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FLUENT锂电池组散热及冷却模拟

6月前浏览5982

1 前言

新能源车这几年在国内简直是井喷式的发展起来，有日本人说中国的新能源车没有技术含量，本人不是从业者，对此无法给出权威的解读。但是多到连卖楼的、卖空调的、卖手机的都去造车了，这行业估计就是不健康的了，最后免不了摔死一大堆并留下一地鸡毛。锂电池是在新能源车动力电池中是非常普遍的了，影响锂电池寿命的因素有很多，最重要的是温度，因此电池热管理系统BTMS可以说是动力系统的一大核心。通常锂电池工作温度处在20℃~40℃之间，而允许的工作范围-10℃~50℃，而温度低于-10℃时，电池的性能将显著降低。另外，电池包内各电芯的温度均匀性越高越好，因此不管是主动式冷却系统还是被动式冷却系统，都希望通过冷却流道的优化设计等使得电芯之间的温度差异尽可能降低，有文献指出锂电池在整个寿期内要求保持最高温度低于40℃并且最大温差不超过5℃。采用CFD方法进行BTMS优化设计是一个高效的手段，今天，我们做一个锂电池组散热及冷却的模拟案例。

2 建模与网格

根据如下参数创建电池组，根据对称性，我们取其中一列进行模拟。注意我们将实际模型简化二维平面模型，那么平面模型的深度depth就是电池的高度L；另外，电池的固体域也创建，进行共轭传热计算。划分四边形结构化网格，电池的圆柱面采用O型剖分。

3 边界条件与求解设置

本案例的雷诺数约为13300，为湍流流态，我们采用默认的SST k-ω湍流模型。

介质以及电池单元的热物性参数根据前文进行设置。

流道的右侧为速度入口，速度值1.5m/s，温度20℃

流道上下面为对称边界。

重点讲一下电池的产热设置，电池的容量为3.6Ah，电池的产热包括焦耳热和熵热两部分，计算方法如下，这里需要注意一下，计算熵热时温度的单位应该为K，在高放电倍率时，比如新能源车动力电池组，熵热的占比通常很少，本案例的放电倍率为7C，亦即电流为25.2A。电池的产热需要用UDF编辑，转换为能量方程的源项，文末有相关代码，有偿获取。

我们根据参考文献[3]，将电池的工作状态设置为如下的充放电循环，周期为300s，充放电对应的电流有正负之区别，该设置同样需要通过文末的UDF来实现。

创建8个监视器，监测各个电池的平均温度。

本案例的求解策略为：先关闭能量方程，进行稳态求解，获得初始的速度场和压力场；然后开启能量方程，进行瞬态求解，时间步长取1s。

4 计算结果

我们看一下通风速度1m/s时，6000s内各个电池的平均温度曲线如下，可以看到温度基本达到了稳态，所有电池平均温度均在32℃以下，且电池的温度差异最大为2.43℃。

参考文献[3]提出了一种改善电池温度差异性的思路，周期性改变气流的方向，本案例气流换向周期为150s。这种冷却方案下，6000s各个电池的平均温度曲线如下，可以明显看出，电池之间的温度差异性显著得到改善。其实这个原理很好理解，避免了各个电池长期受到不同温度的冷却气流作用，因为不变向时，上游的电池始终受到最低温气流冷却，而下游的电池冷却气流温度越来越高。改变气流方向后，这种固定趋势被打破了。但是，这里笔者有两个感兴趣的问题：一是电池频繁受到不同温度的气流作用，是否会有热疲劳；二是流道上必须有个控制部件按照换向要求周期性的动作来改变气流方向，寿命可能是个问题。

参考文献

[1] Analysis of Electrochemical and Thermal Behavior of Li-Ion Cells

[2] Characterization of commercial Li-ion batteries using electrochemical–calorimetric measurements

[3] Reciprocating air flow for Li-ion battery thermal management to improve temperature uniformity

[4] Three-dimensional CFD study on heat dissipation in cylindrical lithiumion battery module

本案例UDF代码（含英文注释）如下：

来源：仿真与工程

FLUENT计算过程中修改边界条件（TUI）

今天的案例我们讨论如下一个问题，一根直管，左侧流入热流体，从右侧流出。直管上方有一根支管，支管末端模拟水龙头，一开始水龙头是关闭的，也就是这个末端是壁面，在某个时刻水龙头打开，冷水流入，这个时候末端是速度入口。针对上述问题，最简单的方法是瞬态计算到某个时刻时，暂停计算，手动修改边界条件，将支管末端由壁面修改为速度入口然后进行相关设置。今天我们采用的是另一种方法，该方法利用TUI结合动网格的event来实现边界自动修改，采用方法的一个大前提是要对TUI熟悉。我们发现，其实TUI是一个非常便捷的手段，图形界面输入（GUI）实现了傻瓜式人机接口。后续我们考虑出一些TUI的教程，采用视频方式可能更为合适。本案例涉及的command语句如下，语句的意义以及编写方法可以参考以下的具体操作视频，相信读者朋友看过以后对TUI的使用应该会有一个认识的提高，也会快速上手。 /define/boundary-conditions zone-type inlet_cold velocity-inlet/define/boundary-conditions/set velocity-inlet inlet_cold () vmag no 2 ke-spec no no no yes turb-hydraulic-diam 0.005 temperature no 300 quit来源：仿真与工程