了解如何將奇異值分解 (SVD) 降階模型 (ROM) 應用于電池模塊熱模擬。

挑戰

隨著電池模塊在電動汽車和儲能系統中的重要性日益提升，其熱性能管理也成為一項重大的工程挑戰。高功率密度會產生大量熱量，如果散熱不當，可能導致電池性能下降、性能下降，甚至熱失控。考慮到電池布置、材料和冷卻策略的多樣性，復雜性會進一步增加。設計人員必須確保電池間溫度分布均勻，同時滿足嚴格的封裝約束和重量目標。此外，精確的熱模擬通常計算成本高昂，尤其是在瞬態負載條件或大規模模擬中。這使得迭代設計和優化過程緩慢，有時甚至難以實施，尤其是在開發初期，許多設計參數仍處于不確定狀態。

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工程解決方案

工程師通常依靠主動和被動冷卻策略的組合來管理電池的熱行為。液體冷卻因其效率而被廣泛使用，其設計包括冷卻板、冷板或直接浸入式冷卻。空氣冷卻雖然效率較低，但有時在成本敏感的應用中更受青睞。然而，測試這些配置需要詳細的 3D CFD 模擬，并且通常需要硬件原型，這兩者都可能既昂貴又耗時。工程師通常必須在性能、可制造性和熱可靠性之間取得平衡，所有這些都需要在緊湊的開發時間和日益嚴格的監管要求下完成。

為了克服這些挑戰，工程師們越來越多地采用模型降階技術，例如 ANSYS Fluent 和 Twin Builder 中的奇異值分解 (SVD) ROM。這些降階模型能夠通過高保真 CFD 仿真創建輕量級且高精度的熱模型。使用 SVD，復雜的仿真數據被壓縮為簡化的基，從而以極低的計算成本捕捉主要的熱行為。這些 ROM 在 Twin Builder 中部署后，即可跨不同的冷卻策略、操作條件和控制算法進行實時系統級評估和設計迭代。這種集成使工程師能夠以交互方式模擬熱響應，加快設計周期，并在不犧牲仿真保真度的情況下探索更多設計變體。

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方法

本文討論如何使用 Ansys Fluent 和 Ansys Twin Builder 進行電池模塊熱仿真，包括幾個步驟。這些步驟包括在 Fluent 中進行訓練、在 Twin Builder 中進行 ROM 構建和分析，以及在 Fluent 中進行 ROM 后處理。

Fluent 培訓

本例中使用了一個包含 12 個電池單元和液冷式冷板的電池模塊。冷板并非必需，但如果包含，則應首先進行“冷流”穩態仿真，僅激活流動方程來求解流體流動分布。電池模型處于開啟狀態，被動區域的焦耳加熱處于激活狀態；但是，能量源和電流值均設置為零。

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電池 ROM 工具包位于電池模型的“高級選項”選項卡中。下圖顯示了多個面板上按編號順序排列的任務。ROM 類型設置為 SVD。ROM 輸入參數使用活動電池的體積熱。設置功率值（以瓦特為單位）后，應將電池作為一個組添加。輸入選項卡中的“電流”選項（焦耳熱）可以添加，并設置一個以安培為單位的值。SVD-ROM 區域的“導出溫度區域”可用于選擇感興趣的電池區域。在本例中，選擇了所有電池區域。

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本例中，最大時間步長從默認值增加到 200 秒。“應用”用于強制執行設置，并選擇“運行訓練”即可開始訓練。

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訓練完成后，會出現一個新文件夾：SVD。其中包含導入 Twin Builder SVD ROM 識別工具包所需的文件。

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Twin Builder 中的 ROM 開發

Twin Builder 中的 ROM 構建是通過使用 SVD ROM 識別工具包來完成的，其訪問方式如下所示。

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本例中有兩個輸入：電池功率和極耳電流；因此，輸入數量設置為 2。“瀏覽”按鈕用于選擇包含 Fluent 訓練輸出的文件夾。點擊“生成”后，將生成一個 SVD_ROM_SML 項目組件。該組件被拖放到原理圖中。添加用于 120 瓦和 100 安培恒定輸入的組件，并將其連接到 ROM 組件。在恒定的 100 安培組件后面放置一個方形組件，以適應焦耳熱輸入。?

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瞬態分析的結束時間可設置為 30,000 秒，最小時間步長為 0.1 秒，最大時間步長為 10 秒。使用 12 個 SVD_ROM_SML 輸出構建包含矩形圖的報告。運行簡要分析后，打開該圖并導出輸出。導出時，使用“導出均勻點”將結果保存到 .csv 文件中。在本例中，導出每 200 秒寫入一次數據，直到達到 10,000 秒。?

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除了 csv 文件外，還會生成另外兩個文件。這些是基礎文件。基礎文件、csv 文件以及兩個 Fluent svd-rom-initial_file 文件（來自訓練）應放置在一個新文件夾中，例如 SVD_TB_Export。

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Fluent 中的 ROM 后處理

SVD ROM 的一個顯著優勢是可以生成不同時間點結果的輪廓圖。與運行完整的瞬態 Fluent 分析相比，生成這些圖形所需的時間非常短，而且無需重新運行瞬態分析即可更改視圖方向。啟動一個新的 Fluent 會話，使用包含基礎文件、csv 文件和初始 cas/dat 文件的文件夾。讀取案例和數據文件并進入“電池模型高級選項”選項卡后，選擇“SVD-ROM 后處理”選項卡。選擇其中一個基礎文件，然后選擇 csv 文件。可以選擇時間快照并使用“計算”激活它。使用“用戶定義內存輪廓...”>“SVD 溫度”生成輪廓圖，以設置具有所需表面、范圍和顯示狀態的未來動畫。通過在“從輪廓圖創建動畫圖像”中選擇“創建”并選擇所需的輪廓對象來激活此動畫。在 csv 文件中每個快照時間點，單獨的動畫圖片都會保存到新文件夾中。?

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ROM動畫

可以使用 Ansys EnVe 等工具從動畫文件生成視頻。

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Ansys 解決方案優勢

ANSYS 提供先進的電池模塊熱系統仿真功能，帶來諸多優勢，包括增強設計優化、提高可靠性并節省成本。通過準確預測電池模塊每個使用周期的性能，制造商可以更高效地設計出滿足特定需求的產品。

奇異值分解降階模型可以顯著加快電池模塊瞬態熱分析的仿真速度。上圖示例使用了恒定能量源和恒定極耳電流；然而，可以使用時變輸入來處理使用周期。ROM 生成的輪廓圖所需的時間僅為瞬態 Fluent 仿真所需時間的一小部分，且熱負荷與時間相關。

Ansys Fluent 和數字孿生 (Digital Twin)?能夠評估多種設計/輸入因素，例如電流和恒定或可變熱負荷。電池熱工程師可以使用數字孿生評估多種設計方案，以實時了解熱行為。除了 Twin Builder 和 Fluent 之外，ANSYS 還提供 LS-Dyna、DesignXplorer、OptiSLang 和 Mechanical 等工具，用于進一步進行設計參數化和評估。

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