应用于稳态电池模块的 Fluent 等效电路模型
电池模块热设计挑战
电池模块热管理的主要挑战之一是确保温度低于最大工作限值。较高的温度会导致效率降低、加速老化和潜在的安全隐患。工程师还必须在热效率与强制对流冷却的复杂性、能力和成本之间取得平衡。
了解和预测电池模块的热行为需要整合电池及其周围环境内的传热过程，以全面分析温度分布。仿真模块对于使工程师能够识别潜在热点并优化冷却策略至关重要。
可以通过电池单元的物理测试数据来增强模块热行为的仿真。生成这些数据可能既昂贵又耗时，因为 HPPC 测试涉及多个周期，每个周期都需要在不同放电和充电速率下进行详细测量。这使得该过程非常耗时，并且可能需要几个小时甚至几天，具体取决于电池的容量和测试条件。使用 HPPC 数据向仿真模型输入正确的值也是一项挑战。
工程解决方案
Fluent 软件提供了用于仿真和分析电池模块中热行为的工具。凭借其 Circuit Network - Equivalent Circuit Model 功能，Fluent 使工程师能够对复杂的热相互作用进行建模并评估不同的冷却策略。该软件能够处理大规模仿真，使其成为优化电池热管理系统的理想选择。
通过使用 Fluent，工程师可以进行参数化研究，以探索各种设计配置和冷却技术。这样可以确定确保均匀温度分布和高效散热的解决方案，最终提高电池性能和安全性。
为了应对热管理挑战，工程师可以使用 Fluent 软件评估多个输入。这些输入可以包括不同的电池容量、C-Rate 和 HPPC 数据。Fluent 的模拟功能允许评估这些不同的输入。
方法
在本讨论中使用 Fluent 设置电池模块仿真涉及几个步骤。这些步骤包括思维导图、产品导图和 Fluent 案例设置。
思维导图：生成电池模块的思维导图，以结构化的方式组织和表示想法、概念或信息。下面的思维导图显示了模拟研究的目标以及为实现目标而提出的问题。每个问题后面都有一个理论、行动和预测来解决每个问题。生成结果时，结果也会添加到每个分支的底部。
产品地图：生成电池模块的产品图，以列出和分类产品功能。产品地图表示与思维导图中的理论/行动相对应的设计因素。下图显示了一个示例电池模块。
Fluent 模拟：Fluent 模型是根据思维导图生成的研究生成的。在这种情况下，采用 8 因子、2 水平分数阶乘 DOE，从而产生 16 个唯一的 Fluent 模型。与电池相关的输入使用 Battery Model （电池模型） 进行设置。仿真使用具有有源单元和无源片的等效电路模型。有源电池释放热能，电流设置在两个端子之间。下图显示了为电池模型填充输入的步骤顺序。
执行仿真计算以生成结果，重点关注温度分布和势场。分析治疗数据以回答理论问题并确认或反驳预测。
Fluent 电池仿真结果
HPPC 数据分辨率：用于等效电路网络的完整 HPPC 数据集由 3 个温度级别的 13 个 SOC 级别组成，数据文件的最大总数为 39 个。通过使用测试 3 个 SOC 水平（低、中和高）和完整的 13 个 SOC 水平来改变这些数据的分辨率。数据的分辨率也通过仅使用中间温度和使用完整的 3 个温度水平来变化。生成的 4 个 HPPC 数据集及其相应的拟合电阻曲线如下所示。由于用于拟合的数据较少，因此得到的
图形分析： 关键输入因子的最大电池温度（以环境温度上升表示）以图形方式显示，如下所示。启用 E-Chem 热源开关的影响最为明显。如果开关关闭，则没有或很少对电池施加热排斥，从而导致温度不会升高。C 率的影响次大。随着 C 速率的增加，电池在环境温度下的最大上升量增加。容量和初始 SOC 对最高温度的影响很小。随着容量的增加，最高温度增加，随着初始 SOC 的增加，最高温度降低。
温度可视化：使用温度等值线图以图形方式显示关键输入因子的电池温度分布，如下所示。E-Chem 开关和 C 速率的显著性由等值线显示。前两根色谱柱的 E-Chem 热源和 Joule 加热处于停用状态。
焦耳热开关的影响：焦耳热开关主要影响势场、电流大小、焦耳能量和总能量的预测。
E-Chem 开关的影响： E-Chem 源开关主要影响模块的温度以及电池网络电压的范围。
容量的影响：容量影响组件温度、热量释放、电位场和网络电流。
C 倍率的影响：C 倍率主要影响组件的温度以及焦耳热源和总热源。
初始充电状态的影响：初始充电状态主要影响网络电压的范围。它对组件温度和焦耳/总热源有轻微影响。
参考容量的影响：参考容量主要影响网络电压和网络电阻的范围。
HPPC SOC 分辨率的影响：HPPC SOC 分辨率主要影响网络电压范围以及总热源。
HPPC 温度分辨率的影响：HPPC 温度分辨率主要影响组件网络电压的范围。
设置详细信息：以下视频将逐步介绍设置的亮点。
