应用于电池模块的 Fluent 共轭传热耦合

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。

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。凭借其共轭传热 （CHT） 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 软件评估多种方法。一种有效的方法是设计冷却系统，例如液体冷却，它可以显着增强散热。Fluent 的仿真功能允许评估这些系统在不同作条件下的性能。

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，采用了 6 因子、2 水平的分数阶乘 DOE，从而产生了 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。模拟使用带有主动单元和被动标签的 CHT 耦合。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冷却液通道压降。分析设计处理数据以回答理论问题并确认/反驳预测。
 

Fluent 电池仿真结果

重要因素：最高单元温度和冷却剂流量压降是正在考虑的关键指标。对最高电池温度的分数阶乘分析表明，冷却剂入口温度是研究的最重要因素，紧随其后的是电池能源，然后是冷却剂流速。冷却液流速是唯一对冷却液流量压降有明显影响的输入因子。

图形分析： 关键输入因子的最高电池温度以图形方式显示，如下所示。单元温度和冷却剂流速之间的温和关系以绿色显示。当冷却液流速从 0.5 升/分钟增加到 1 升/分钟时，最高单元温度略有降低。电池温度和能源之间的更强关系以蓝色显示。当电池能量源从 10 瓦增加到 20 瓦时，最高电池温度平均急剧上升。单元温度和冷却液入口温度之间的最强关系显示为红色。当冷却液入口温度从 11 C 升高到 22 C 时，最大单元温度平均急剧上升。

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。与冷却剂流速的影响相比，冷却剂入口温度和电池能量释放的重要性更容易看到。

不太重要的因素： 极耳电流和壁面对流系数等因素对电池最高温度影响不大。壁对流自由流温度的微弱影响表现为随着自由流温度的升高，单元温度的小幅升高。
 

压降： 增加流速是降低细胞温度的一种方法;但是，增加流速可能会导致更高的压降。包含所有 16 个数据点的压降图清楚地显示了冷却剂流速因子的主导地位和所有其他因素的微不足道。当流速从 0.5 升/分钟增加到 1.0 升/分钟时，压降增加了一倍多。
 

Ansys 解决方案的优势

ANSYS 提供用于仿真电池模块的高级功能，具有众多优势，包括增强设计优化、提高安全性和节省成本。通过准确预测模块性能，制造商可以更高效地设计满足特定要求的电池。

这些仿真的应用遍及各个行业，例如电动汽车、消费电子产品和可再生能源存储解决方案。它们有助于开发具有更高能量密度、更长使用寿命和更好热管理的电池，这对于这些技术的进步至关重要。

Ansys Fluent 支持评估多个设计/输入因素，例如冷却剂流动、单元热释放、极耳电流、单元几何结构、材料属性和外部传热。热工程师可以评估多个设计选项，以了解电池的热行为以及一些电气行为。除了 Fluent 之外，ANSYS 还提供 DesignXplorer、OptiSLang 和 Twin Builder 等工具，用于进一步的设计参数化和评估。