了解如何将奇异值分解 (SVD) 降阶模型 (ROM) 应用于电池模块热模拟。

挑战

随着电池模块在电动汽车和储能系统中的重要性日益提升，其热性能管理也成为一项重大的工程挑战。高功率密度会产生大量热量，如果散热不当，可能导致电池性能下降、性能下降，甚至热失控。考虑到电池布置、材料和冷却策略的多样性，复杂性会进一步增加。设计人员必须确保电池间温度分布均匀，同时满足严格的封装约束和重量目标。此外，精确的热模拟通常计算成本高昂，尤其是在瞬态负载条件或大规模模拟中。这使得迭代设计和优化过程缓慢，有时甚至难以实施，尤其是在开发初期，许多设计参数仍处于不确定状态。

工程解决方案

工程师通常依靠主动和被动冷却策略的组合来管理电池的热行为。液体冷却因其效率而被广泛使用，其设计包括冷却板、冷板或直接浸入式冷却。空气冷却虽然效率较低，但有时在成本敏感的应用中更受青睐。然而，测试这些配置需要详细的 3D CFD 模拟，并且通常需要硬件原型，这两者都可能既昂贵又耗时。工程师通常必须在性能、可制造性和热可靠性之间取得平衡，所有这些都需要在紧凑的开发时间和日益严格的监管要求下完成。

为了克服这些挑战，工程师们越来越多地采用模型降阶技术，例如 ANSYS Fluent 和 Twin Builder 中的奇异值分解 (SVD) ROM。这些降阶模型能够通过高保真 CFD 仿真创建轻量级且高精度的热模型。使用 SVD，复杂的仿真数据被压缩为简化的基，从而以极低的计算成本捕捉主要的热行为。这些 ROM 在 Twin Builder 中部署后，即可跨不同的冷却策略、操作条件和控制算法进行实时系统级评估和设计迭代。这种集成使工程师能够以交互方式模拟热响应，加快设计周期，并在不牺牲仿真保真度的情况下探索更多设计变体。

方法

本文讨论如何使用 Ansys Fluent 和 Ansys Twin Builder 进行电池模块热仿真，包括几个步骤。这些步骤包括在 Fluent 中进行训练、在 Twin Builder 中进行 ROM 构建和分析，以及在 Fluent 中进行 ROM 后处理。

Fluent 培训

本例中使用了一个包含 12 个电池单元和液冷式冷板的电池模块。冷板并非必需，但如果包含，则应首先进行“冷流”稳态仿真，仅激活流动方程来求解流体流动分布。电池模型处于开启状态，被动区域的焦耳加热处于激活状态；但是，能量源和电流值均设置为零。

电池 ROM 工具包位于电池模型的“高级选项”选项卡中。下图显示了多个面板上按编号顺序排列的任务。ROM 类型设置为 SVD。ROM 输入参数使用活动电池的体积热。设置功率值（以瓦特为单位）后，应将电池作为一个组添加。输入选项卡中的“电流”选项（焦耳热）可以添加，并设置一个以安培为单位的值。SVD-ROM 区域的“导出温度区域”可用于选择感兴趣的电池区域。在本例中，选择了所有电池区域。

本例中，最大时间步长从默认值增加到 200 秒。“应用”用于强制执行设置，并选择“运行训练”即可开始训练。

训练完成后，会出现一个新文件夹：SVD。其中包含导入 Twin Builder SVD ROM 识别工具包所需的文件。

Twin Builder 中的 ROM 开发

Twin Builder 中的 ROM 构建是通过使用 SVD ROM 识别工具包来完成的，其访问方式如下所示。

本例中有两个输入：电池功率和极耳电流；因此，输入数量设置为 2。“浏览”按钮用于选择包含 Fluent 训练输出的文件夹。点击“生成”后，将生成一个 SVD_ROM_SML 项目组件。该组件被拖放到原理图中。添加用于 120 瓦和 100 安培恒定输入的组件，并将其连接到 ROM 组件。在恒定的 100 安培组件后面放置一个方形组件，以适应焦耳热输入。 

瞬态分析的结束时间可设置为 30,000 秒，最小时间步长为 0.1 秒，最大时间步长为 10 秒。使用 12 个 SVD_ROM_SML 输出构建包含矩形图的报告。运行简要分析后，打开该图并导出输出。导出时，使用“导出均匀点”将结果保存到 .csv 文件中。在本例中，导出每 200 秒写入一次数据，直到达到 10,000 秒。 

除了 csv 文件外，还会生成另外两个文件。这些是基础文件。基础文件、csv 文件以及两个 Fluent svd-rom-initial_file 文件（来自训练）应放置在一个新文件夹中，例如 SVD_TB_Export。

Fluent 中的 ROM 后处理

SVD ROM 的一个显著优势是可以生成不同时间点结果的轮廓图。与运行完整的瞬态 Fluent 分析相比，生成这些图形所需的时间非常短，而且无需重新运行瞬态分析即可更改视图方向。启动一个新的 Fluent 会话，使用包含基础文件、csv 文件和初始 cas/dat 文件的文件夹。读取案例和数据文件并进入“电池模型高级选项”选项卡后，选择“SVD-ROM 后处理”选项卡。选择其中一个基础文件，然后选择 csv 文件。可以选择时间快照并使用“计算”激活它。使用“用户定义内存轮廓...”>“SVD 温度”生成轮廓图，以设置具有所需表面、范围和显示状态的未来动画。通过在“从轮廓图创建动画图像”中选择“创建”并选择所需的轮廓对象来激活此动画。在 csv 文件中每个快照时间点，单独的动画图片都会保存到新文件夹中。 

ROM动画

可以使用 Ansys EnVe 等工具从动画文件生成视频。

Ansys 解决方案优势

ANSYS 提供先进的电池模块热系统仿真功能，带来诸多优势，包括增强设计优化、提高可靠性并节省成本。通过准确预测电池模块每个使用周期的性能，制造商可以更高效地设计出满足特定需求的产品。

奇异值分解降阶模型可以显著加快电池模块瞬态热分析的仿真速度。上图示例使用了恒定能量源和恒定极耳电流；然而，可以使用时变输入来处理使用周期。ROM 生成的轮廓图所需的时间仅为瞬态 Fluent 仿真所需时间的一小部分，且热负荷与时间相关。

Ansys Fluent 和数字孪生 (Digital Twin) 能够评估多种设计/输入因素，例如电流和恒定或可变热负荷。电池热工程师可以使用数字孪生评估多种设计方案，以实时了解热行为。除了 Twin Builder 和 Fluent 之外，ANSYS 还提供 LS-Dyna、DesignXplorer、OptiSLang 和 Mechanical 等工具，用于进一步进行设计参数化和评估。