线，可较为清楚地看出电池温度变化趋势、不同电池间温度差异以及是否达到平衡状态。电池平均温度变化图残差变化图7.2.2电池共轭传热仿真3.设置共轭传热瞬态源项方法在实际工作中绝大多数情况都是瞬态计算，在Fuent

进行瞬态源项的设置方法有很多,如使用NamedExpression、UDF、TransientProfile以及BatteryModel。在这里只讲述TransientProfile和BatteryModel两种方法。1.TransientProfile方法1.1）获得电池发热功率随时间变化的数据，一般为表格1.2）将发热功率除以电池体积，得到发热功率密度随时间变化的表格7.2.2电池共轭传热仿真1.3）将步骤2）得到的数据复制到txt文档中，第一列为时间（单位为s），第二列为发热功率密度(单位为W/m3)，在前两行写表头。其中，第一行中依次为：heatingsource—表头名称；2—列数；5—数据的行数（不包含前两行）；0—表示无周期。第二行中依次为：time-第一列数据识别名称：heat-ingsourcedensity—第二列数据识别名称。3.设置共轭传热瞬态源项方法1.4）使用TUI命令:/file/read-transient-ta-blexx.txt将步骤3)保存的文档读入Fluent。7.2.2电池共轭传热仿真1.5）双击电池域，勾选SourceTerms，在SourceTerms标签下，设置EnergySource数量为1，在下拉菜单中选择heatingsourceheatingsourcedensity即可.3.设置共轭传热瞬态源项方法7.2.2电池共轭传热仿真3.设置共轭传热瞬态源项方法2.BatteryModelCHT方法在如图所示界面中ModelParameters标签下，在电池右侧下拉菜单选择profle，在右侧Browse选择事先写好的profle文件。对于TabElectricCurrent，处理方法也如此。对于瞬态仿真，一般初始的几步计算中需要使用较小的时间步长，如1~2s；计算稳定后，可逐步增加时间步长如30s。在每个时间步内，残差均需达到所需的水平。电池共轭传热还有一类场景需要特别注意，即在计算过程中会出现自然对流带来的传热计算。典型的场景是在冬天或寒冷地区，电池包从工作温度30℃自然冷却到-30℃整个过程的仿真，这个过程中一般的冷却媒介已经不再工作，传热基本上是通过辐射、自然对流和热传导来进行的。针对这类包含自然对流的场景仿真有以下几个注意点:7.2.2电池共轭传热仿真3.设置共轭传热瞬态源项方法2.1）流体域网格一定要设置至少3层边界层网格，且最大长宽比(AspectRatio)不宜超过40。FluentMeshingWTM流程中可以规定生成网格的最大长宽比，一般在设置边界层网格或生成体网格步骤。7.2.2电池共轭传热仿真3.设置共轭传热瞬态源项方法2.2）求解器必须使用双精度求解器。这在启动Fluent时需要指定2.3）设置空气物性密度或采用imcompressibleidealgas并指定密度，或者采用Boussinesq的假定。7.2.2电池共轭传热仿真3.设置共轭传热瞬态源项方法2.4）压力空间离散格式必须选择“BodyForceWeighted”或“PRESTO!”，其他格式极可能产生近壁面非物理解。2.5）时间步长选取需要提前计算系统的瞬态时间常数，一般取时间常数的1/4左右。时间常数计算公式如下:式中，B是热膨胀系数；L是特征长度；ΔT为最大温差；g为重力加速度。7.2.2电池共轭传热仿真3.设置共轭传热瞬态源项方法2.6）压力速度耦合推荐使用Coupled算法，CF,设置在100，密度松弛因子为0.8左右BodyForces松弛因子不宜大于0.5，如下图所示。2.7）必要时需要关闭温度的二阶梯度，在FluentConsole中输人TUI命令：(rpsetvar’temperature/secondary-gradient?#f)。7.2.3电池等效电路模型（ECM)仿真ECM模型是用电路中的电气元件，如电阻、电容、电压源、电流源等构建电路，模拟电池的电性能。由于ECM模型是基于经验，所以需要相关试验数据进行参数拟合。ECM模型计算量很小，求解效率很高，同时ECM等效电路中存在RC并联结构，其对负载剧烈变化工况的跟随性较好。在Fluent中关于ECM模型在参数拟合的时候有4参数(4P)和6参数(6P)两种选项。区别在于4PECM电路中只有一组RC并联结构，6PECM电路中有两组RC并联结构。在绝大多数工程应用中，6PECM模型在鲁棒性、计算准确度等方面是最好的，所以无特殊情况，建议以6PECM来进行相关仿真。7.2.3电池等效电路模型（ECM)仿真电池ECM仿真步骤中部分设置环节与7.2.2节共轭传热部分相同，在以下内容中仅列出与之前不同部分的设置。1.ECM模型仿真流程同7.2.2节共轭传热部分1）.启动Fluent2）.读入网格并检查菜单File→Readmesh中，选中Geom-1P12S-CHT2.msh.gz，网格导入完成后软件会自动显示网格，检查网格质量。3）.通用设置选择压力基求解器;本案例需要计算电池性能随时间的变化，故选择瞬态求解，其余保持默认。7.2.3电池等效电路模型（ECM)仿真1.ECM模型仿真流程打开能量方程；流模型选择Realizablek-e模型及标准面函数。关于流动状态的确定，一般需要先计算雷诺数然后根据其与临界雷诺数的大小来确定流动为湍流还是层流，在电池液冷冷却设计中几乎均为湍流。4）.相关物理模型选择5）.MSMD模块设置在Fuent

中进行电池电化学仿真之前，必须提前激活其相对应的MSMD模块。目前FluentMSMD模块还是以addon-module的方式存在，激活有两种方式。备注:在2020R2版本之前，Fluent电池模型名称为MSMD模块，自2020R2版本开始改名为BatteryModel。另外，自2021R1版本，BatteryModel成为Fuent

内置模块，无须TUI激活即可使用，但依然支持TUI激活。7.2.3电池等效电路模型（ECM)仿真1.ECM模型仿真流程5）.MSMD模块设置方法1是在console中输人TUI命令行:/define/models/addon-module，选择8。方法2是在右上角搜索框中输入addon，直接调用，选择8。方法1方法27.2.3电池等效电路模型（ECM)仿真1.ECM模型仿真流程6）.设置MSMD模型选项在结构树Models中双击MSMDBatteryModel，在弹出的面板勾选EnableBatteryModel。在EChemistryModels下选择电化学子模型EquivalentCircuitModel(ECM);在ElectricalParameters下面的NominalCellCapacity中填写电池的标称容量，本案例为60A·h；SolutionOptions中选择SpecifiedC-Rate(特定倍率)，在右侧C-Rate框中填入1，即1C倍率放电。其余保持默认，单击“Apply按钮。7.2.3电池等效电路模型（ECM)仿真1.ECM模型仿真流程7）.设置ModelParameters在MSMDBatteryModel的第四个标签ModelParameters中设置：设置initialStafeofCharge(初始荷电状态)为1，表示电池处于完全充满状态;ReferenceCapacity的目的是当试验室测试的容量与标称容量不一致时，以测试容量为准，在本案例中填写60A·h;对于特殊电池，其放电曲线与充电曲线有较大差异时，可勾选Usingdifferentcoefficientsforcharginganddischarging选顶。7.2.3电池等效电路模型（ECM)仿真1.ECM模型仿真流程7）.设置ModelParameters在MSMDBatteryModel的第四个标签ModelParameters中设置：设置initialStafeofCharge(初始荷电状态)为1，表示电池处于完全充满状态;ReferenceCapacity的目的是当试验室测试的容量与标称容量不一致时，以测试容量为准，在本案例中填写60A·h;对于特殊电池，其放电曲线与充电曲线有较大差异时，可勾选Usingdifferentcoefficientsforcharginganddischarging选顶。7.2.3电池等效电路模型（ECM)仿真1.ECM模型仿真流程7）.设置ModelParameters目前ECM方法的Datatypes有3种:①Chen’soriginal:拟合关系是以指数形式实现的，一般使用较少。②Polynomial:拟合关系是用5阶多项式来实现的，使用的比较多，尤其是只有单一温度下的HPPC数据时。③Table:在多温度HPPC条件下使用，通过在不同温度下拟合关系生成table，再在计算中通过査表来获取数据。在使用Fuent

自带的参数拟合工具以后，建议单击一下“Reset”按钮，来确认拟合后的参数填充到相应的位置。7.2.3电池等效电路模型（ECM)仿真1.ECM模型仿真流程8）.在上述面板中ECM设置参数时，我们需要使用HPPC数据拟合出各参数与SOC的函数关系，拟合过程需要使用Fluent自带的参数拟合工具，在console中输人以下命令//define/models/battery-model>parameter-estimation-tool,来激活参数拟合工具。7.2.3电池等效电路模型（ECM)仿真1.ECM模型仿真流程9）.设置MSMD模块导电区域在MSMDBatteryModel的ConductiveZones需要定义电池模组的内部区域以及连接关系，在ActiveComponents中选择所有电池本体部分，在PassiveComponents中选择所有的极柱(pole)和母排(busbar)7.2.3电池等效电路模型（ECM)仿真1.ECM模型仿真流程10）.设置正负极及检查电池连接性在定义完电池各部分外，还需要在MSMDBatteryModel的ElectricContacts标签下定义内部或外部的接触面，主要有3个功能:最主要的功能是在ExternalConnectors中定义电池与外部连接时的总正极面(PositiveTab)和总负极面(NegativeTab);另一个功能是定义虚拟连接(VirtualConnection);最后一个功能是在ContactSurfaces中选择相应的面后赋予其相应的接触阻抗(SpecificContactResistance）。完成此步骤设置后，最好单击面板左下方的“PrintBatterySystemConnectionInformation”按钮，Fluent会在console里面打印出基于当前设置下电池间的连接关系，用户可以在进行下一步之前进行设置检查。7.2.3电池等效电路模型（ECM)仿真1.ECM模型仿真流程11）.standalone模式在设置MSMD模块之后，求解计算之前，FluentMSMD模块提供standalone模式，用于初步检査电化学设计是否合理正确，其功能在MSMDBatteryModel面板的AdvancedOption中，单击RunEchemModelStandalone即可，如图1所示。在此模式下，Fluent仅求解电势方程，不考虑温度对其影响，进行简单设置并计算后，单击“DrawProfile”按钮可以近乎实时得到结果。Standalone还可以将soc、voltage、current、power随时间的趋势展示处理，如图2和图3所示。图1图2图37.2.3电池等效电路模型（ECM)仿真1.ECM模型仿真流程12）.设置材料物性在Materials-Solid中右键，选择New，在弹出的面板中按照以下进行设置:Name改为cell；ChemicalFormula改为cell；Density为2194kg/m3；Cp为906J/(kg·K)。UDSDiffusivity:在下拉菜单中选择defined-per-uds，设置uds-0为1.19e6，uds-1为9.83e5。ThermalConductivity:下拉菜单中选择orthotropic，Conductivity0、Conductivity1、Conductivity2分别填人0.5、12、12，按照Direction0Components和Direction1Components的规定，以上Conductivity0/1/2分别对应X、Y、2方向的热导率。7.2.3电池等效电路模型（ECM)仿真1.ECM模型仿真流程13）.设置母排、极柱、箱体和端板材料物性默认使用铝的材料属性，修改UDSDifu-sivity

为user-defined，并选择图示的UDF7.2.3电池等效电路模型（ECM)仿真1.ECM模型仿真流程14）.设置硅胶材料物性。在结构树Materials→Solid中右键，选择New，在弹出的设置面板中进行如下设置:Density为1450kg/m3Cp为1700J/(kg·K);ThermalConductivity为0.1W/(m·K)。修改UDS为user-defined，并选中battery_e_cond：smdbatt，最后单击“Change/Create”按钮，完成硅胶材料设置。7.2.3电池等效电路模型（ECM)仿真1.ECM模型仿真流程15）.设置冷却液材料物性。使用液态水作为冷却媒质，详细设置过程与7.2.2章节步骤2.9相同，完成冷却液材料物性设置。16）.设置计算区域设置流体域CellZoneCondition，在结构树CellZoneConditions→>Fluid中，双击cooling_fluid

流体域，从MaterialName下拉菜单中选择之前定义的water-liquid，其余保持默认。然后设置固体域电池部分。在结构树CellZoneConditions→Solid中选择cell-1并双击，在MaterialName下拉菜单中选择e-mat，将电池材料赋值于电池几何;在cell-1右击“Copy”按钮，将cell-1设置复制到其余电池，设置过程参照7.2.2节的步骤12。最后设置固体域硅胶部分。在结构树CellZoneConditions→Solid中选择silica_gel-1并双击，在MaterialName下拉菜单中选择silica_gel，将硅胶材料赋值于硅胶几何;对silicagel-2固体域重复上述操作。在silica_gel-1右键“Copy”按钮，将silica_gel-1设置复制到其余硅胶。电池的极柱、母排、箱体、端板和冷板默认设置为铝，在此不做修改。7.2.3电池等效电路模型（ECM)仿真1.ECM模型仿真流程17）.设置边界条件设置BC-inlet:在结构树BoundaryConditions→Inlet

中双击inlet-water，在打开的面板Momentum标签下设置VelocityMagnitude为0.53m/s，其余保持默认;在Thermal标签下设置冷却水的温度为300K。设置BC-outlet:双击outlet-water，在打开的面板Momentum标签下设置GaugePressure为0pascal，其余保持默认;在Themmal

标签下设置冷却水的温度为300K。设置BC-壁面:在Wall中双击box:1，在打开的面板Thermal标签下设置，其余保持默认设置;在box:1右键“Copy”按钮，复制到其他通过自然对流散热的壁面。7.2.3电池等效电路模型（ECM)仿真1.ECM模型仿真流程18）.在Solution-Methods中和Solutions→Controls中设置(参照7.2.2节步骤2.15)。19）.设置report和monitor。设置电池平均温度监测过程参照7.2.2节步骤1620）.设置电池SOC监测。在结构树Solution-ReportDefinitions右键，New-VolumeReport→Volume-Average;在弹出的面板中修改Name为report-def-soc,Options勾选PerZone，FieldVariable选择BatteryVariables-StateofCharge,CellZones选择所有的电池，Create勾选ReportPlot，单击“OK”按钮，设置如图所示。7.2.3电池等效电路模型（ECM)仿真1.ECM模型仿真流程21）.设置电池SOC监测在结构树Solution-ReportDefinitions右键，New-VolumeReport→Volume-Average;在弹出的面板中修改Name为report-def-soc，Options勾选PerZone，FieldVariable选择BatteryVariables-StateofCharge，CellZones选择所有的电池，Create勾选ReportPlot，单击“OK”按钮，设置如图所示。7.2.3电池等效电路模型（ECM)仿真1.ECM模型仿真流程22）.设置后处理动画模组内部固体温度分布对于定性的云图、矢量图，制作成动画瞬态计算的展示效果会更好。制作动画的步骤如下:①单击Solution→Initialization，确保算例中有后处理所需数据。②)单击Result-Graphics→Contour，设置过程如图1所示。③单击Solution→CalculationActivities→AnimationDefinition，设置如图2所示，单击“OK”按钮。图1图27.2.3电池等效电路模型（ECM)仿真1.ECM模型仿真流程23）.设置收敛准则一般锂电池的电导率较大，电势的均匀性较好，因此要求其残差一般要小于1x10-，在此不以残差作为收敛判据，通过内迭代步数来控制UDS残差达到要求。在结构树Solution→ReportPlots→ConvergenceConditions中，单击Residuals，如图1所示。在弹出的操作面板中将ConvergenceCriterion设置为none，如图2所示。图1图27.2.3电池等效电路模型（ECM)仿真1.ECM模型仿真流程24）.初始化及求解设置在结构树Solution-Initiation双击，在设置面板中选择HybridInitialization方法。在结构树Solution→RunCalculation双击，在设置面板中将TimeStepSize设置为2，NumberofTimeSteps设置为1500，其余保持默认设置，单击“Calculate”按钮进行仿真求解。7.2.3电池等效电路模型（ECM)仿真2.后处理1）.模组内部温度场分布后处理具体操作方法如下:在结构树Result→Graphics→Con-tours中，右键选择New，修改名称为contour-celltemp，在Contoursof中选择Temperature，选择所有的cell，单击“Save/Display”按钮，得到模组内部温度分布，设置如图1所示结果如图2所示。图1图27.2.3电池等效电路模型（ECM)仿真2.后处理2）.模组内部温度分布动画在结构树Result→Animations中，双击SolutionAnimationPlayback→AnimationSequenees，选择animation-l，单击播放按钮査看动画，通过调整ReplaySpeed来调整播放速度;可通过Write/RecordFormat→MPEG→Write，将动画输出7.2.3电池等效电路模型（ECM)仿真2.后处理3）.模组内部电流矢量分布图后处理操作方法如下:在结构树Result→Graphics→Contours中，右键选择New，设置如图7.93所示，Colorby选择BatteryVariables→CurrentMagnitude，在:Surfaces中选中所有的busbar和pole;单击CustomVectors，设置如图7.94所示:单击VectorOptions，勾选FixedLength并设置为0.3，如图7.95所示:最后修改Seale值为0.004，单击“Save/Display”按钮。模组内部电流矢量图分布如图7.96所示。图1图27.2.3电池等效电路模型（ECM)仿真2.后处理3）.模组内部电流矢量分布图后处理操作方法如下:在结构树Result→Graphics→Contours中，右键选择New，设置如图1所示，Colorby选择BatteryVariables→CurrentMagnitude，在:Surfaces中选中所有的busbar和pole;单击CustomVectors，设置如图2所示:单击VectorOptions，勾选FixedLength并设置为0.3，如图3所示:最后修改Seale值为0.004，单击“Save/Display”按钮。模组内部电流矢量图分布如图4所示。图3图47.2.3电池等效电路模型（ECM)仿真2.后处理4）.模组冷却通道流线图后处理操作方法如下:在结构树Result→GraphicsPathlines中右键，选择New，保持默认名称为pathlines-l，Colorby选择Velocity→VelocityMagnitude，在ReleasefromSurfaces中选择inlet-water，其余保持默认，单击“Save/Display”按钮。图1所示为模组电压随时间变化曲线，图2所示为电池平均温度监测点随时间变化曲线，可较为清楚地看出电池温度变化趋势、不同电池间温度差异以及是否达到平衡状态。图1图27.2.4电池NTGK模型仿真—本质与特点模型定位：基于经验的电化学子模型，是ECM模型的“真子集”（工程简化版）

核心优势◦

优势：使用简单、求解效率高，适配“仅能获取倍率放电测试曲线”的场景。◦

局限：模型假设限制，负载剧烈变化时（如急加速/急减速），跟随性易失真。数据需求仅需“不同倍率的放电测试曲线”。NTGK与ECM模型关系示意图电池模组几何示意图核心逻辑通过“封闭能量守恒、电流守恒方程”实现仿真，关键是求解2个参数：◦

：电池发热量（决定温度场）◦j：迁移电流（决定电性能）封闭流程1.从倍率放电曲线中提取“Y（导纳）、U（开路电压）”2.用Y、U推导得到q和j，使原本不封闭的方程“闭环”3.最终将Y、U拟合为“放电深度DOD的函数”，供仿真调用7.2.4电池NTGK模型仿真—工作原理NTGK模型工作原理1.Step1：曲线转换——将“电压随时间变化曲线”转为“电压随DOD变化曲线”（消除时间维度，聚焦荷电状态）2.Step2：区间划分——将DOD从0~1均分为若干区间（如20~30个区间），提取每个区间的电压值3.Step3：数据录入——将Step2的“DOD-电压”数据，对应填入拟合工具的指定位置（如图7.100Step3）4.Step4：拟合计算——对多条倍率曲线重复Step1~Step3，同一DOD数据点连线：连线截距=该DOD下的U（开路电压，电流=0时）连线斜率=该DOD下的电阻（=1/Y）最终拟合出“Y=f(DOD)、U=f(DOD)”7.2.4电池NTGK模型仿真—参数拟合4步流程NTGK模型参数拟合4个步骤7.2.4NTGK模型—Fluent仿真流程

基础设置（1-3步，与CHT/ECM一致）：◦

启动Fluent→读入网格（Geom-1P12S-CHT2.msh.gz）→检查网格，选“压力基瞬态求解器”

核心差异步骤（4-12步，重点标注）◦

Step4：打开能量方程，湍流模型选“Realizablek-ε模型+标准壁面函数”（适配散热仿真）◦

Step5：激活MSMD模块（Fluent专属电池仿真模块，addon-module形式）◦

Step6：设置模型选项：勾选“EnableBatteryModel”，子模型选“NTCKEmpiricalModel”，填写标称容量（60A·h），C-Rate设为1MSMD模块ModelOptions7.2.4NTGK模型—Fluent仿真流程

核心差异步骤（4-12步，重点标注）◦

Step7：ModelParameters：初始DOD=0（满电），DataType选“Polynomial（5阶，单温度场景）”或“Table（多温度场景）”MSMD模块NTGK模型ModelParameters7.2.4NTGK模型—Fluent仿真流程

核心差异步骤（4-12步，重点标注）◦

Step8：激活参数拟合工具（Console输入命令：define/models/battery-model/parameter-estimation-tool），输入温度、曲线数量、数据文件名NTGK模型参数拟合7.2.4NTGK模型—Fluent仿真流程

核心差异步骤（4-12步，重点标注）◦

Step9：查看拟合结果（生成“fitingresult”文件夹，含对比文件与SCM图片命令）NTGK模型参数拟合后生成的文档NTGK模型对比图拟合工具7.2.4NTGK模型—Fluent仿真流程

核心差异步骤（4-12步，重点标注）◦

Step10：设置导电区域（Active选电池，Passive选母排