(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利
(10)授权公告号 (45)授权公告日 (21)申请号 202010959162.3
(22)申请日 2020.09.15
(65)同一申请的已公布的文献号
申请公布号 CN 112231945 A
(43)申请公布日 2021.01.15
(73)专利权人 中国汽车技术研究中心有限公司
地址 300300 天津市东丽区先锋东路68号
专利权人 中汽研（天津）汽车工程研究院有
限公司
(72)发明人 齐创 邝男男 张亚军 方锐
栗国 邓浩然 裴志豪 赵光磊
(51)Int.Cl.
G06F 30/23(2020.01)
G06F 119/08(2020.01)(56)对比文件CN 111027164 A ,2020.04.17CN 111428335 A ,2020.07.17CN
109884527 A ,2019.06.14CN 105468878 A ,2016.04.06CN 111597719 A ,2020.08.28CN 111539125 A ,2020.08.14潘巍等.《基于Star-CCM+&AMEsim联合仿真的液冷电池包热管理》.《电池工业》.2018，第22卷(第6期)，郑站强等.《基于一维/三维藕合仿真的某款拖拉机散热系统分析》.《农业技术与装备》.2020，第361卷(第01期)，审查员 严凯丽 (54)发明名称一种基于star CCM+与Amesim的动力电池系统热扩散联合仿真方法(57)摘要本发明实施 例公开了一种基于star CCM+与Amesim的动力电池系统热扩散联合仿真方法。该方法包括：利用有限元前处理软件对动力电池系统的三维仿真模型进行接触界面处理并生成面网格；将所述前处理步骤中生成的面网格导入star CCM+软件中进行区域划分，设置网格参数生成体网格；针对动力电池系统体网格模型的不同区域设置对应的材料属性，并在动力电池系统三维仿真模型的材料属性中设置“协同仿真”操作；搭建控制模块，并进行参数调用，查看仿真结果。该方法通过star CCM+的传热模型与Amesim 的控制模型相联合，最终构成完整的系统热扩展模型，既能保证模型的仿真精度，又极大的减少计算量，更好地预测电池系统热扩散状态，提出相应的防护措施，
提高电动汽车的安全性。权利要求书1页 说明书4页 附图2页CN 112231945 B 2022.03.15
C N 112231945
B
1.一种基于star CCM+与Amesim的动力电池系统热扩散联合仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
前处理，利用有限元前处理软件对动力电池系统的三维仿真模型进行接触界面处理并生成面网格；
体网格生成，将所述前处理步骤中生成的面网格导入star CCM+软件中进行区域划分，设置网格参数生成体网格；
参数设置，在star CCM+软件中，针对动力电池系统体网格模型的不同区域设置对应的材料属性，其中材料属性包括但不限于材料密度、比热容、导热系数，并在动力电池系统三维仿真模型的材料属性中设置“协同仿真”操作，与Amesim软件进行联合；
搭建控制模块，在Amesim软件中，依据从高精度单体电池热失控模型仿真结果或单体电池热失控实验中提取的温度特征参数，为动力电池系统中每个单体电池均建立相应的生热控制模块，同时将每个生热模块的输入输出 变量均接入到Amesim软件中的“协同仿真”模块；参数调用，在star CCM+软件中，将每个单体电池的实时温度设置为“导出”；在Amesim 软件中，将从star CCM+软件中导出的每个单体电池的实时温度设置为“输入”，并且将每个单体电池依据实时温度而计算出的实时生热功率设置为“导出”；在star CCM+软件中，将从Amesim软件中导出的每个单体电池依据实时温度而计算出的实时生热功率设置为每个单体电池的生热源，从而完成star CCM+与Amesim之间参数的相互调用，在Amesim软件中通过对每个单体电池的实时温度的处理来控制star CCM+中电池系统中各单体电池热失控过程中的生热量；
后处理，在star CCM+软件中，对仿真数据以及云图进行导出，查看仿真结果。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在“前处理”步骤中，使用三维建模软件对动力电池系统进行三维建模，利用有限元前处理软件对动力电池系统的三维仿真模型进行接触面处理，并绘制相应的面网格，将动力电池系统面网格导出为nas格式。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在“体网格生成”步骤中，将动力电池系统模型nas格式的面网格导入到star CCM+软件中，对面网格进行区域划分，包括电池区域、箱体区域、环境气体区域、垫片区域，之后对整个动力电池系统设置合理的体网格参数，生成体网格。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在“参数设置”步骤中，在star CCM+软件中对动力电池系统的体网格模型进行材料属性设置，针对不同区域设置对应的材料属性，包括但不限于材料密度、比热容、导热系数，将不同的材料特性赋予相应的物理区域；在动力电池系统三维仿真模型的材料属性中设置“协同仿真”操作，与Amesim软件进行联合，同时需要对star CCM+中动力电池系统中每个单体电池的温度进行监控，作为Amesim软件中的控制输入。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在“搭建控制模块”步骤中，依据从高精度单体电池热失控模型仿真结果或者单体电池热失控实验测试结果中提取的温度特征参数，得到动力电池在整个热失控过程中生热功率与温度之间的关系，即达到依据单体电池温度来控制单体电池生热功率的目的，并将所述生热功率与温度之间的关系赋予动力电池系统中每一个单体电池，并将生热功率作为star CCM+软件中动力电池系统模型的输入条件，控制每一个单体电池的生热功率，形成动力电池系统的热扩散模型。
权 利 要 求 书1/1页CN 112231945 B
一种基于star CCM+与Amesim的动力电池系统热扩散联合仿
真方法
技术领域
[0001]本发明属于动力电池安全领域，尤其涉及一种动力电池系统热扩散的仿真分析方法。
背景技术
[0002]锂离子电池具有高比能量、低自放电率以及长寿命等特点，因此其被广泛应用于新能源电动汽车上。但是，以锂离子电池热失控为特征的电动汽车自燃事故层出不穷，在一定程度上限制了电动汽车的发展。为了提高电动汽车的安全性，减缓甚至避免锂离子电池的热失控现象，各大研究机构针对热失控已经进行了非常深入的研究。目前，对于热失控的研究仍仅限于单体电池级别，对于系统级别的热扩散行为仿真分析，受到仿真方法的限制，很少有人研究。因此，关于热失控的研究成果很难实现工程应用，无法为电动汽车安全性的提升及安全防护提供有效的解决方案。因此，只有对整个电池系统的热扩散进行详细研究分析，才能采取合理的安全防护措施来减缓甚至避免热扩散的发生，提高电动汽车的安全性，进而推动整个新能源汽车行业的发展。
发明内容
[0003]有鉴于此，本发明提供一种基于star CCM+与Amesim的动力电池系统热扩散联合仿真方法，提高电动汽车的安全性。
[0004]本发明实施例提供了一种基于star CCM+与Amesim的动力电池系统热扩散联合仿真方法，包括如下步骤：
[0005]前处理，利用有限元前处理软件对动力电池系统的三维仿真模型进行接触界面处理并生成面网格；
[0006]体网格生成，将所述前处理步骤中生成的面网格导入star CCM+软件中进行区域划分，设置网格参数生成体网格；
[0007]参数设置，在star CCM+软件中，针对动力电池系统体网格模型的不同区域设置对应的材料属性，其中材料属性包括但不限于材料密度、比热容、导热系数，并在动力电池系统三维仿真模型的材料属性中设置“协同仿真”操作，与Amesim软件进行联合；
[0008]搭建控制模块，在Amesim软件中，依据从高精度单体电池热失控模型仿真结果或单体电池热失控实验中提取的温度特征参数，为动力电池系统中每个单体电池均建立相应的生热控制模块，同时将每个生热模块的输入输出变量均接入到Amesim软件中的“协同仿真”模块；
[0009]参数调用，在star CCM+软件中，将每个单体电池的实时温度设置为“导出”；在Amesim软件中，将从star CCM+软件中导出的每个单体电池的实时温度设置为“输入”，并且将每个单体电池依据实时温度而计算出的实时生热功率设置为“导出”；在star CCM+软件中，将从Amesim软件中导出的每个单体电池依据实时温度而计算出的实时生热功率设置为
每个单体电池的生热源，从而完成star CCM+与Amesim之间参数的相互调用，在Amesim软件中通过对每个单体电池的实时温度的处理来控制star CCM+中电池系统中各单体电池热失控过程中的生热量；
[0010]后处理，在star CCM+软件中，对仿真数据以及云图进行导出，查看仿真结果。[0011]与现有技术相比，本发明实施例提供的技术方案首次完成了对整个动力电池系统热扩散的仿真分析，既能保证仿真精度，又提高仿真效率，基于此方法能够研究针对电池系统热扩展的有效防护措施。
附图说明
[0012]图1是本发明实施例中的动力电池系统热扩散仿真分析流程图；
[0013]图2为本发明实施例动力电池系统在star CCM+软件中的有限元模型；
[0014]图3是本发明实施例的动力电池系统在Amesim软件中的控制模块；
[0015]图4是本发明实施例动力电池系统联合仿真的热扩散在某一时刻的温度分布云图。
具体实施方式
[0016]下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
[0017]在更加详细地讨论示例性实施例之前应当提到的是，一些示例性实施例被描述成作为流程图描绘的处理或方法。虽然流程图将各步骤描述成顺序的处理，但是其中的许多步骤可以被并行地、并发地或者同时实施。此外，各步骤的顺序可以被重新安排。当其操作完成时处理可以被终止，但是还可以具有未包括在附图中的附加步骤。处理可以对应于方法、函数、规程、子例程、子程序等等。
[0018]图1为本发明实施例动力电池系统热扩展仿真分析流程图。
[0019]具体的，如图1所示，基于star CCM+与Amesim的动力电池系统热扩散联合仿真方法包括以下六个步骤：前处理、体网格生成、参数设置、搭建控制模块、参数调用和后处理。[0020]前处理，利用有限元前处理软件对动力电池系统的三维仿真模型进行接触界面处理并生成面网格。
[0021]具体地，在“前处理”步骤中，使用三维建模软件对动力电池系统进行三维建模，本实施例中三维
建模软件可以为CATIA、Pro/e、UG等；利用有限元前处理软件对动力电池系统的三维仿真模型进行接触面处理，并绘制相应的面网格，将动力电池系统面网格导出为nas 格式。
[0022]体网格生成，将所述前处理步骤中生成的面网格导入star CCM+软件中进行区域划分，设置网格参数生成体网格。
[0023]具体地，在“体网格生成”步骤中，将动力电池系统模型nas格式的面网格导入到star CCM+软件中，对面网格进行区域划分，包括电池区域、箱体区域、环境气体区域、垫片区域，之后对整个动力电池系统设置合理的体网格参数，生成体网格。
[0024]参数设置，在star CCM+软件中，针对动力电池系统体网格模型的不同区域设置对
应的材料属性，其中材料属性包括材料密度、比热容、导热系数，并在动力电池系统三维仿真模型的材料属性中设置“协同仿真”操作，与Amesim软件进行联合。
[0025]具体地，在“参数设置”步骤中，在star CCM+软件中对动力电池系统的体网格模型进行材料属性设置，针对不同区域设置对应的材料属性，包括但不限于材料密度、比热容、导热系数，将不同的材料特性赋予相应的物理区域；在动力电池系统三维仿真模型的材料属性中设置“协同仿真”操作，与Amesim软件进行联合，同时需要对star CCM+中动力电池系统中每个单体电池的温度进行监控，作为Amesim软件中的控制输入。
[0026]搭建控制模块，在Amesim软件中，依据从高精度单体电池热失控模型仿真结果或单体电池热失控实验中提取的温度特征参数，为动力电池系统中每个单体电池均建立相应的生热控制模块，同时将每个生热模块的输入输出变量均接入到Amesim软件中的“协同仿真”模块。
[0027]在“搭建控制模块”步骤中，依据从高精度单体电池热失控模型仿真结果或者单体电池热失控实验测试结果中提取的温度特征参数，得到动力电池在整个热失控过程中生热功率与温度之间的关系，即达到依据单体电池温度来控制单体电池生热功率的目的，并将所述生热功率与温度之间的关系赋予动力电池系统中每一个单体电池，并将生热功率作为star CCM+软件中动力电池系统网格模型的输入条件，控制每一个单体电池的生热功率，形成动力电池系统的热扩散模型。
[0028]参数调用，在star CCM+软件中，将每个单体电池的实时温度设置为“导出”；在Amesim软件中，将从star CCM+软件中导出的每个单体电池的实时温度设置为“输入”，并且将每个单体电池依据实时温度而计算出的实时生热功率设置为“导出”；在star CCM+软件中，将从Amesim软件中导出的每个单体电池依据实时温度而计算出的实时生热功率设置为每个单体电池的生热源，从而完成star CCM+与Amesim之间参数的相互调用，在Amesim软件中通过对每个单体电池的实时温度的处理来控制star CCM+中电池系统中各单体电池热失控过程中的生热量。
[0029]具体地，在“参数调用”步骤中，在star CCM+软件中，将每个单体电池的实时温度设置为“导出”；
在Amesim软件中，将从star CCM+软件中导出的每个单体电池的实时温度设置为“输入”，并且将每个单体电池依据实时温度而计算出的实时生热功率设置为“导出”；在star CCM+软件中，将从Amesim软件中导出的每个单体电池依据实时温度而计算出的实时生热功率设置为每个单体电池的生热源，从而完成star CCM+与Amesim之间参数的相互调用，在Amesim中通过对输入条件(每个单体电池的实时温度)的处理来控制star CCM+中电池系统中各单体电池热失控过程中的生热功率。
[0030]后处理，在star CCM+软件中，对仿真数据以及云图进行导出，查看仿真结果。[0031]具体地，在“后处理”步骤中，在star CCM+软件中分别导出各个单体电池温度与时间的曲线关系，以及动力电池系统的温度云图，查看仿真结果。
[0032]本实施例是基于高精度的单体电池热失控模型，提取相关特征参数，通过star CCM+的传热模型与Amesim的控制模型相联合，最终构成完整的系统热扩散模型，既能保证模型的仿真精度，又极大的减少计算量，节约时间，更好地预测整个电池系统热扩散的状态，进而提出相应的防护措施，提高电动汽车的安全性。
[0033]注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，
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