带你发现Fluent电池模型仿真计算

2019-09-16 23:48:30·  来源:仿真秀  作者:CFD萧然  
 
一、导读-算例分析要点目前新能源汽车发展火热,在其电池热管理中做的最多的是水路流体的流热耦合分析。前提都是将电池假设为一个发热物理块进行。很少有对电池

一、导读-算例分析要点

目前新能源汽车发展火热,在其电池热管理中做的最多的是水路流体的流热耦合分析。前提都是将电池假设为一个发热物理块进行。很少有对电池自身模型仿真的,最近发现fluent中有一个电池仿真模块,这次简单做个算例,来了解认识一下fluent中的电池仿真模块。

它的计算原理是需要前期做电池的充放电实验来获取一些数据,基于这些数据,根据不同模型计算,其中应用广泛的有两种一种是NTGK模型,也叫准静态模型,来模拟稳定的充放电过程,如1C充放电等,他需要提供不同倍率下的DOD与电压曲线,如图
这种适合系统的热管理计算使用,对电池热量要求不精确的情况;

第二种是ECM模型,也叫动态模型,等效电路模型。原理如下图
 

 
这个模型需要提供脉冲的充电数据类似于HPPC充放电数据,基于这个数据模拟动态的电池充放电。一般在BMS算法,以及整车急加速,急减数的模拟过程需要考虑此模型,计算要比NTGK精确一些。

二、模型处理

在SCDM种绘制模型,如图,需要注意的是提前标注好各部分的名称,下图是两个电池串联模型:
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·
Cell—电池本体
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·
Cell-n—电池负极耳
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·
Cell-p—电池正极耳
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·
wall-p—模组正极连接面
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·
wall-n—模组负极连接面
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·
busbar—连接母排

SCDM处理完成后使整个模型处于“分享”状态
 

三、网格划分

由于模型是方方正正的,所以采用cutcell网格,并开启promixity,设置至少3层。
 

四、求解器设置

1、在默认的fluent的求解模型中是没有电池仿真模块的,我们通过输入命令打开此模型。

命令为:define/models/addon-module

输入后会显示11个模型,输入;8选择MSMD模型即可。
 

2、开启瞬态,打开能量方程模型及刚才选择的MSMD模型,并在MSMD中进行设置

①选择仿真计算的模型NTGK或者ECM

②输入你仿真电池的容量(35AH)

③选择充放电的倍率(1C)

④设置初始DOD

⑤设置电池容量(最好让这个值与前面那个容量值相同,但不同也不会影响计算,之前做过一次对比,他们具体有是什么差异目前没有搞明白,如果有明白可以留言讨论,不胜感激!)

⑥根据NTGK与ECM所提供的不同实验数据,计算所得的值,具体计算方法可参考帮助文件有详细介绍。本此采用默认的数值。
 
NTGK
 

ECM


匹配电池各部分,电池本体,极耳,连接母排,总正,总负。
 

设置完成可以先预处理一下,如下图,可以看到已显示有2块电池串联,是1并。
 

3、设置材料

因为已默认有铝,所以需要添加铜及电池材料属性。锂电池正极极耳为铝,负极极耳为铜,连接母排一般有铝有铜,本次选择铜作为连接母排。

在设置铜铝时,需要注意改一个扩散系数参数,改为user-define系统已标定的数据
 

下图为电池材料设置方法,密度,比热可根据实际输入,重点介绍导热系数,由于Y方向为电池厚度方向导热与XZ不同,所以需要单独设置。
 

除此之外还需要设置扩散系数如下图,重点在UDS0(正极)与UDS1(负极)中输入1e7和2e8,只要在这个范围内即可。
 

在这正好做一步很实用的操作,学会省很多事哦,材料保存。

我们经常用到电池这个材料,所以我们把电芯保存在一个文件夹,方便以后调用,操作如下
 
 

等下次打开时可以直接点击命令,找到保存的文件夹,打开即可,如下图
 

4、将材料分别赋予各部分
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·
Cell—电池
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·
Cell-n—铜
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·
Cell-p—铝
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·
Busbar—铜

5、定义边界条件

与空气接触的面都设置空气温度300k,对流换热系数5,我已buabar壁面为例。
 

6、监测电压与最高温度
 
具体设置方法可参考我之前的教程,本次只设置如何在一个曲线图监控两个值,我们同时监控最大值与最小值。在一个report中new两次,分别为max-温度与min-温度。即可在同一report中监测两个值。
 

7、设置计算迭代
 
因为1C放电,为1个小时,所以设置5秒1步,共720步
 

8、计算结果
 
温度云图
 
放电末期电压
 

五、小结
本次算例计算两个锂电池串联的模型,是fluent中的电池模块。这个模块我也是第一次使用,中间出现过报浮点溢出的错误,通过修改放电的参数后正常。此模型目前由于极耳处处理有问题,因为正常极耳是很薄的不到1mm,且正负极极耳的大小都是根据过电流能力有比例关系常见的是铜极耳是铝极耳的0.75倍的关系,而且是很多极片层叠加而成如下图
 

 
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