Fluent Tutorials|26 电池模拟
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本文摘要(由AI生成):
本文介绍了一个详细的电池模拟流程,涉及设置电池模型中的多个方面。首先,根据需要修改了CAE用户源代码,并定义了正极、负极和电解质的新材料,以及对应的材料参数。随后,为不同的区域指定了介质、边界条件、取消不相关的流动和湍流方程,并设置了物理量监测。通过初始化并设置计算参数,得到了电池的放电曲线和温度变化曲线。进一步,通过改变放电率并保存模拟结果,文章还模拟了电池在脉冲放电条件下的性能。最后,模拟了电池在外部及内部短路情况下的行为,包括电位、电流、温度分布和总发热量的统计。
本教程演示利用Fluent中的MSMD模型对单电池进行计算。
本教程演示了以下操作:
1 问题描述
本算例演示Kims论文中描述的锂离子电池的放电行为。在本算例中使用NTGK模型,计算的电池为14.6 Ah LiMn2O4阴极/石墨阳极电池。电池的几何形状如图所示。算例研究电池在不同放电速率下的电池性能。
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2 Fluent设置
- 以3D、Double Precision模式启动Fluent
- 利用菜单File → Read → Mesh... 读取网格文件unit_battery.msh
2.1 General设置
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2.2 Models设置
- 鼠标双击模型树节点Battery Model,弹出对话框中激活选项Enable Battery Model激活电池模型
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- 打开的电池模型中的
Model Options
标签页 - 在
Solution Method
组合框中激活选项MSMD - 在
E-Chemistry Models
组合框中激活选项NTGK Empirical Model - 保持参数
Nominal Cell Capacity
为默认中14.6 ah - 激活选项Enable Joule heat in active zones
- 保持参数Specified C-Rate,并设置C-Rate的值为1
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- 指定
Active Componnets
为e_zones - 指定
Passive Components
为tab_nzone与tab_pzone

注:电化学反应只发生在active components,这里的tab_nzone与tab_pzone是正负极耳区域。
”

- 此时点击对话框中的按钮 Print Battery System Connection Information可以在tui窗框输出电池基本信息
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- 进入
Model Parameters
标签页,保持默认设置

注:如果Y与U函数的形式与Kim的论文中结构不同,则需要修改cae_user.c文件中的源代码。
”
2.3 Materials设置
为电池定义新的e_material材料,为正极定义p_material,为负极定义n_material。
- 创建材料e_material,如下图所示定义材料参数
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- 指定
Electrical Conductivity
为defIne-per-uds,指定uds-0
的电导率为1.19e6 S/m

- 指定
uds-1
的电导率为983000 S/m,如下图所示

- 创建材料p_material,如下图所示指定材料参数


说明:如果正极区域和负极区域由相同的材料制成,则不需要创建两种不同的材料。在本算例中创建了两种具有相同物理特性的不同材料,仅作演示之用。
”
2.4 指定计算区域的介质
- 如下图所示指定区域
e_zone
的材料为e_material
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- 如下图所示指定区域
tab_nzone
的材料为n_material

- 如下图所示指定区域
tab_pzone
的材料为p_material

2.5 指定边界条件
- 指定边界
wall_active
的换热系数为5 W/(m2.k),如下图所示

- 将边界
wall_active
的边界条件拷贝给边界wall_n及wall_p
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2.6 Controls
- 进入
controls
面板,打开Equations
对话框,如下图所示,取消选择Flow与Turbulence
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2.7 物理量监测
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

2.8 初始化
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2.9 设置计算
- 设置迭代步数为100,设置时间步长为30 s,点击Calculate进行计算
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- 监测得到的放电曲线(电位随时间变化曲线)如下图所示

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3 计算结果
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



采用相同设置方法,分别计算C-Rate为0.5C及5C,同时分别指定它们的计算时间步数为230及23,对结果进行比较,放电曲线如下图所示。


- 利用菜单File → Write → Case... 保存文件ntgk.cas.h5
4 利用ECM模型模拟电池脉冲放电
- 创建一个文本文件,命名为time_profile.txt,在其中输入以下内容
010
30010
300.100
60000
600.110
90010
900.100
120000
1200.110
150010
1500.100
180000
1800.110
210010
此文件中指定了电池的放电倍率随时间的变化,倍率变化如下图所示。

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- 设置时间步长30秒,时间步数70步,一共计算2100秒
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
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- 利用菜单File → Write → Case... 保存文件ECM.cas.h5
5 模拟外部及内部短路
- 读取之前保存的ntgk.cas及ntgk.dat文件
- 进入电池模型,指定外部电阻为0.5 欧姆,如下图所示
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- 利用菜单File → Write → Case... 保存文件ntgk_short_circuit.cas.h5
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计算完毕后查看计算结果。
- 统计正极上的平均电位,如下图所示为3.465769 V
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- 统计区域内的总电流,如下图所示为6.931506 A
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- 查看电池总发热量,如下图所示为48.00267 W
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博士
|
教师
探讨CFD职场生活,闲谈CFD里外
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