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
![Fluent 电池仿真分析计算fluent培训课程图片1](http://www.1cae.com/i/g/80/807aec6f8a2ec1d00bcc854076d9d65er.jpg)
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:
![Fluent 电池仿真分析计算fluent培训课程图片2](http://www.1cae.com/i/g/6d/6da3a0bfae07c24939b7160b05f90e1er.jpg)
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)
![Fluent 电池仿真分析计算fluent培训课程图片3](http://www.1cae.com/i/g/c0/c07538dc07e61af138b890e3eb648b49r.jpg)
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
![Fluent 电池仿真分析计算fluent培训课程图片4](http://www.1cae.com/i/g/f0/f09e885323fe5bc247ee3f76c8d3cb08r.jpg)
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。
![Fluent 电池仿真分析计算fluent培训课程图片5](http://www.1cae.com/i/g/b8/b8dab4998fa7edc91d88b4e866a82cadr.jpg)
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
![Fluent 电池仿真分析计算fluent培训课程图片6](http://www.1cae.com/i/g/8c/8cd043ec0607332d637be2144638bedfr.jpg)
ECM
![Fluent 电池仿真分析计算fluent培训课程图片7](http://www.1cae.com/i/g/e0/e0bf2ba8c413c47d851cf032ba430d05r.jpg)
匹配电池各部分,电池本体,极耳,连接母排,总正,总负。
![Fluent 电池仿真分析计算fluent仿真分析图片8](http://www.1cae.com/i/g/b2/b2b6fe01831837396765b507548948b5r.jpg)
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。
![Fluent 电池仿真分析计算fluent仿真分析图片9](http://www.1cae.com/i/g/59/5967de054a59a75eaf92f20629a390d8r.jpg)
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
![Fluent 电池仿真分析计算fluent仿真分析图片10](http://www.1cae.com/i/g/d7/d7c7e27651cbe541ac267db1123d32c5r.jpg)
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。
![Fluent 电池仿真分析计算fluent仿真分析图片11](http://www.1cae.com/i/g/51/51b688f7223e04f10ff73c9055a0aa71r.jpg)
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。
![Fluent 电池仿真分析计算fluent仿真分析图片12](http://www.1cae.com/i/g/b2/b2df06e788210785f982c63c304ec8b7r.jpg)
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
![Fluent 电池仿真分析计算fluent仿真分析图片13](http://www.1cae.com/i/g/a9/a9ba7d0a3d3b4bbb859c58f66c58dfafr.jpg)
![Fluent 电池仿真分析计算fluent仿真分析图片14](http://www.1cae.com/i/g/60/60e0df0cf4d3addd79c5a2b22ca7745er.jpg)
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
![Fluent 电池仿真分析计算fluent仿真分析图片15](http://www.1cae.com/i/g/c3/c37a3d3f0d6e48056a8fbdd90ba7cc24r.jpg)
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。
![Fluent 电池仿真分析计算fluent仿真分析图片16](http://www.1cae.com/i/g/d9/d9790d02f5a9b6dded7dc999897fbd17r.png)
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。
![Fluent 电池仿真分析计算fluent结果图片17](http://www.1cae.com/i/g/35/35cf005f04ddc837b8b044d832352914r.jpg)
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
![Fluent 电池仿真分析计算fluent结果图片18](http://www.1cae.com/i/g/db/db407a9bfee530752def5ccc9ac9ce42r.png)
4.8 计算结果
收敛情况
![Fluent 电池仿真分析计算fluent结果图片19](http://www.1cae.com/i/g/dd/dd985874b01a77646267eb4e865be99ar.jpg)
温度云图
![Fluent 电池仿真分析计算fluent结果图片20](http://www.1cae.com/i/g/d2/d2157e995f9a32997fc526dc01913ad5r.jpg)
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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