在国家政策的大力扶持下,新能源汽车这些年得到了蓬勃的发展。作为新能源汽车的核心零部件,电池包的性能对整车性能的影响是非常大的,因此在研发阶段,各整车和零部件生产商对电池包的仿真分析都非常关注,而电池包热分析是其中很重要的一环。
一般情况下,电池包是由几百甚至几千个单体电池组成,CFD建模时往往会生成超过千万的网格,如果按照传统的CFD方法进行瞬态热分析,计算量是非常大的,不满足实际应用中对分析效率的要求。基于这一点考虑,ANSYS根据CFD热分析的特点,采用降阶处理的方式建立热分析等效模型完成瞬态热分析,大大提高了分析效率。
如果只关注电池放电过程中监测点温度、单体平均温度或出口温度等单个物理量的瞬态响应特性,可以采用LTI(Linear Time Invariant) ROM降阶模型来进行热分析,大概的分析流程如图1所示:
图1 LTI ROM流程
1.1 建立CFD模型
这一步和传统的CFD热分析过程是一样的,根据实际的边界条件建立完整的CFD分析模型,并且计算出在不考虑电池发热情况下的流场稳态结果。
1.2 生成系统的阶跃响应
热问题实际上是一个热系统的响应问题,分析的是不同工况下输出量(所关注的温度)对输入量(电池热源)响应。
这一步是要得到某个工况下电池包热系统的响应。
在上一步模型基础上给定阶跃输入(设定电池一个固定发热量)进行瞬态热分析,记录输出量的阶跃响应(就是在Fluent的monitor中保存相应的.out文件),当输出量不再随时间明显变化时结束瞬态分析。
1.3 使用Simplorer生成LTI ROM
ANSYS在系统仿真软件Simplorer中开发了专门用于生成LTI ROM的工具(如图2),使用该工具可以根据上一步的阶跃响应文件(.out文件)自动生成LTI ROM,生成的ROM(图3)与原系统具有同样的系统响应特性,这样ROM就可以得出与原系统等效的分析结果。
在此例中,ROM的输入端是电池模块中16个电池的发热量,输出端是16个电池的平均温度。实际案例中,输入端和输出端的数量都是可以根据实际情况来设定的。
图2 LTI ROM萃取工具
图3 在Simplorer中生成的LTI ROM
1.4 在Simplorer中完成仿真
生成LIT ROM之后,就可以在ROM中(图3的左边端口)给定任意工况下电池的发热特性(图4),得到各个电池的平均温度随时间变化的结果。
在Simplorer中只需要经过几秒就可以得到一个新工况的仿真结果,即使加上前边3个步骤,计算时间也一般不会超过1个小时,远远小于传统CFD瞬态分析在多核并行情况下几个小时甚至几十个小时的计算量。同时,从图5可以看到,由于LTI ROM与原电池包热系统具有相同的响应特性,降阶处理之后的分析结果与CFD分析结果完全一致,计算精度上不会有任何损失。
图4 电池任意工况(发热量随时间的变化曲线)
图5 CFD瞬态分析结果(实线)和ROM分析结果的对比(点线)
LTI ROM可以得到任意电池任意工况下各关注点温度随时间变化的结果,比如任意监测点温度、单体电池的平均温度或出口平均温度等,但无法得到电池包温度场随时间变化的可视化化效果。
要生成温度变化的可视化效果,需要用到另一种降阶处理方法:SVD (Singular Value Decomposition) ROM。
SVD ROM的分析过程(图6)和LTI ROM过程是类似的,需要通过Simplorer中的SVD ROM萃取工具生成ROM,不同的是SVD ROM在过程中保存的是温度场的响应数据,而最后需要在Fluent中通过后处理生成温度变化的动画(图7)。
图6 SVD ROM流程
图7 电池包温度变化动画
由以上介绍可以看出,LTI ROM和SVD ROM都需要给定电池的热源特性才能得到相应的分析结果,这样就会有两个问题:
a) 电池的热源特性是通过试验测试得到的,某些情况下可能会由于条件限制而无法获得该数据;
b) 电池的放电过程受温度影响,因此电池放电发热导致温度升高,这样又会反过来影响电池放电,如果直接指定电池的热源就无法考虑温度反馈带来的影响。
因此,ANSYS采用现已成熟的电池等效电路模型(ECM)来模拟电池的放电过程,通过ECM与ROM耦合的方式来解决前边提到的两个问题。
和ROM工具一样,ANSYS在Simplorer开发了专门用于生成ECM的工具,大概流程如图8所示。
图8 ECM建模流程
3.1 获取电池充放电曲线
需要通过试验测定单体电池的两组特性曲线数据:
a) 开路电势 vs SOC曲线(open circuit potential vs SOC (state of charge) )
b) 脉冲放电情况下的瞬态电势(transient potential under pulse discharge)
3.2 生成ECM
这个和ROM生成过程一致,基于上一步的试验数据,在Simplorer中使用专门的ECM萃取工具生成单体电池的ECM模型。
3.3 搭建电池包电路模型
根据实际情况,将单体电池ECM模型通过串联或并联的方式搭建电池包的电路模型,其中还可以加入电机、电阻负载等电路元件。
3.4 在Simplorer完成电池包电路仿真
模型搭建完成之后就可以在Simplorer中进行电池包电路系统的仿真分析,得到各种电池特性曲线,其中电池的热耗散可以作为CFD分析的热源输入数值,用于与ROM的耦合分析。
由以上介绍可知,ANSYS是在Simplorer这一个平台中创建了LIT ROM、SVD ROM和ECM三个模型,在这基础之上,就可以搭建如图9所示的完整电池包热分析模型。
在这一个ECM和ROM耦合的模型中,ECM计算电池热源的热耗散并把数据传递给两个ROM,其中LTI ROM计算出电池的平均温度并把此温度反馈回ECM,这样就可以考虑温度对电池放电的影响,而SVD ROM则计算并保存了整个温度场分布随时间变化的过程。
从图10可以看出传统CFD分析方法和降阶处理方法在计算时间上的差别,按传统CFD分析方法进行瞬态分析在单核计算情况下需要约5个小时,而降阶处理方法仅仅需要耗费几秒钟,即使加上生成ROM的时间也不超过半小时。而且在实际应用中,模型越大,这种时间上的差距就越大。
图9 完整的电池包热分析模型(ECM和ROM耦合)
图10 对比数据
热分析是电池包设计中比较重要的问题,而电池包瞬态热分析的计算量比较大,不满足实际应用中对分析效率的要求。ANSYS采用降阶处理的方式,通过LTI ROM、SVD ROM与ECM耦合方法搭建了完整的电池包热分析模型,从结果可以看出,这种方法不仅保证了与传统CFD分析方法一样的精度,还大大缩短了计算时间,提高了实际用于中的分析效率。
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