• 对于比较大型的电池包的CFD仿真，推荐对电芯的 性能响应计算采用等效模型 • 等效模型易于建立，只需要简单的脉冲功率特性 测试数据
HPPC 测试
电池模组优化设计
电池模组优化设计
600秒驾驶循环结束时 电池模组的温度场分布
电池模组优化设计
电池模组优化设计
电池模组优化设计
模组重量22 kg 包括导热板，冷却管路，
锂电池包的CAE仿真
校正电池包的工作温度是最基本的要求，因为它会影响: • 电池包性能(功率和容量) • 充电接收(制动能量回收阶段) • 寿命周期 • 安全性 • 车辆操作和维护成本.
CAE 特别适合用于设计合适的冷却系统，以此保证: • 电芯和模组的温度一致性 • 保证电池包温度在安全范围内 • 分析冷却系统效率 • 电池包的轻量化
Cooling
Liquid Ethylene
Glycol C2H6O2
Electricalponge Rubber
电池模组优化设计
电芯响应特性定义:
• 电芯几何及尺寸参数提取（X光照射或解剖） • 这些几何参数需要输入到BDS中
“An efficient thermal management system is required to maintain battery temperature in a narrow range for electric vehicles”
国外分析案例
水冷电池包内部流场分析结果
国外分析案例
Dedicated Post-Proc
TBM file
COMPUTE
Electro/Thermal simulation
MESH
Automated
Samsung SDI STAR-CCM+ 改进电池包冷却设计
• Designed novel liquid coolant based thermal system
最主要的输入条件是 电芯及电池包产生了多少热量？
两种仿真方法比较
传统方法
• 设定电芯或电池包的发热功率是均一 分布的
• 发热功率值一般为常数/方程/表格 • 发热功率一般不受温度影响
STAR-CCM+ BSM 方法
• 电化学求解器和流场温度场求解器耦 合计算
• 集流体上的电流分布遵循泊松方程 • 电芯的电压、SOC、发热功率在空间
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Share ceEllledcattrao/Thermal simu3laDtiocnell
3D mDoedduicleated Post-Proc
TBM file
ANALYSE
Dedicated Post-Proc
DESICGONMEPXUPTLEORATION
上是非均一分布的 • 温度对电芯性能产生影响，包括对发
热功率的影响
Q+Tab
Q11 Q12 Q21
Q-Tab
Qij
Qnm
单电芯基于传统和BSM方法的计算比较 4C 放电100% SOC到 0% SOC
4度
8度
耦合方法
• STAR-CCM+一个软件完成耦合计算，BSM模块的求解器计算电化学，流体求解器计算流场和温度 • 采用瞬态双向耦合模式，精确计算热源在电芯上的空间分布及随工况/时间的变化，发热功率和电芯温
衬垫和外壳
电池模组优化设计
优化变量: 冷却系统几何形状
优化目标: • 单目标: 模组重量最低 • 限制条件:
• 温度一致性<= 3oC • 管路压降< 15 000 Pa
优化方案
BDS
STAR-CCM+ BSM
STAR-CCM+ BSM
BUILD
3D cell
MO3CDDeUlmlCDLoHedEsuAilgeRn ACTERMISodEeAlMsutoEmSaHted
总结
STAR-CCM+ BSM 可以实现对电池的电化学性能和电 池温度之间复杂的耦合影响关系进行分析
在要求冷却系统轻量化的时候，为了保证电池的温度一 致性，电池包的冷却设计优化十分关键
自动化的优化流程对产品设计带来了显著的收益 • 模组的热管理系统设计优化用时1周以内 • 一系列的最优方案可供选择
电池模组设计优化计算- 优化结果
初始设计方案
最优设计方案
• 重量降低35% • 温度一致性提高了
30%
STAR-CCM+ BSM Amesim Co-simulation
Amesim
• 集成了3维详细分析和1维系统分析 • 输入真实的驾驶循环，以此得到真实的功率需求和冷却边界条件给3维模型
STARCCM+ BSM
度之间的互相影响 • BSM模块自动生成电芯的标准几何模型，并便捷的组合成电池模组 • 整个设置流程高度定制化
STAR-CCM+ Battery Simulation Module
电化学性能计算
Electrical Solution
热源分布 温度分布
每个迭代步
流体温度场分析
Thermal Solution
全系统设计– LMS Amesim
将模组或电池包的3维分析连接到复杂 的动力总成系统模型中
耦合分析流程
BDS
CHARACTERISE
Cell Design
Models
SHARE
Share cell data
STAR-CCM+ BSM
BUILD MODULE
3D cell
3D module
ANALYSE
结果对比：
电池表面温度对比
水套换热功率对比
电池模组电压对比
电池模组优化设计
电池模组热管理分析 • 在BDS中预先定义软包电池参数 • 建立电池模组，包括:
• 完整电芯包括极耳 • 外壳 • 绝缘衬垫 • 电流导流件 • 冷却系统 分析驾驶循环下的电池包响应
Cell
Pouch Cell NMC/LMO-
Graphite
Module Cell Assembly
14S2P
Nominal Voltage
50V
Battery Module Specifications
Nominal Capacity
Energy
30Ahr
1.5kWhr
Dimensions
Width and Length are variables Height: 25 cm
Car industry mutation
Source:
今天的技术挑战
车辆电气化的一个关键因素是电力储能技术.
多种锂电池的化学体系可供选择. 考虑到应用场合，选 择一款适合的锂电池
考虑到产品的应用要求，一下几点要注意: • 产品应用特点决定电池的选择 • 电池包尺寸 • 电池包热管理设计 • 电池包寿命对系统性能的影响
Electro/Thermal simulation Automates the CAD generation, BSM pre-
processing, solving and post-processing
MESH
Automated
HEEDS MDO
更快的发现更优的设计
电池模组设计优化计算
Feasible Designs Infeasible Designs
西门子电池模拟解决方案
Wide Length Scale Solution
微观结构电化学
通过SEM生成电极几何模型 新的电池设计理念
电芯设计及虚拟测试
通过详细的几何设定和电化学模 型参数定义，对电芯进行精确性
能模型和设计
电池包设计
通过流场、温度场和电化学的耦合分 析，实现对电芯、模组及电池包级别
的详细分析
Volumetric Heat Rejection and Jelly Roll Temperatures are generated inside the pack.
• Thermal systems is critical for high performance and long battery back life. • Simulation helps maintain batteries in narrow temperature range
• Predicted sensitivity of thermal performance to contact resistance
• Reduced thermal variation inside batter pack
Examining tradeoff between pressure loss on coolant system to temperature uniformity