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Fluent Tutorials|26 电池模拟

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3月前浏览6466

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:

  • 使用NTGK电池子模型
  • 设置电池模拟针对不同的电池放电率执行计算
  • 模拟电池脉冲放电
  • 在电池模拟中引入外部和内部短路

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

  • 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

  • 激活选项Transient采用瞬态计算

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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
    • Solution Method组合框中激活选项MSMD
    • 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
    • 其他参数保持默认设置

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  • 进入Conductive Zones标签页
    • 指定Active Componnetse_zones
    • 指定Passive Componentstab_nzone与tab_pzone

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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。

  • 进入Electric Contacts标签页
    • 指定Negative Tabtab_n
    • 指定Positive Tabtab_p

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  • 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

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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 ConductivitydefIne-per-uds,指定uds-0的电导率为1.19e6 S/m

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  • 指定uds-1的电导率为983000 S/m,如下图所示

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  • 创建材料p_material,如下图所示指定材料参数

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  • 创建材料n_material,如下图所示指定参数

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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

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  • 如下图所示指定区域tab_pzone的材料为p_material

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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

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  • 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

  • 如下图所示取消残差监测

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  • 监测tab_p上的平均电势,如下图所示

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  • 监测所有区域中的最高温度,如下图所示

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2.8 初始化

  • 采用全局初始化

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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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  • 监测得到的温度变化曲线如下图所示

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3 计算结果

  • 查看阴极电位分布

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  • 3000s时刻阴极电位分布如下图所示

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  • 相同方式查看3000s时刻阳极电位分布如下图所示

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  • 3000s时刻温度分布如下图所示

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  • 3000s时刻电流示例分布如下图所示

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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。

  • 三种不同放电率条件下计算得到的放电曲线

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  • 三种放电率条件下的最高温度随实际变化关系

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  • 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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  • 进入电池模型,指定电池脉冲放电规律,如下图所示

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  • 初始化计算

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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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  • 监测得到的放电曲线如下图所示

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  • 检测得到的最高温度如下图所示

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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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  • 新建一个patch区域

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  • 指定patch区域几何,如下图所示

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  • 全局初始化

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  • patch区域的电阻为5e-7

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  • 利用菜单File → Write → Case... 保存文件ntgk_short_circuit.cas.h5
  • 设置时间步长为1秒,计算5步,一共计算5秒钟

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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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  • 查看电池表面的温度分布,如下图所示

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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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著作权归作者所有,欢迎分享,未经许可,不得转载
首次发布时间:2021-05-20
最近编辑:3月前
CFD之道
博士 | 教师 探讨CFD职场生活,闲谈CFD里外
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未登录
4条评论
W.
签名征集中
1年前
老师,在求解的时候,温度飙升到5000K是什么原因啊
回复
一小块蛋糕
签名征集中
2年前
老师,有没有空出个18650圆柱电池的产热模型呀
回复
CSG
签名征集中
2年前
请问作者说的kims的论文是哪篇论文啊
回复
仿真秀0513153341
签名征集中
3年前
回复 1条回复
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