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帶你發(fā)現(xiàn)Fluent電池模型仿真計(jì)算

2019-09-16 23:48:30·  來源：仿真秀  作者：CFD蕭然  
　
一、導(dǎo)讀-算例分析要點(diǎn)目前新能源汽車發(fā)展火熱，在其電池?zé)峁芾碇凶龅淖疃嗟氖撬妨黧w的流熱耦合分析。前提都是將電池假設(shè)為一個(gè)發(fā)熱物理塊進(jìn)行。很少有對電池

一、導(dǎo)讀-算例分析要點(diǎn)

目前新能源汽車發(fā)展火熱，在其電池?zé)峁芾碇凶龅淖疃嗟氖撬妨黧w的流熱耦合分析。前提都是將電池假設(shè)為一個(gè)發(fā)熱物理塊進(jìn)行。很少有對電池自身模型仿真的，最近發(fā)現(xiàn)fluent中有一個(gè)電池仿真模塊，這次簡單做個(gè)算例，來了解認(rèn)識(shí)一下fluent中的電池仿真模塊。

它的計(jì)算原理是需要前期做電池的充放電實(shí)驗(yàn)來獲取一些數(shù)據(jù)，基于這些數(shù)據(jù)，根據(jù)不同模型計(jì)算，其中應(yīng)用廣泛的有兩種一種是NTGK模型，也叫準(zhǔn)靜態(tài)模型，來模擬穩(wěn)定的充放電過程，如1C充放電等，他需要提供不同倍率下的DOD與電壓曲線，如圖
這種適合系統(tǒng)的熱管理計(jì)算使用，對電池?zé)崃恳蟛痪_的情況；

第二種是ECM模型，也叫動(dòng)態(tài)模型，等效電路模型。原理如下圖
 

 
這個(gè)模型需要提供脈沖的充電數(shù)據(jù)類似于HPPC充放電數(shù)據(jù)，基于這個(gè)數(shù)據(jù)模擬動(dòng)態(tài)的電池充放電。一般在BMS算法，以及整車急加速，急減數(shù)的模擬過程需要考慮此模型，計(jì)算要比NTGK精確一些。

二、模型處理

在SCDM種繪制模型，如圖，需要注意的是提前標(biāo)注好各部分的名稱，下圖是兩個(gè)電池串聯(lián)模型：
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·Cell—電池本體
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·Cell-n—電池負(fù)極耳
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·Cell-p—電池正極耳
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·wall-p—模組正極連接面
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·wall-n—模組負(fù)極連接面
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·busbar—連接母排

SCDM處理完成后使整個(gè)模型處于“分享”狀態(tài)
 

三、網(wǎng)格劃分

由于模型是方方正正的，所以采用cutcell網(wǎng)格，并開啟promixity，設(shè)置至少3層。
 

四、求解器設(shè)置

1、在默認(rèn)的fluent的求解模型中是沒有電池仿真模塊的，我們通過輸入命令打開此模型。

命令為：define/models/addon-module

輸入后會(huì)顯示11個(gè)模型，輸入;8選擇MSMD模型即可。
 

2、開啟瞬態(tài)，打開能量方程模型及剛才選擇的MSMD模型，并在MSMD中進(jìn)行設(shè)置

①選擇仿真計(jì)算的模型NTGK或者ECM

②輸入你仿真電池的容量（35AH）

③選擇充放電的倍率(1C)

④設(shè)置初始DOD

⑤設(shè)置電池容量（最好讓這個(gè)值與前面那個(gè)容量值相同，但不同也不會(huì)影響計(jì)算，之前做過一次對比，他們具體有是什么差異目前沒有搞明白，如果有明白可以留言討論，不勝感激！）

⑥根據(jù)NTGK與ECM所提供的不同實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算所得的值，具體計(jì)算方法可參考幫助文件有詳細(xì)介紹。本此采用默認(rèn)的數(shù)值。
 
NTGK
 

ECM


匹配電池各部分，電池本體，極耳，連接母排，總正，總負(fù)。
 

設(shè)置完成可以先預(yù)處理一下，如下圖，可以看到已顯示有2塊電池串聯(lián)，是1并。
 

3、設(shè)置材料

因?yàn)橐涯J(rèn)有鋁，所以需要添加銅及電池材料屬性。鋰電池正極極耳為鋁，負(fù)極極耳為銅，連接母排一般有鋁有銅，本次選擇銅作為連接母排。

在設(shè)置銅鋁時(shí)，需要注意改一個(gè)擴(kuò)散系數(shù)參數(shù)，改為user-define系統(tǒng)已標(biāo)定的數(shù)據(jù)
 

下圖為電池材料設(shè)置方法，密度，比熱可根據(jù)實(shí)際輸入，重點(diǎn)介紹導(dǎo)熱系數(shù)，由于Y方向?yàn)殡姵睾穸确较驅(qū)崤cXZ不同，所以需要單獨(dú)設(shè)置。
 

除此之外還需要設(shè)置擴(kuò)散系數(shù)如下圖，重點(diǎn)在UDS0（正極）與UDS1（負(fù)極）中輸入1e7和2e8，只要在這個(gè)范圍內(nèi)即可。
 

在這正好做一步很實(shí)用的操作，學(xué)會(huì)省很多事哦，材料保存。

我們經(jīng)常用到電池這個(gè)材料，所以我們把電芯保存在一個(gè)文件夾，方便以后調(diào)用，操作如下
 
 

等下次打開時(shí)可以直接點(diǎn)擊命令，找到保存的文件夾，打開即可，如下圖
 

4、將材料分別賦予各部分
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·Cell—電池
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·Cell-n—銅
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·Cell-p—鋁
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·Busbar—銅

5、定義邊界條件

與空氣接觸的面都設(shè)置空氣溫度300k，對流換熱系數(shù)5，我已buabar壁面為例。
 

6、監(jiān)測電壓與最高溫度
 
具體設(shè)置方法可參考我之前的教程，本次只設(shè)置如何在一個(gè)曲線圖監(jiān)控兩個(gè)值，我們同時(shí)監(jiān)控最大值與最小值。在一個(gè)report中new兩次，分別為max-溫度與min-溫度。即可在同一report中監(jiān)測兩個(gè)值。
 

7、設(shè)置計(jì)算迭代
 
因?yàn)?C放電，為1個(gè)小時(shí)，所以設(shè)置5秒1步，共720步
 

8、計(jì)算結(jié)果
 
溫度云圖
 
放電末期電壓
 

五、小結(jié)
本次算例計(jì)算兩個(gè)鋰電池串聯(lián)的模型，是fluent中的電池模塊。這個(gè)模塊我也是第一次使用，中間出現(xiàn)過報(bào)浮點(diǎn)溢出的錯(cuò)誤，通過修改放電的參數(shù)后正常。此模型目前由于極耳處處理有問題，因?yàn)檎O耳是很薄的不到1mm，且正負(fù)極極耳的大小都是根據(jù)過電流能力有比例關(guān)系常見的是銅極耳是鋁極耳的0.75倍的關(guān)系，而且是很多極片層疊加而成如下圖
 

 
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