幾何模型的建立及網(wǎng)格劃分

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，將電池內(nèi)核簡(jiǎn)化為材料均勻發(fā)熱均勻但是導(dǎo)熱各向異性的長(zhǎng)方體，整個(gè)鋰離子動(dòng)力電池仿真模型分為正負(fù)極柱、電池內(nèi)核、塑料外殼四個(gè)部分，忽略結(jié)構(gòu)之間的間隙。在SolidWo rks中按照IFP66/182/29_5型電池真實(shí)尺寸進(jìn)行建模，為了盡可能保證仿真結(jié)果的精確性，保留了單體電池的圓角和一些小的特征，建模后倒入ansys-workbenchl 4.5平臺(tái)中的fluid flow Cfluent)模塊，進(jìn)行仿真分析。

模型倒入workbenchl4.5后，首先在design modeler模塊中進(jìn)行邊界命名和幾何檢查，之后將模型倒入meshing進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用proximity and curvature劃分函數(shù)，全四面體網(wǎng)格，對(duì)細(xì)小特征和極耳處進(jìn)行了局部加密，最終網(wǎng)格數(shù)121萬(wàn)，網(wǎng)格如圖2.12所示。

對(duì)復(fù)雜幾何模型而言，網(wǎng)格劃分過(guò)于粗糙時(shí)，網(wǎng)格質(zhì)量難以保證，會(huì)出現(xiàn)大量扭曲嚴(yán)重的網(wǎng)格而導(dǎo)致計(jì)算失真。因此，有必要在網(wǎng)格劃分之前對(duì)幾何模型進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化，并對(duì)劃分好的網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行檢查以保證網(wǎng)格精度。網(wǎng)格質(zhì)量檢查的指標(biāo)包括:扭曲比、細(xì)長(zhǎng)比、單元翹曲量、單元弦差、雅克比、單元坍塌量等，特別是對(duì)于本文采用的CFD軟件Fluent而言，體扭曲比Skewness必須不能超過(guò)0.9_5，最好不能超過(guò)0.90。除了官方給出的檢查項(xiàng)外，研究者仍需手動(dòng)檢查網(wǎng)格是否貼體，如果網(wǎng)格并沒(méi)有和幾何模型很好的貼合，即使檢查項(xiàng)的各個(gè)指標(biāo)在優(yōu)秀范圍內(nèi)，這套網(wǎng)格也是不可接受的。有經(jīng)驗(yàn)的前處理人員常常會(huì)對(duì)流場(chǎng)、溫度場(chǎng)等結(jié)果進(jìn)行預(yù)判，提前在其變化梯度比較大的地方提前進(jìn)行網(wǎng)格加密，以保證計(jì)算流體軟件能夠在這個(gè)位置將此變量的特征更好的捕捉。

通過(guò)以上網(wǎng)格劃分和質(zhì)量檢查方法，可以保證幾何模型的網(wǎng)格質(zhì)量并有合理的加密，進(jìn)而確保計(jì)算的收斂性和仿真精度。

仿真條件設(shè)定

本節(jié)對(duì)電池溫度場(chǎng)研究主要是電池單體內(nèi)部產(chǎn)熱加上電池與空氣進(jìn)行自然對(duì)流的生熱、散熱過(guò)程，仿真計(jì)算開(kāi)啟層流模型和能量模型。對(duì)能量方程的差分選用二階迎風(fēng)格式。能量方程的收斂標(biāo)準(zhǔn)為殘差值小于10-7，其他方程收斂標(biāo)準(zhǔn)為殘差值小于10-4。

鋰動(dòng)力電池只有在很低的溫度下內(nèi)阻才會(huì)變的比較大，鋰動(dòng)力電池單體仿真時(shí)研究的溫度范圍在常溫附近，此時(shí)電池內(nèi)阻發(fā)生的變化很小，可在研究中將其近似視為固定值。根據(jù) 2.4.2節(jié)中的試驗(yàn)獲得鋰動(dòng)力電池放電的電池生熱總功率:

Φ=7.1×10-4I2

鋰離子電池發(fā)熱體分為正負(fù)極柱和電池內(nèi)核，正負(fù)極柱為歐姆內(nèi)阻發(fā)熱，電池內(nèi)核發(fā)熱功率為總功率減去正負(fù)極的發(fā)熱功率，其中正極極柱內(nèi)阻為0.054mΩ，負(fù)極極柱內(nèi)阻為0.027mΩ。則電池內(nèi)核發(fā)熱功率為:

Φ=6.29×10-04I2 

選擇常規(guī)的壓力基求解器，速度和壓力禍合算法為SIMPLE算法，梯度算法選擇格林一高斯基于節(jié)點(diǎn)的算法，其他均選擇二階迎風(fēng)格式。因?yàn)橐c實(shí)驗(yàn)比較，瞬態(tài)計(jì)算的邊界條件設(shè)置均與實(shí)驗(yàn)時(shí)的工況相同，環(huán)境溫度為30℃，時(shí)間步長(zhǎng)為10S，每時(shí)間步迭代步數(shù)等均為默認(rèn)，輻射和對(duì)流換熱系數(shù)分別設(shè)為0.25和4.7W/(m2·K)。

鋰離子動(dòng)力電池單體熱模型驗(yàn)證

采用本文建立的鋰離子動(dòng)力電池單體熱模型，對(duì)電池分別進(jìn)行67A,  133A和200A恒流放電60 min的工況進(jìn)行模擬計(jì)算，圖2.13是第60 min電池單體的溫度云圖。仿真的溫度監(jiān)控位置和實(shí)驗(yàn)相同，圖2.14是60min內(nèi)仿真監(jiān)控點(diǎn)溫度變換曲線及其與實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比。

本文選擇的是電池測(cè)點(diǎn)3的值進(jìn)行仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)比。從圖2.14可知，通過(guò)CFD軟件建立的單體電池?zé)岱抡婺Ｐ偷玫降臏囟葴y(cè)點(diǎn)與實(shí)驗(yàn)值非常接近，具體值相差一直不超過(guò)0.7 ℃，驗(yàn)證了仿真模型的可靠性。通過(guò)確認(rèn)單體電池仿真模型的可靠性，可以為后續(xù)的電池成組及其熱管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證提供仿真基礎(chǔ)。