ANSYS电池仿真与实例详解 流体传热篇

序

目前我国正经历从中国制造到中国创造的转型期，也是处于充满挑战与机遇的经济大环境背景下。迈入国家“十四五”规划，“坚持创新驱动发展，全面塑造发展新优势”、“加快数字化发展，建设数字中国”等一系列指导方针给我们指明了发展的方向。
企业要想在越来越短的设计周期里设计出更创新更有竞争力的产品，就必须依靠数字化技术，尤其是工程仿真技术来优化和创新产品，新能源动力电池行业同样如此。因此越来越多的电池企业认识到工程仿真的重要性，不断加强应用水平和拓展应用场景，希望借此来提升企业的行业竞争力。大量的产品研发及工程案例证实，工程仿真技术的使用已经成为企业研发不可或缺的手段和工具。
工程仿真是一件复杂的工作，工程师不但要有丰富的理论知识和工程实践经验，还要掌握多种不同的工业软件。与发达国家相比，我国电池行业仿真的应用成熟度还有较大差距，如何快速培养出有技能、有经验的仿真工程师对于推动电池行业快速发展有重大意义。
ANSYS作为的工程仿真软件供应商，为电池行业提供了完善且成熟度极高的通用软件及配套的解决方案，并且专门针对电池行业的特点制作了电池行业的实践集。因此对于正在从事和有意从事电池仿真行业的工程人员来说，选择业内领先、应用广泛、前景广阔、覆盖面广的ANSYS产品作为仿真工具，无疑将为您的职业发展提供重要助力。
为满足读者的仿真学习需求，ANSYS与机械工业出版社合作，联合国内多个领域仿真的专家，出版了《ANSYS电池仿真与实例详解——流体传热篇》和《ANSYS电池仿真与实例详解——结构篇》两本书，覆盖了ANSYS软件在电池共轭传热、电化学、水管理、热失控、结构强度、应力应变、振动模态、挤压碰撞、针刺跌落、疲劳寿命等常见锂电池或燃料电池仿真场景的具体应用。
作为工程仿真软件的领导者，我们坚信，培养用户走向成功，是仿真驱动产品设计、设计创新驱动行业进步的关键。

孙志伟
ANSYS公司副总裁，大中华区总经理

本书重点讲述了锂离子电池和燃料电池的仿真技术，通过对电池工作过程中的流动、传热、电化学、热电耦合、热失控等场景进行仿真，并通过不同类型电池、不同维度的仿真实例进行讲解，帮助读者建立电池仿真的必要知识和流程，并为其具体工程排除问题时提供方法或思路，促进我国新能源行业电池设计水平的提高。
本书可供刚进入新能源行业从事电池设计的工程师阅读，同时兼顾有多年实际工作经验的工程技术人员，此外，对高校相关专业的学生也大有裨益。

宋述军，现任高级应用工程师一职，负责电磁场技术工程软件领域的技术支持工作，有着丰富的工程应用培训经验。

本书干货满满，内容翔实，是一本详细而系统地阐述锂电池仿真模拟解决方案的书籍，为锂电池仿真从业者量身定制，不管是对锂电池仿真初学者或资深人士都是一本非常实用的书籍。 ——王翔 中航锂电仿真模拟实验室负责人

书中案例从网格化分、参数设置到后处理，都进行了系统性讲解，帮助读者掌握整个电池热仿真模型建立的过程和技巧，对初学者和有一定基础的读者形成良好的仿真习惯具有很好的指导意义。——韩桂月 比亚迪弗迪电池高级仿真工程师

本书着重介绍了电池仿真技术，结合实际工程问题，从理论和应用两大方面入手，是一本实用的工具书。这本书的特点是全面但不繁琐，文字简洁却决不敷衍，由于作者长期工作在一线，接触到大量企业的原因，工程应用关心的重点和发展方向把握很好，实例详解的引入，也是实际工程问题的缩影。个人觉得，这本书的定义不是一本教你如何使用软件的书，而是一部电池仿真就业指导书。在这里感谢井文明老师、张寅老师、宋述军老师的辛苦工作和无私奉献，也希望在这个高速发展的时代，电池仿真驶上高速，快速发展。
——马卉妍 力神特电电池仿真室主任

本书图文并茂地详细讲解了锂电池仿真和燃料电池仿真过程的每个步骤，内容详实、引人入胜，非常适合有一定软件操作基础的新能源行业职场新人作为入门指引，当然也有助于从业者仿真能力的提升。仿真过程中遇到的问题基本都可以在书中找到答案，本书是不可多得的一部佳作！
——史晓妍 天津力神电池热仿真技术负责人

序
前言
第1章电池行业概述
1.1中国锂离子电池产业结构
1.2全球动力电池格局
1.3动力电池技术现状
1.4动力电池先进技术分析
1.5动力电池仿真技术进展
1.5.1热模型
1.5.2电学特性模型
1.5.3老化模型
1.6软件版本及后续支持说明
第2章锂电池仿真
2.1ANSYS 锂电池解决方案概述
2.1.1电池仿真难点
2.1.2ANSYS 电池解决方案概述
2.1.3ANSYS Fluent电池模块概述
2.2电池共轭传热仿真
2.2.1网格划分部分
2.2.2仿真输入汇总
2.2.3电池共轭传热计算流程
2.2.4后处理
2.2.5设置共轭传热瞬态源项方法
2.2.6自然对流仿真需要注意的事项
2.3电池等效电路模型（ECM）仿真
2.3.1理论部分
2.3.2仿真输入汇总
2.3.3ECM模型仿真流程
2.3.4后处理
2.4电池NTGK模型仿真
2.4.1理论部分
2.4.2仿真输入条件汇总
2.4.3几何模型说明
2.4.4NTGK模型仿真流程
2.4.5后处理
2.5详细三维锂离子电池模型
2.5.1理论部分
2.5.2仿真输入条件汇总
2.5.3几何模型说明
2.5.4三维详细电化学模型仿真流程
2.5.5后处理
2.6电池模型的UDF接口
2.6.1电池模型UDF接口
2.6.2电池ECM模型UDF接口
2.6.3电池NTGK模型UDF接口
2.7电池热失控仿真
2.7.1理论部分
2.7.2仿真输入条件汇总
2.7.3热失控仿真流程
2.7.4后处理
2.8电池LTI降阶模型仿真
2.8.1为什么要使用LTI ROM
2.8.2几何模型说明
2.8.3理论部分
2.8.4仿真输入条件汇总
2.8.5使用LTI流程生成降阶模型
2.8.6Twin Builder中建立LTI ROM主要步骤
2.9电池SVD降阶模型仿真
2.9.1为什么要用SVD ROM
2.9.2理论部分
2.9.3仿真输入条件汇总
2.9.4SVD ROM生成流程及关键步骤
2.9.5在Fluent中得到稳态算例——Base Model
2.9.6在Fluent中生成阶跃响应
2.9.7Twin Builder中建立SVD ROM流程
2.9.8后处理
2.10电池排气仿真
2.10.1理论部分
2.10.2整体流程
2.10.3几何模型说明
2.10.4Degasing仿真流程
2.10.5后处理
第3章燃料电池仿真
3.1PEMFC仿真
3.1.1理论部分
3.1.2几何模型说明
3.1.3仿真流程及关键步骤讲解
3.1.4后处理
3.1.5燃料电池网格及计算实践
3.2SOFC燃料电池仿真
3.2.1理论部分
3.2.2几何模型说明
3.2.3SOFC仿真流程
3.2.4后处理
参考文献

随着新能源汽车产业的发展，国内电池产业迅速扩张。目前国内电池行业经历了前期野蛮式发展后，正在进入加速洗牌期，制约电池行业发展的设计能力水平亟待提升。同时国家也颁布了一系列强制性关于新能源电池的相关标准，对电池企业的设计水平提出了越来越高的要求。更重要的是，市场激烈的竞争使得电池设计周期也越来越短，传统的试验测试方法不仅时间周期长，而且花费昂贵，因此电池企业越来越多得将仿真技术应用在电池设计流程之中。本书介绍了ANSYS软件在电池流体仿真的案例应用，包含了锂电池流体仿真和燃料电池流体仿真两个部分。从流体仿真的基础流程到具体场景的特殊应用，书中都将一一阐述清楚，读者可以了解到Fluent软件针对新能源行业仿真要求做的一些友好和高效的设定，以便得到更好的仿真结果。