【《电动汽车单体锂离子电池热仿真分析案例》3800字】

电动汽车单体锂离子电池热仿真分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u8631电动汽车单体锂离子电池热仿真分析案例 189101.1CFD基础理论 1195541.1.1CFD概述 1319471.1.2CFD控制方程 123211.1.3CFD求解流程 3237841.2锂离子单体电池仿真分析 3173711.2.1Fluent软件简介 3169721.2.2几何模型的建立和网格划分 4238161.3单体电池仿真结果与实验对比 6314491.1.1不同放电倍率的单体电池仿真 617361.1.2实验对比和模型验证 7257371.4小结 7电动汽车的动力来源是动力电池组，而动力电池组的组成就是由大量的单体电池串联和并联所形成的。单体电池在充放电时会随着时间而生热量加大，从而导致锂离子电池的温度提升。为了使电池组温度分布均匀，不受任意一个单体电池影响整体性能，因此可以先对单体锂离子电池的发热情况进行研究。本章通过先建立单体锂离子电池模型，然后利用CFD软件进行仿真，通过单体锂电池在不同放电倍率的情况下的温度变化得出结论。1.1CFD基础理论1.1.1CFD概述计算流体力学简称CFD，是一门新兴交叉学科，由计算机科学和流体力学相互结合，近几十年来计算机得到了快速的发展与崛起，CFD也得到了快速的发展，并且不仅仅运用在流体力学的科学实验中还慢慢运用到工程及众多领域中，比如汽车工程、航天航空、船舶等其它领域。它可以通过计算机来对某些流体力学中的流体流动和热传递等进行模拟仿真并且计算求解流体力学中的控制方程，最终通过计算结果和数值分析且可以以图像的方式显示出来。因为运用CFD软件的成本低且能模拟较为复杂的过程，所以它在很大的程度上可以代替一些费用较为昂贵的实验，对于流体力学的研究有很大的帮助及重要的影响。1.1.2CFD控制方程在运用CFD软件仿真时，计算流体力学应遵循以下大三基本控制方程：质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程。质量守恒方程质量守恒方程也称作连续性方程，表示单位时间内微元体中流体质量的增加等于同一时间间隔内流入该元体的净质量。其数学表达式如式(3-1)所示： ∂ρ∂t+式中，ρ表示流体的密度，单位为kg/m3；t表示时间，单位为s；u、v、w表示在x轴、y轴、z轴三个方向上的速度矢量分量。在锂离子电池热管理系统中，本文主要对空气和冷却液的流动进行研究，其可以当作不可压缩流体处理，其质量守恒方程可化简为： ∂u∂x+动量守恒方程动量守恒定律是牛顿第二定律在流体力学中的另一种表达方式，表示微元体中流体动量的增加率等于作用在微元体上各种力之和。x、y、z三个方向上的动量守恒方程分别如下所示： ∂ =ρFx ∂ =ρFy ∂ =ρFz式中，Fx、Fy、Fz表示作用在x、y、z三个方向上的质量力的分量，单位为N；p表示流体微元体所受到的压力，单位为Pa；τxx、τyx能量守恒方程能量守恒方程表示流体微团内能变化率等于流入微团的净热流量加上体积力和表面力对流体微团的做功的功率之和。其数学表达式如式(3-6)所示： ∂ =∂∂x式中，T为温度，单位为K；cp为比热容，单位为J/kg·K；k为流体导热系数，单位为W/m·K；ST为粘性耗散项。1.1.3CFD求解流程利用CFD技术模拟动力电池组冷却系统流体分析可分为三步:前处理器、求解计算、后处理器。其中，前处理主要的作用是先建立几何模型，然后对模型进行网格划分，再对流体或固体定义边界条件、初始条件等设定。在网格划分后对网格进行质量检测且输入准确的边界条件可以得到更准确的计算结果；求解器的主要作用是确定CFD方法的控制方程、选择离散方程进行离散、选择数值计算方法、输入流体的相关属性参数。根据不同的离散程度，CFD求解的方法可以分为有限单元法、有限差分法和有限体积法这三种，有限体积法又叫控制体积法是CFD软件目前常用的求解方法；后处理的作用是在CFD软件通过计算机的计算分析后，对计算得到的数据，如压力场、温度场等数据参数进行可视化处理，通过矢量图、标量图、网格图、曲线图、几何图等方式展现。计算流体力学的基本求解过程框图如图3-1所示。图1.1计算流体力学基本求解框图1.2锂离子单体电池仿真分析1.2.1Fluent软件简介在现如今的计算流体动力学领域最前沿的CFD软件包中，Fluent一直是商用CFD软件包的核心模块，并完全集成了CFD数值模拟技术的求解思想。它可以通过对应的计算方法和多重网格加速收敛技术，提高复杂流场域流体流动特性的收敛速率和求解精度。Fluent对于非结构化网格拥有极为强大适应性和灵活性，在针对不同的几何模型时，不仅可以通过软件自身所集成的前处理器Mesh进行边界条件的命名及建模并进行网格的自动化分，而且也支持所有的CAD软件文件进行双向关联。1.2.2几何模型的建立和网格划分(1)几何模型本文对18650型锂离子电池进行研究，它的名字就是根据它的尺寸大小定义，是ø18mm×65mm的单体电池，而0就是代表该电池是一个圆柱形电池。因为电池内部的结构极为复杂，且计算机的模拟计算水平有限，无法根据实际情况完全模拟出电池的工作情况，所以需要对电池进行简化建模。通过Spaceclaim建模软件建立18650型单体锂离子电池的简化模型。其模型如图3-2所示。图3-2单体锂离子电池模型(2)网格划分网格划分是分析中至关重要的一个环节，网格的好坏直接影响到整个分析结果的精确性，一般来说网格越多结果越准确，不过同时也会增加它的计算速度。对于前面建立好的三维模型保存成stp格式文件导入到WorkbenchMeshing中，Workbench不仅拥有着强大的网格划分能力，并且相较于其他网格软件如ICEM、GAMBIT等具有强大的几何处理能力。网格类型的选择有两种，可以分为结构化网格和非结构化网格，结构化网格又可称之为六面体或四边形网格，非结构化网格被称为四面体或三角形网格，图3-3为结构化和非结构化网格的存在形式。（a）结构化网格（b）非结构化网格图3-3网格划分结构化网格优点是网格生成的速度快、质量好、划分网格简单、计算精度高，适用于结构简单的几何模型。非结构化网格的优点是网格节点分布随意，具有灵活性，适用于较为复杂的几何模型，但它计算的时间久并且迭代次数多。本文采用的是圆柱形的单体锂离子电池，建模时对结构进行了简化，所以在对网格划分时使用结构化网格。单体电池网格模型如图3-4所示。图3-4单体电池网格模型1.3单体电池仿真结果与实验对比1.1.1不同放电倍率的单体电池仿真在完成单体电池的网格划分后，可以对模型设置边界条件并将第二章中计算得出的物性参数设置到软件中，设置电池的外部接触面为自然对流，环境温度为37℃。根据前面的电池产热机理和传热特性可以得知，电池是由不同的环境温度和电池的热特性两者同时的影响下产生温度的变化。所以不同的环境温度会导致电池温度的变化；电池的产热是由电池的不同放电倍率所影响，在相同的环境温度下，越大的放电倍率会加快电池的升温速度。所以本节就对电池处于相同环境温度的情况下对不同的放电倍率进行仿真，观察它的温度变化情况并对结果与实验进行对比。在环境温度为37℃，边界条件为自然对流换热，周围空气平均流速1.66m/s的情况下0.5C和2C这两种不同放电倍率的电池截面温度云图如图3-5所示。（a）0.5C（b）2C图3-5不同放电倍率下电池截面温度分布图图3-5展示了t=1200s时，电池在相同情况下不同放电倍率的温度分布图，从图中可以看出电池放电倍率为0.5C时最高温度为38.4℃，且电池内部的温差不大，随着时间的增加电池的温度也不会再有很大的变化；电池放电倍率为2C时最高温度达到了57.9℃，这已经大大的超出了锂离子电池的最佳工作温度区间，并且单体电池的温差也达到了0.5℃。由此可以得出，电池的放电倍率越大它的产热量也就越多，从而导致电池的温度更高。在2C的放电倍率时，电池的产热量变多，温度也快速的提升，所以要对电池进行有效的热管理防止其发生温度过高的问题。1.1.2实验对比和模型验证Xie等[25]对18650电池进行了不同环境温度、不同放电倍率条件下电池的温升实验，得到了圆柱电池外壁面母线中点的温度变化曲线。为了验证简化后的电池产热模型是否正确，选择了与之实验条件相同的仿真条件，即周围空气平均流速1.66m/s。当环境温度为37℃电池以2C倍率放电时，模型结果与实验数据对比如图3-6所示。由图可知，仿真结果相比于实验结果基本相同，数据误差控制在10%以内，证明该仿真模型的可靠性。仿真结果之所以与实验结果产生差异，除了实验测量的本身误差外，主要是因为仿真模型忽略了电池的正极极耳、端盖、外裹PVC材料、绝缘片等，这些结构的导热性能比中心发热区更好，能使得热量散发得更快，所以实际结果会小于仿真结果。另一方面，电池在升温的时候内阻会略有减小，即实际产热量会比简化的模型更小。图3-6模型结果与实验对比1.4小结本章首先介绍了计算流体力学仿真的相关理论，并阐述了CFD的控制方程和求解流程，并在Spaceclaim建模软件中建立了单体锂电池的简化模型，然后通过WorkbenchMeshing软件进行网格划分，最后通过仿真0.5C和2C两种不同放