在电气系统中模拟关键现象

随着路上电动车辆数量的快速增长，设计高效、耐用且安全的电气系统变得至关重要。CONVERGE CFD软件非常适合模拟具有静止或移动部件的复杂几何体中的3D耦合流动、热传递和化学反应。此外，CONVERGE的自主网格生成功能消除了用户网格生成时间，并减少了总的解决方案时间。利用这些能力，您可以高效、准确地研究电动出行（emobility）系统中的重要物理过程，包括电动机冷却、电池冷却和电池热失控。

电池建模

热生成与冷却

CONVERGE提供多种电池热源建模选项。通过等效电路模型，您可以将电池表示为一个电网络，并基于电流计算热生成。该模型可用于充电或放电电池。电势求解器对于电池和其他直流应用非常有用，它根据固体的电势和电导率预测电流及相关的热传递。

由于电池效率和寿命受到温度的显著影响，电池组的有效热管理至关重要。CONVERGE提供强大的对流换热（CHT）建模功能，以及几种CHT加速技术，以评估空气冷却和液体冷却方法。

热失控

当机械、热或操作应力在电化学单元中触发一系列放热反应时，会发生电池热失控，导致温度迅速升高。随着电池温度的升高，它可能会失去稳定性并破裂，释放其储存的热/电化学能量。利用CONVERGE的SAGE详细化学求解器能够模拟热失控期间发生的一系列反应。CONVERGE中包含两种热失控机制：Hatchard-Kim和Ren。此外，您可以通过用户定义函数轻松实现任何您想要的热失控机理。

在热失控中，电池单元会产生大量热量，这可能导致附近的电池单元也进入热失控状态。CONVERGE的自适应网格细化（AMR）根据场变量的曲率或场变量本身的值在模拟过程中细化网格，使您能够有效捕捉重要的物理现象。通过在电池的固体组件上应用基于温度的AMR，CONVERGE能够预测热失控向相邻单元的传播。

电池单元排气与点火风险

热失控可能导致电池单元将气体排放到电池组中，无论是设计还是故障。使用CONVERGE，您可以跟踪排气气体种类的传播，并评估排气发生区域固体温度的变化。一旦气体被排放，就有可能点火，导致爆炸或电池火灾。CONVERGE使您能够通过研究排气气体的点火风险及其后续燃烧来评估电池安全性。

电机冷却

电机制造商正在提升其设计的功率密度，这需要更有效的方法来移除电动机产生的热量。过高的温度可能导致永磁体退磁和绕组绝缘破裂，这两种情况都会对设备造成灾难性的后果。因此，电机的功率和效率与冷却策略的有效性密切相关。

分析冷却策略的第一步是计算电机产生的热量。CONVERGE可以读取来自JSOL Corporation的JMAG-Designer软件的电磁热源输出，这使您能够获得高精度的温度分布。CONVERGE Studio从JMAG NASTRAN文件中读取几何形状，并自动分配热边界条件或体积热源用于CHT模拟。

借助CONVERGE的CHT建模能力，您可以高效地分析各种电机冷却方法，包括空气冷却、水套冷却和油冷却。对于油冷电机，CONVERGE的体积流（VOF）建模，具备多种高精度相间界面捕获方案，使您能够获得准确的油膜覆盖分布。

完全自主网格生成

CONVERGE自动化网格生成旨在简化您的工作流程并减少解决方案时间。在运行计算时，CONVERGE根据几个简单的用户定义参数自动生成笛卡尔网格，有效地消除了用户网格生成的时间。CONVERGE采用一种全新的切割网格单元技术，确保无论几何形状多么复杂，都能完美拟合。对于移动几何体，CONVERGE在每个时间步重新生成网格以适应运动而不变形，从而获得更准确的解决方案。此外，自适应网格细化在模拟过程中智能地添加和删除单元，尽可能高效地解决复杂现象，如电池组点火模拟中的火焰前沿或冷却分析中较大的温度梯度。

某些模拟可能会受益于局部非笛卡尔网格细化，例如，解决电池组中电化学单元周围的热边界层或解决电机中小型转子-定子间隙。CONVERGE允许您在计算域的一部分创建嵌套网格，这样可以在缩短运行时间的同时提供更高的准确性。

加速CHT模拟

预测对流换热对于在许多电动出行应用中获得准确结果至关重要，包括电池和电机冷却以及热失控。然而，由于流体和固体中热传递的时间尺度差异，CHT计算可能在计算上代价高昂。使用CONVERGE，您可以使用超循环方法来克服这种时间尺度差异。使用超循环时，流体求解器会定期冻结，而固体中的热传递则在该时间段可计算发展到稳定状态。这种方法显著减少了运行CHT模拟所需的时间。

另一种加速策略是冻结流场方法，您可以在流场变化比其他物理现象慢的情况下使用。通过冻结流场并在短时间间隔内求解流场，您可以减少仿真的计算时间。这对于需要模拟长物理时间的情况特别有用，例如，由于热失控单元的气体释放，相邻电池单元的传热过程。

燃料电池建模

聚合物电解质膜燃料电池（PEMFC），也称为质子交换膜燃料电池，通过将氢氧之间电化学反应释放的化学能转化为电能来发电。PEMFC具有高功率密度和相对较低的重量，通常在摄氏60~85度温度下正常运行，使它们在汽车工业中具有吸引力。然而，PEMFC使用的催化剂金属铂以及原料氢气都价格昂贵，加之其低体积能量密度，这些都带来了设计上的困难与挑战。

CFD帮助工程师通过预测流速和压力、物种浓度、极化曲线以及燃料电池电压和电流之间的关系来提高PEMFC的性能和效率。凭借其自主网格生成能力，CONVERGE能够有效捕捉现代燃料电池几何体的复杂性，避免了在许多其他CFD求解器中与网格生成相关的额外预处理负担。CONVERGE中的对流换热模型可用于计算整个燃料电池堆的热传递，以定位温度高低的区域。此外，CONVERGE的多相建模可以模拟反应物供应通道和气体扩散层中的液体和气体流动，这些通常被表示为多孔介质。这一特性可以帮助PEMFC制造商预测局部水含量并模拟液态水传输，这对于评估燃料电池的性能至关重要。CONVERGE中电化学、多相流体动力学和热传递的完全耦合解决方案使工程师能够研究PEMFC的激活和质量传输损失，并设计方法来减轻这些损失对降低电池性能的影响。