STAR-CCM+:圆柱形锂离子电池组放电冷却仿真

时间:2024-10-12 21:13:59

模型描述:1P3S的圆柱形锂离子电池组(电池单体已在BDS中完成建模,并封装成tbm文件),由外壳结构包裹固定。初始温度30℃,电池组以22.11 A恒流放电200 s,20℃的空气以1 m/s的速度流入壳内进行冷却。

工具/原料

STAR-CCM+ 13.02.011-R8

电池模型导入

1、打开STAR-CCM+,新建simulation,选择Parallel on Local Host,Compute Processes根据PC配置选择,点击OK,保存为CylindricalCell.sim。

2、点击Continua > New > Physics Continuum,创建Physics 1模型,重命名为Battery Physics。选择Optional Models中的Battery模型,其他为常规设置。展开Initial Conditions>Static Temperature,设为30 ℃。

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3、点击Batteries>Battery Cells,右键Create from Tbm,打开TutorialCellCylindrical.tbm。这里的.tbm文件是在BDS里封装好的圆柱电池模型,采用了NTG模型。

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定义电池组

1、点击Batteries>Battery Modules,右键新建电池组。展开Batteries>Battery Modules>Battery Module>Module Configuration,Battery Cells选择Cylindrical Cell。

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2、展开Module Configuration>Battery Module Configuration,Option选择Staggered。

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3、展开Module Configuration>Module Connection Values>Series Connection Flip Option,Option选择Flip Starting With Second Cell。

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4、展开Module Configuration>Module Layout>Module Staggered Positioning,Gap Between Cells设为4 mm。

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5、展开Module Configuration>Module Layout>Module Staggered Size,Number of Cells in Staggered Row设为3。

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定义Tab Connectors

1、点击File>Import>Import Surface Mesh,导入post1Cylindrical.x_b,post2Cylindrical.x_b,strapCylindrical.x_b模型。

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2、展开Batteries>Battery Modules>Battery Module>Tab Connections,右键选择Setup Tab Connections,依次将First Post Parts、Strap Parts、Second Post Parts设为Post 1、Strap、Post 2。

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生成电池组模型

1、点击Batteries>Battery Modules>Battery Module,右键选择Generate Battery Parts。

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2、点击Battery Modules>Battery Module,右键选择Generate Connector Parts。新建Geometry Scene显示模型。

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3、压印Tab Connectors。点击Launch Surface Repair,选择EndPlate、Post、Strap等Parts,点击OK。

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4、切换至Global页面,点击Merge/Imprint single or multiple parts图标(Global Tools里第四个),弹出选项设置界面。Imprint Mode选择Multi-Part Imprint,Tolerance设为1.0E-6 m。

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5、点击Priority Indexing,点击Create New Set,在Priority 1中选择除Post 1、Strap、Post 2外的所有Parts,盼内溲铫点击OK。同理,新建Priority 2,选择Battery Module: Tab Connection 0,0: Strap和Battery Module: Tab Connection 0,1: Strap。同理,新建Priority 3,选择Battery Module: Tab Connection 0,0: Post 1、Battery Module: Tab Connection 0,0: Post 2、Battery Module: Tab Connection 0,1: Post 1、Battery Module: Tab Connection 0,1: Post 2。设置完成后,点击OK。

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6、点击Find Pairs,然后再点击Imprint All,完成压印。

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定义电池组外壳

1、点击File>Import>Import Surface Mesh,导入externalCasingCylindrical.x_b模型。

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2、展开Geometry>Parts>Case>Surfaces>Faces,右键Split By Patch分割进、出风口,分别命名为Inlet和Outlet。

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3、展开Batteries>Battery Modules>Battery Module>External Casing Geometry>E旌忭檀挢xternal Casing Specification,Battery External Casing Specification选择Specify External Casing Using Part。

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4、展开Battery Module>Casing Values>External Casing Part,选择Case。

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5、点击Battery Modules>Battery Module,右键选择Create External Casing Part。

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创建Regions

1、点击Battery Modules>Battery Module,右键选择Generate Regions。在Additional (non-Battery) Parts to Generate Regions不选择任何parts,点击OK。

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网格划分

1、展开Batteries>Battery Modules>Battery Module,右键选择Setup Battery Meshing。展开Continua> Mesh 1,重命名为Battery Mesh。

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2、展开Battery Mesh>Volumetric Controls>Battery Cell Tab Volumetric Control 1 >Mesh Values>Custom Size>Relative Size,Percentage of Base设为5。

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3、新建Mesh Continuum,命名为External Casing Mesh。模型选择Surface Remesher和Polyhedral Mesher。

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4、展开Continua>External Casing Mesh>Reference Values>Base Size,设为5 mm。

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5、点击Regions>Battery Module: External Casing,Mesh Continuum选择External Casing Mesh。

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6、提交体网格划分。

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定义壳内空气模型

1、新建Physics 1,命名为External Casing。选择物理模型。展开Initial Conditions>Static Temperature,设为30 ℃。

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2、点击Regions>Battery Module: External Casing,Physics Continuum选择External Casing。

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3、展开Boundaries,Battery Module: External Casing.Case.Inlet设为Velocit烤恤鹇灭y Inlet,Battery Module: External Casing.Case.Outlet设为Pressure Outlet。点击Battery Module: External Casing.Case.Inlet> Physics Values,Static Temperature设为20 ℃,Velocity Magnitude设为1 m/s。

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定义电路回路

1、点击Batteries>Program Files,右键加载Tutorial3CDischargeCylindrical.prg文件。

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2、点击Battery Modules>Battery Module,右键选择Create Circuit Element。

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3、点击Program Files>Tutorial3CDischargeCylindrical.prg,右键选择Create Circuit Element。

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4、展开Circuits>Circuit 1>Circuit Elements,同时选中(+像粜杵泳) Battery Module和(-) Tutorial3CDischarge.prg,右键选择Create Connection。同理,同时选中(-) Battery Module和(+) Tutorial3CDischargeCylindrical.prg,创建Connection。

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5、考虑电路的欧姆热。点击Batteries>Battery Modu盟敢势袂les>Battery Module,右键选择Setup Connector Ohmic Heating。展开Continua>Battery Module Connectors: Ohmic Heating >Initial Conditions>Static Temperature,设为30 ℃。

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求解条件

1、展开Solvers,Implicit Unsteady时间步长设为1 s。

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2、展开Stopping Criteria,不勾选Maximum Steps,Maximum Inner Iterations设为5步,Maximum Physical Time设为200 s。

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创建Reports

1、右键Reports,新建Maximum 1,命名为Maximum Temperature,Field Function选择Temperature,单位为℃,Parts选择Battery Module: Cylindrical Cell: Jellyroll。

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2、新建Minimum 1,命名为Mi艘绒庳焰nimum Temperature,设置与Maximum Temperature相同。同时选中Maximum Temperature和Minimum Temperature,右键Create Monitor and Plot from Report,选择Single Plot。将新建的Plot重命名为Temperature Monitor Plot。展开Plots>Temperature Monitor Plot>Axes>Left Axis>Title,改为Temperature (C)。

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3、监测SOC变化。新建Volume Average 1,命名为State of Charge,Field Function选择Battery SOC,Parts选择Battery Module: Cylindrical Cell: Jellyroll。右键Create Monitor and Plot from Report。

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后处理显示

1、监测电池卷心温度分布。新建Scalar Scene 1,命名为Temperature Scene。Parts选择Battery M泠贾高框odule: Cylindrical Cell: Jellyroll,Field Function选择Temperature,单位为℃。Contour Style选择Smooth Filled。点击Color Bar,将Title Height设为0.04,Label Height设为0.035。

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2、创建截面监测整个电池盒体的温度分布。点击Derived Parts > New Part > Section > Plane,Input Parts选择整个Region,Origin向量设为[0.0, 0.03, 0.0],Normal向量设为[0.0, 1.0, 0.0],勾选No Displayer,点击Create。新建Scalar Scene,命名为Can Temperature。Parts选择Plane Section,其它设置与Temperature Scene相同。

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3、展开Tools > Annotations > Solution Time,拖拽至Temperature Scene和Can Temperature,将Solution Time的Height设为0.04。

4、记录输出历史,命名为CylindricalCell.simh。Functions选择Temperature,Trigger选择Time Step,Frequency设为1。这里要强调一点,.simh文件的保存路径必须为全英文,否则无法记录。

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提交计算

1、保存,初始化,提交计算。

计算结果

1、电池卷心温度瞬态云图。

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2、电池卷心温度曲线。最高温度34.48 ℃,最低温度34.18 ℃,温差0.3 ℃。

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3、电池SOC变化曲线。

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4、电池盒体在中截面上的温度分布。

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5、创建流线图。右键Derived Parts,创建Streamline。打开Temperature Scene,新建一个Streamline,parts选择Streamline,Scalar Field选择Velocity: Magnitude。在Color Bar中将Title Height设为0.04,Label Height设为0.035,Color Map选择cool-warm。

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