Fluent 電池仿真分析計(jì)算

2020-02-07 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

1、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(duì)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(duì)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。

2、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:

Cell—電池本體

Cell-n—電池負(fù)極耳

Cell-p—電池正極耳

wall-p—模組正極連接面

wall-n—模組負(fù)極連接面

busbar—連接母排

SCDM處理完成后使整個(gè)模型處于“分享”狀態(tài)(就是之前常說的share,中文模式翻譯過來說有點(diǎn)別扭)

3、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

4、求解器設(shè)置

4.1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。

4.2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(duì)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)算所得的值填入方框內(nèi),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。

4.3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。

在這正好做一不很實(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

4.4將材料分別賦予各部分

Cell—電池

Cell-n—銅

Cell-p—鋁

Busbar—銅

4.5 定義邊界條件

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

4.6 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。

4.7 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

4.8 計(jì)算結(jié)果

收斂情況

溫度云圖

5、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耳是很薄的不帶1mm,而且是很對(duì)層疊加。本算例加厚處理了,正常放電小倍率最高溫度位置是在電芯中間,大倍率是在極耳連接處。而仿真結(jié)果卻不是這樣。所以具體如何來做電芯的仿真是值得我們來討論的。

文章作者:CFD蕭然。就職與某新能源汽車廠,主要從事電池?zé)峁芾砉ぷ鳌FD小學(xué)生一枚,對(duì)流體仿真感興趣,將本人平時(shí)工作學(xué)習(xí)中了解的不了解的分享出來,希望找到志同道合的伙伴,一起學(xué)習(xí),一起進(jìn)步。終極目標(biāo)希望仿真不僅僅是用來做報(bào)告,更能夠起到其真正的優(yōu)化設(shè)計(jì)作用。

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