一条通往合格动力电池热管理仿真和设计工程师之路

一、 电池热管理概述

电池热管理系统(BTMS)，是用来确保电池系统工作在适宜温度范围内的一套管理系统，主要由电池箱、传热介质、监测设备等部件构成。

温度对动力电池整体有非常显著的影响，一般要综合考虑温度对电池性能、寿命和安全的影响，电池热管理系统需要维持电池处于最优工作范围，获得性能和寿命的最佳平衡。

电池热管理系统有如下几项主要功能

(1)电池温度的准确测量和监控

(2)电池组温度过高时的有效散热和冷却；

(3)低温条件下的快速加热，使电池组能够正常工作；

(4)有害气体产生时的有效通风；

(5)保证电池组温度场的均匀分布

电动电池作为电动汽车的唯一动力来源，是影响电动汽车性能的重要指标，电池必须满足性能要求才可以保证正常的行驶。

二、 电池热管理工程师的工作内容

1、协同进行电芯或模组的选型、热管理性能评估及设计目标确认

• 评估电芯模组的高低温性能_容量衰减、能量衰减、循环寿命、发热特性等；
• 明确电池热管理系统的设计目标_最高温度、最低温度、电芯温差、电池保温性能、升温速率等；

2、电池热管理系统设计一水冷电池包为例

• 电池冷板设计一流道设计、流程设计、内部结构设计等；

• 保温(外部保温)，导热(导热垫)和其他散热结构设计；

3、电池热管理系统控制策略设计温度计算、热行为识别算法

• 电池冷板水温流量需求、充放电倍率边界等；

4、试验策划实施—电芯台架试验、整包台架试验、整车标定试验

三、 电池热管理工程师需要掌握的技能

技能工具的使用：

• 3D建模工具— catia，UG， Solidworks
• CFD仿真工具—star-ccm 、 fluent、ansa、 hypermesh
• 1D仿真工具— Flowmaster、KULI、GT- SUITE
• 报文采集及曲线分析 c****yzer， contest

• 开发标定工具—C语言， Matlab，INCA等

四、 电池热管理工程师的职业发展前景

1、普通工程师

• 工作1~3年，参与1~2款电池包热管设计；

• 熟练掌握相关设计工具、仿真软件和试验方法；熟悉电池性能和成组要求；

2、资深工程师

• 工作3~5年，主持5款以上电池包热管设计

• 能独立负责供应商管理交流、负责SOR发放、制定相关试验标准；对行业新的技术发展方向有一定了解

3、专家工程师

• 工作5~10年，参与3款以上电池包热管设计

• 可以独立负责方案制定、性能定义，解决复杂技术问题；对行业型的技术发展方向有深入了解。
  

五、 动力电池热管理仿真和设计

如上，你是属于那类热管理工程师呢？热管理工程师的基本工作基本分为两大块，一块是热管理仿真工作，另外是热管理设计工作。

热管理仿真工作， 常用star-ccm 、 fluent作为仿真的工具，但是在利用仿真软件在划分网格时，效率比较低。如利用star-ccm 划分网格时容易出现穿刺面，处理比较麻烦，这时可以利用ANSA或者hypermesh进行网格前处理。在模型的简化时可以利用ANSYS-SCDM对三维模型进行简化再进行网格前处理。见下文网格和仿真温度云图。

下面简单讲解一下仿真流程： 电池热管理CFD分析，采用流-固耦合分析方法。

1、几何模型简化

几何模型简化是否合理直接影响到计算量大小以及模型计算精度，具体模型简化复杂程度，需根据分析目的、 热管理方案、计算资源、任务周期等综合考虑。
一般简化规则为：根据分析目的，尽可能保留对传热影响较大的零部件和特征，忽略对传热影响较小的零部件和特征。总结以下几点供参考:

• 对自然冷却电池电池包，需考虑空气传热影响，保留箱体、电池模组结构等；
• 去掉 螺栓、连接件、线束等对传热影响较小的零部件；
• 对圆角、螺栓孔等细节特征进行简化处理；
• 对于完全对称模型可考虑对称建模；
• 去掉固定连接组件、底部泡棉支撑等对传热影响较小部件，

• 去掉水冷板内部对体网格质量影响较大的尖角、圆弧面等细节特征。

2、网格模型建模

Hypermesh或者ANSA中对模型划分面网格，网格需尽可能保持简化模型的所有特征

合理选择网格划分方法，如有圆弧面的特征可通过surface deviation控制保持圆弧面曲率；合理设置网格尺寸大小，保持网格质量同时尽量减小网格数量；面网格生成完成后检查网格质量，重点检查最小网格尺寸，避免有<0.2mm等非正常网格特征；

面网格重构：合理设置网格尺寸，可局部控制部分细节特征，保证重新生成面网格质量合格，网格数合理；生成体网格：设置流体边界层，可选择切割体网格或多面体网格两种网格生成方式；一般几何规则模型可考虑选择切割体网格，几何复杂，曲面较多的模型选择多面体网格。

3、热模型建立

流场分析：在电池冷却系统设计过程中，对冷却系统进行流场分析，得到在不同流量下冷却系统的流阻特性、流量分配 等信息，用以初步评估冷却系统冷却均匀性，并为水泵选型和匹配作参考。

放电工况分析：放电工况目前只含高温高速工况一项，即对电池在高温状态下工作进行仿真模拟，评估冷却系统性能，以及 电池最高温、温差等指标。

充电工况分析：充电工况包括高温快充、常温快充、低温快充、低温慢充等，主要用于评估在不同温环境条件下，电池的充 电特性以及温度、温差等热管理指标。

热管理设计工作，主要对热管理设计过程中的主要的热管理零部件熟悉，难点就是怎么利用这些热管理零部件去实现电芯在适宜温度区间工作。如下图是某款乘用车pack简化后的爆炸图。热管理系统采用4条并联型材 FSW工艺铝板，内部流道冲压成型，结合导热垫、隔热垫、尼龙管加快捷插头的形式，搭建了整个热管理系统的基本结构。

六、快速成为合格工程师的通道

那么作为一个刚刚毕业进入到新能源工作的同事，或者说在校生有从事新能源热管理工作的同学，如何在最短的时间内能达到一名普通的工程师呢？新能源动力电池热管理仿真和设计涉及面广、难度大，仅理论基础就涉及传热学，热力学，流体力学，机械设计，电化学，电池基础知识等。对一个新手来说，很难在短时间内，涉及到多个领域去学习。 如果靠自己摸索，从新手到能独立建立动力电池热仿真模型或者设计热管理系统，将会是一个漫长的过程。

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