自主CAE | 基于PERA SIM的电池液冷散热仿真分析
摘要：本文通过安世亚太自主开发的通用流体仿真软件PERA SIM Fluid对电池液冷散热进行计算分析。通过这个计算分析，展示PERA SIM Fluid的相关功能，希望对其他工程师有所帮助。
关键词：动力电池；散热；水冷；共轭换热
点击下方视频，查看精彩案例演示
1.引言
动力电池作为现代电动汽车、混合动力汽车等新能源交通工具的核心部件，其重要性不言而喻。它不仅关系到车辆的性能、续航里程，更直接关系到车辆的安全性和可靠性。动力电池是新能源汽车的“心脏”，它为车辆提供源源不断的动力。随着新能源汽车市场的不断扩大，对动力电池的性能要求也越来越高。高能量密度、高功率密度、长寿命、低成本等成为了动力电池研发的主要方向，而在这些性能要求中，热管理尤为重要，动力电池在工作过程中会产生大量的热量，如果不能及时有效地散热，就会导致电池温度升高，进而影响电池的性能和寿命，甚至可能引发安全事故。
仿真技术，作为一种先进的计算机辅助设计方法，为动力电池的热设计提供了强大的支持。通过仿真，设计师可以在计算机上模拟电池在不同工作条件下的热行为，预测电池的温度分布、热流密度等关键参数。这不仅可以帮助设计师更好地了解电池的热特性，还可以为电池的结构优化、散热设计提供重要的理论依据。在动力电池热设计的实际应用中，仿真技术已经取得了显著的成果。例如，通过仿真技术，设计师可以优化电池的散热片结构、改进冷却液的流动方式、调整电池模块之间的间距等，从而有效地降低电池的工作温度，提高电池的性能和寿命。同时，仿真技术还可以用于评估电池在不同工作环境下的热安全性能，为电池的安全使用提供有力保障。
本文通过通用流体分析软件PERA SIM Fluid对圆柱电芯液冷散热工况仿真分析，展示PERA SIM Fluid实现动力电池热分析的方法。
2.电池模组结构与研究方法
结构上动力电池系统由电池pack、冷却系统、结构框架、保护外壳、电气连接器、安全装置、软件控制系统等多个复杂组件构成，本案例中采用的电池模块仅保留多个电芯、液冷管道以及电芯外塑料件。
图 1 电池Module模型
3.仿真设置流程
3.1 模型建立及简化
1) 打开PERASIM Fluid 2024R1，在工作目录下新建项目【BatteryThermal】，将准备的好的电池几何文件“Battery.stp”导入。
图 2 几何导入窗口
图 3 导入后的电池模组几何模型
2) 整个模型中还缺少内流场，通过上方Ribbon功能区中【几何】→【创建】功能，选中管道的开口，创建面来封闭内流场，同理，另一半的出口管道也通过这个方式来创建；
图 4 选中线后创建面
3) 在 Ribbon 菜单上选择【几何】 →【快速修复】，激活快速修复功能，保持默认设置，点击【修复】按钮。如下图所示：
图 5 快速修复属性面板
4) 执行【几何】 →【修复】 →【识别体】功能，软件会基于面自动识别出对应的体区域，将之前生成的入口和出口面封闭成流体域：
图 6 识别体前（左）后（右）的模型树示意
5) 在模型树节点中点击相应的体节点，可获得视图区几何体高亮。可以看到在左侧模型树中多了一个几何“PlasticPack_S.2”，点击后可以看到，该几何即生成的流体域，软件自动命名为“PlasticPack_S.2”，在节点“PlasticPack_S.2”上右键单击重命名，将“PlasticPack_S.2”修改为“Fluid”，如下图所示：
图 7 自动识别的流体域
6) 执行【几何】 →【面编辑】 →【分组】功能，将创建的两个面分别分组至“inlet”和“outlet”；
图 8 面分组功能来定义液冷入口和出口
7) Ribbon功能区中切换到【网格】功能，【网格】中先进行【全局网格】设置。设置最大尺寸0.008，最小尺寸0.002，点击【应用】；
图 9 全局网格控制基本设置
8) 在【网格】功能中，勾选【多面体】，选择进行【基于体】生成体网格。生成网格216989个多面体网格。通过【工具】下的【网格切平面】功能，可以进行网格剖视查看。通过【网格】功能下的【质量】功能，可以查看网格质量分布。
图 10 生成的体网格
图 11 网格切面
图 12 网格质量查看
3.2 求解设置
1) 模型树区域由【网格】模块切换到【分析】模块下，进行求解条件的设置：
图 13 分析模块
2) 在【模型】中右键【能量】，激活能量方程求解；
图 14 激活能量方程
3) 在【模型】中【粘度】模型里，选择模型为SST kw模型；
图 15 粘度模型的设置
4) Ribbon功能区中，切换到【设置】功能下，点开【材料库】，将材料库中的液态水复制到材料中，点开模型树中的【材料】节点，可以看到液态水已经在材料中了；通常动力电池的液冷系统中不会采用水作为冷却液，而是乙二醇和水的混合液、LM-8型载冷剂等，以便适应低温环境或者微小流道，本案例为了方便演示仅添加水作为冷却剂；圆柱电芯是各向异性材料，在材料中添加【battery】材料，密度2160kg/m3，比热容900J/(kg*K)，导热系数【0.5 0.5 15】W/(m·K)；添加外侧的包裹的复合材料【Plastic】，密度2000 kg/m3，比热500 J/(kg*K)，导热0.08 W/(m·K)；
图 16 添加材料
5) 点开【计算域】节点中的【流体】节点，将除了Fluid以外的所有计算域均选择并右键，更改为固体，其中所有的电芯设置为【battery】材料，并添加热源项50000w/m3；将电芯外侧的包裹材料改为【Plastic】；
图 17 设置计算域
6) 点开【边界条件】节点，右键单击“inlet（壁面） ”节点，选择【类型】 →【速度入口】，双击“inlet（速度入口） ”节点，打开速度入口属性设置界面，设置【法向速度】 为2（m/s），其余设置保持默认。右键单击“outlet（壁面） ”节点，选择【类型】 →【压力出口】，双击“outlet（压力出口） ”节点，打开压力出口属性设置界面， 设置【湍流】→【定义方式】为【强度和粘性比】；
图 18 边界条件的定义
7) 双击【求解】节点下的【方法】节点，打开求解方法设置属性页，设置空间离散动量格式为【二阶迎风格式】，湍流格式为【二阶迎风格式】，压力格式为【标准格式】，其余设置为默认，点击【应用】按钮确认设置；
图 19 求解方法的设置
8) 双击【求解】节点下的【控制】节点，打开方程求解控制设置属性页，保持默认设置；
9) 双击【求解】节点下的【初始化】节点，打开求解初始化设置属性页，保持默认设置，点击【应用】按钮确认设置；
10) 双击【求解】节点下的【计算】节点，打开计算设置属性页，设置【并行选项】→【本地】→【核数】为 4，【迭代选项】→【迭代步数】 为 200，其余保持默认设置，点击【应用】按钮确认设置。
图 20 计算设置
4.计算结果分析
PERA SIM Fluid后处理包括点数据提取，线、面、分割区域的云图、矢量图、等值线/等值面、动画、二维数据表/曲线、用户自定义变量等。这里仅展示部分功能。
左侧模型树上方切换到【结果】标签页下，Ribbon功能区切换到【后处理】功能中，可以进行相关的后处理操作，下面展示部分后处理计算结果。
图 21 温度分布图
图 22 液冷管道压力分布云图
图 23 中间小流道的速度分布图
图 24 对标软件中计算的电芯温度
图 25 对标软件中流道压力分布
5.结论
本文利用PERA SIM Fluid流体仿真软件，实现了动力电池模组的散热分析。完成模型导入、几何修复、网格划分、边界条件以及求解参数等设置处理后，进行了求解，得到了电芯的温度、液冷的压降等参数并与某主流流体仿真软件进行对比。
通过本案例可以看出，PERA SIM Fluid流体仿真软件能够处理完整的流体仿真。
1. 从几何层面上来讲，软件支持多种外部模型类型的导入，并对模型进行快速地修复；
2. 从网格层面，软件支持多种网格控制方式，支持多面体体网格生成；
3. 从材料来讲，软件提供了材料库，提供了多种常用材料的快速导入以及自定义材料的输入；并且提供了多种湍流模型来适应多种不同的工况的计算；
4. 从计算域功能来看，软件支持对计算域热源项进行定义，支持共轭传热问题的计算；
5. 从边界条件层面来讲，软件支持压力、流量、速度等多种载荷类型，支持多种壁面边界条件以及流体交界面的定义；
6. 从后处理层面来看，软件可以查看计算的速度、压力等结果云图，也支持查看特定截面的云图展示，同时支持通过积分计算对某些流动变量进行提取等功能。
本例仅能展示PERA SIM Fluid流体分析软件的部分功能，还有很多功能有待感兴趣的工程师进一步地尝试开发。
作者：安世亚太高级流体工程师 陈瑞
