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。

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

2.1 General设置

• 激活选项Transient采用瞬态计算

img

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

• 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

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

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 1
Parallel 1
Active zone: cell_1
Battery Serial 2
Parallel 1
Active zone: cell_2
Battery Serial 3
Parallel 1
Active zone: cell_3
-----------------------------------
Passive zone 0:
n_tabzone_1
Passive zone 1:
p_tabzone_1
bar1
n_tabzone_2
Passive zone 2:
p_tabzone_2
bar2
n_tabzone_3
Passive zone 3:
p_tabzone_3
Number 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

• 指定uds-0的电导率为1e6 S/m，如下图所示

• 相同方式设置uds-1的电导率为1e6 S/m

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

2.4 计算区域设置

• 指定区域cell_1的材料介质为e_material

• 将cell_1的参数拷贝到区域cell_2、cell_3

• 指定区域bar1的材料介质为**busbar_material **

• 将区域bar1的参数拷贝到其他区域，如下图所示

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

• 将边界wall-cell_1的参数拷贝给其他的壁面边界，如下图所示

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

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

• 定义监测边界tab_p上的平均电位，如下图所示

• 定义监测计算体内最大温度，如下图所示

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

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

3 计算结果

• 监测得到的电池放电曲线如下图所示

• 监测得到的电池壁面上最高温度随时间变化曲线

• 1500 s时刻电池表面温度分布

• 1500s时刻电池的焦耳热源

• 1500 s时刻电池的总热源