Fluent Tutorials系列:电池组仿真实践

本算例演示利用Fluent中的电池模型仿真计算电池组的基本流程。

1 问题描述

本算例考虑的模型为一个小型的1P3S电池组,其结构为一个串联三个电池的电池组。

几何模型如下图所示。

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算例考虑的电池组的放电过程是在恒定功率200 W条件下完成,该电池组的标称容量为14.6 ah。

算例使用NTGK模型模拟恒定功率条件下的电池放电过程。

2 Fluent设置

  • 以3D、Double Precision启动Fluent
  • 利用菜单File → Read → Mesh... 导入计算网格1P3S_battery_pack.msh
  • 选择Domain → Mesh → Scale打开网格缩放对话框,如下图所示,沿三个方向设置缩放因子0.1对网格尺寸进行缩放

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2.1 General设置

  • 激活选项Transient采用瞬态计算

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2.2 Models设置

  • 激活Battery Model,进入Model Options标签页
  • 激活选项MSMD
  • 激活NTGK Empirical Model
  • 设置Nominal Cell Capacity为14.6 ah
  • 激活选项Enable Joule heat in active zones
  • 激活选项Specified System Power ,设置System Power为200 W

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  • 进入Conductive Zones 标签页
  • 设置Active Components为cell_1、cell_2、cell_3
  • 设置Passive Components为n_tabzone_1、n_tabzone_2、n_tabzone_3、p_tabzone_1、p_tabzone_2、p_tabzone_3、bar1、bar2

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  • 进入Electric Contacts标签页
  • 指定Negative Tab为tab_n
  • 指定Positive Tab为tab_p


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点击按钮Print Battery System Connection Information可检查电池定义。TUI窗口的输出信息如下所示。

Battery Network Zone Information:-------------------------------------Battery Serial 1Parallel 1Active zone: cell_1Battery Serial 2Parallel 1Active zone: cell_2Battery Serial 3Parallel 1Active zone: cell_3-----------------------------------Passive zone 0:n_tabzone_1Passive zone 1:p_tabzone_1bar1n_tabzone_2Passive zone 2:p_tabzone_2bar2n_tabzone_3Passive zone 3:p_tabzone_3Number of battery series stages =3; Number of batteries in parallel per series stage=1****************END OF BATTERY CONNECTION INFO**************

2.3 Materials设置

  • 创建材料e_material
  • 指定Thermal Conductivity为20 W/(m K)
  • 指定Electrical Conductivity为defined-per-uds

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  • 指定uds-0的电导率为1e6 S/m,如下图所示

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  • 相同方式设置uds-1的电导率为1e6 S/m

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  • 创建材料介质**busbar_material **
  • 指定 Thermal Conductivity 为20
  • 指定Electrical Conductivity为3.541e7

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2.4 计算区域设置

  • 指定区域cell_1的材料介质为e_material

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  • 将cell_1的参数拷贝到区域cell_2、cell_3

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  • 指定区域bar1的材料介质为**busbar_material **

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  • 将区域bar1的参数拷贝到其他区域,如下图所示

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2.5 边界条件设置

  • 指定边界wall-cell_1的边界条件
  • 指定边界类型为Convection
  • 指定Heat Transfer Coefficient为5
  • 指定Free Stream Temperature为300 K
  • 其他参数保持默认设置

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  • 将边界wall-cell_1的参数拷贝给其他的壁面边界,如下图所示

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2.6 求解设置

  • 进入Controls节点,指定计算求解的方程,取消选择Flow及Turbulence,如下图所示

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2.7 定义监测

  • 如下图所示指定残差监测Convergence Criterion为None,表示计算过程中不监测残差

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  • 定义监测边界tab_p上的平均电位,如下图所示

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  • 定义监测计算体内最大温度,如下图所示

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2.8 初始化计算

  • 如下图所示采用Standard Initialization,采用默认参数进行初始化

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2.9 计算求解

  • 设置时间步长30 s,设置时间步数50,共计算1500 s

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3 计算结果

  • 监测得到的电池放电曲线如下图所示

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  • 监测得到的电池壁面上最高温度随时间变化曲线

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  • 1500 s时刻电池表面温度分布

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  • 1500s时刻电池的焦耳热源

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  • 1500 s时刻电池的总热源

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