Fluent 电池仿真分析计算

2020-02-07 by:CAE仿真在线来源:互联网

1、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。

2、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:

Cell—电池本体

Cell-n—电池负极耳

Cell-p—电池正极耳

wall-p—模组正极连接面

wall-n—模组负极连接面

busbar—连接母排

SCDM处理完成后使整个模型处于“分享”状态(就是之前常说的share,中文模式翻译过来说有点别扭)

3、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

4、求解器设置

4.1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。

4.2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,计算所得的值填入方框内,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。

4.3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。

在这正好做一不很实用的操作,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

4.4将材料分别赋予各部分

Cell—电池

Cell-n—铜

Cell-p—铝

Busbar—铜

4.5 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,我以buabar壁面为例。

4.6 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。

4.7 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

4.8 计算结果

收敛情况

温度云图

5、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带1mm,而且是很对层叠加。本算例加厚处理了,正常放电小倍率最高温度位置是在电芯中间,大倍率是在极耳连接处。而仿真结果却不是这样。所以具体如何来做电芯的仿真是值得我们来讨论的。

文章作者:CFD萧然。就职与某新能源汽车厂,主要从事电池热管理工作。CFD小学生一枚,对流体仿真感兴趣,将本人平时工作学习中了解的不了解的分享出来,希望找到志同道合的伙伴,一起学习,一起进步。终极目标希望仿真不仅仅是用来做报告,更能够起到其真正的优化设计作用。

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