Fluent Tutorials｜26 电池模拟

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。

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

• 激活选项Transient采用瞬态计算

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

• 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
• 其他参数保持默认设置

• 进入Conductive Zones标签页
• 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。

”

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

• 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

• 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

• 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

• 创建材料n_material，如下图所示指定参数

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

• 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

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

2.7 物理量监测

• 如下图所示取消残差监测

• 监测tab_p上的平均电势，如下图所示

• 监测所有区域中的最高温度，如下图所示

2.8 初始化

• 采用全局初始化

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

• 监测得到的放电曲线（电位随时间变化曲线）如下图所示

• 监测得到的温度变化曲线如下图所示

3 计算结果

• 查看阴极电位分布

• 3000s时刻阴极电位分布如下图所示

• 相同方式查看3000s时刻阳极电位分布如下图所示

• 3000s时刻温度分布如下图所示

• 3000s时刻电流示例分布如下图所示

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

• 三种放电率条件下的最高温度随实际变化关系

• 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。

• 进入电池模型，指定电池脉冲放电规律，如下图所示

• 初始化计算

• 设置时间步长30秒，时间步数70步，一共计算2100秒

• 监测得到的放电曲线如下图所示

• 检测得到的最高温度如下图所示

• 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

• 新建一个patch区域

• 指定patch区域几何，如下图所示

• 全局初始化

• patch区域的电阻为5e-7

• 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

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

• 统计区域内的总电流，如下图所示为6.931506 A

• 查看电池表面的温度分布，如下图所示

• 查看电池总发热量，如下图所示为48.00267 W