基于Star-CCM+液冷電池熱管理仿真

 整個模型包括5和50AH三元電芯,電芯底部采用液冷冷卻方式,進口流量為0.01kg/s,環境溫度30℃,初始的溫度30℃,假設單個電芯的發熱量為20000W/M3 

基于Star-CCM+液冷電池熱管理仿真的圖1

在scdm里面對數模進行簡化,并對每個模塊進行命名,在建立仿真模型前,需要先建立交界面,通過starccm+壓印的功能實現,壓抑的容差設置為0.0001m,勾選上CAD壓印選項,便于壓印成功。壓印結束后需監測壓抑是否成功,看是否出現自由邊,穿刺面等問題,如果出現少量問題,可利用straccm修復工具進行修復。

基于Star-CCM+液冷電池熱管理仿真的圖2


 在畫網格前需要把零件部件分配給區域,選擇為每個零部件創建一個區域和為每個零部件表面創建一個邊界,使得軟件能夠識別零件,后續的賦予材料也是賦予對應的區域部分。

基于Star-CCM+液冷電池熱管理仿真的圖3


 設置網格參數,設置基本尺寸為10mm,最小網格尺寸為1mm,邊界層設置3層,體網格的最大單元設置為10mm,網格數量為1417917,具體的網格質量參數如下所示,Face validity>1,Volume change>1e-2,網格質量較好,滿足計算的要求。

基于Star-CCM+液冷電池熱管理仿真的圖4




 邊界層的位置劃分了3層網格,導熱墊厚度方向的網格層數也是大于2層,

基于Star-CCM+液冷電池熱管理仿真的圖5

基于Star-CCM+液冷電池熱管理仿真的圖6

  • 物理模型材料定義

 建立物理連續體。以電池為例,空間維度為三維,時間為隱式不定常,材料為固體,固體為恒密度 ,分離固體能量;冷卻液選擇,三維,流體、恒密度、分離流體溫度、湍流、k-e模型,在選擇求解模型,軟件會帶相對于的一些其它必須的模型下面的兩層全y+壁面處理。

基于Star-CCM+液冷電池熱管理仿真的圖7基于Star-CCM+液冷電池熱管理仿真的圖8

      模型選擇完成之后,在Solid菜單下對材料屬性進行定義,材料庫中默認的固體材料為鋁,在此對其密度、比熱容、導熱系數的數值進行設置,電池自身的層狀結構使得其厚度方向的導熱系數遠低于高度和長度方向,因此此處選擇各向異性導熱系數;在初始條件中設置電池的初始溫度,其他固體域的模型選擇和參數設置與此類似。建立網格模型和物理模型后,可選中每個計算域,并為其選擇適合的網格連續體和物理連續體。

基于Star-CCM+液冷電池熱管理仿真的圖9

      定義材料參數如下表所示:定義好材料參數后,把每個材料賦予到對應的模型上去,電池的能量密度為20000W/M3,對于相同材料的模型可以采用copy方式去賦予材料效率更高


密度

比熱

導熱系數

2719

871

202.4

Cell

2300

930

18.5/18.5/1.5

導熱墊

2420

967

2

Hyb

1800

550

0.2


  • 定義邊界條件

       設置進口邊界條件為質量流量進口,流量為0.1Kg/s,進口的溫度25℃,出口的邊界條件為壓力出口,


  • 設置監測:

      在計算的過程通過設置的監測數據,判斷計算的是否收斂,一般監測的參數都是在仿真中比較關系的參數,比如溫度,壓力參數等。下圖設置了監測每個電芯的最高溫度,冷卻流道壓降參數。

  • 初始化:

求解前需要進行初始化。設置求解保存、步驟和停止條件等。進行過初始化后,即可計算面和體等相關的參數,如面積、體積等。

  • 結論:

迭代了1360步,任然未達到10e-3收斂標準,但是查看監測的數據已趨于穩定,可繼續計算一段時間,演示計算這里位置。

基于Star-CCM+液冷電池熱管理仿真的圖10

  1. 電池的最高溫度35.1℃

  2. 系統壓降35.1pa

  3. 流道出口溫度25.8℃

基于Star-CCM+液冷電池熱管理仿真的圖11



  • 更多考慮點:

      上文動力電池熱管理仿真為粗略的仿真方法,模型還是比較小,需要處理和注意的細節相對較小,仿真的方法還需進一步的優化,本次仿真未考慮,熱阻、隨時間變化發熱功率,導電排,極柱的歐姆熱、隨溫度變化的材料參數等等因素。


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