FLUENT电池组放电过程模拟

 本案例演示1P3S锂离子电池组放电问题的模拟过程。案例模型如下图所示。



案例中，电池组的放电过程发生在200瓦的恒定功率下，电池容量是14.6Ah。

1、启动FLUENT并导入网格
（1）在Windows系统下执行“开始”→“所有程序”→ANSYS 18.1→Fluid Dynamics→FLUENT 18.1命令，启动FLUENT 18.1。
（2）在FLUENT Launcher界面中的Dimension中选择3D，在Display Options中勾选Display Mesh After Reading，Embed Graphics Windows和Workbench Color Scheme，单击OK按钮进入FLUENT主界面。



（3）在FLUENT主界面中，单击主菜单中File→Read→Mesh按钮，弹出Select File（导入网格）对话框，选择文件名为1P3S_battery_pack.msh的网格文件，单击OK按钮便可导入网格。
（4）导入网格后，在图形显示区将显示几何模型。



（5）单击主菜单中Mesh→Check按钮，检查网格质量，确保不存在负体积。
（6）单击主菜单中Mesh→Scale按钮，弹出如图5所示Scale Mesh（网格缩放）对话框。在Scaling中，选择Special Scaling Factors，在Scaling Factors X，Y和Z中分别输入0.1，单击Scale完成网格缩放。



（7）单击主菜单中File→Write→Case按钮，弹出Select File（保存项目）对话框，在Case File中填入battery，单击OK按钮便可保存项目。

2、调入MSMD电池模型
（1）在文本信息区，依次输入以下指令
> define
/define> models
/define/models> addon-module
Fluent Addon Modules:
0. None
1. MHD Model
2. Fiber Model
3. Fuel Cell and Electrolysis Model
4. SOFC Model with Unresolved Electrolyte
5. Population Balance Model
6. Adjoint Solver
7. Single-Potential Battery Model
8. Dual-Potential MSMD Battery Model
9. PEM Fuel Cell Model
10. Macroscopic Particle Model
Enter Module Number: [0] 8

（2）输入8，选择导入MSMD电池模型。一旦MSMD电池模型被加载，MSMD电池模型将出现在模型树中。



3、定义求解器
（1）单击主菜单中Define→General按钮，弹出General（总体模型设定）面板。在Solver中，Time类型选择Transient。



（2）在模型设定面板双击Energy按钮，弹出Energy（能量模型）对话框，勾选Energy Equation激活能量方程，单击OK按钮确认。
（3）在模型设定面板双击MSMD Battery Model按钮，弹出MSMD Battery Model（MSMD电池模型）对话框，勾选Enable the battery model激活MSMD电池模型。
在Nominal Cell Capacity中输入14.6，在Solution Options中选择Specified System Power，在System Power中输入200。



（4）在Conductive Zones选项卡中，按照下图进行选择。



（5）在Electric Contacts选项卡中，按照下图进行选择。



（6）在Electric Contacts选项卡中，点击Print Battery System Connection Information按钮，将在文本信息框中显示如下信息。确认后，点击OK按钮关闭MSMD电池模型对话框。



4、设置材料
（1）单击主菜单中Define→Materials按钮，弹出Materials（材料）面板。在材料面板中，点击Create/Edit按钮便可弹出Create/Edit Materials（物性参数设定）对话框。



（2）在物性参数设定对话框中，按照以下参数设定新物质e_material。
a．Material Type选择solid
b．Name中输入e_material，Chemical Formula中输入e
c．Thermal Conductivity中输入20
f．UDS Diffusivity选择define-per-uds，在弹出的UDS Diffusivity Coefficients对话框中，设定uds-0和uds-1的Coefficient均为1.0e6。





（3）点击Change/Create按钮完成新物质的设定。
（4）在物性参数设定对话框中，按照以下参数设定新物质busbar_material。
a．Material Type选择solid
b．Name中输入busbar_material，Chemical Formula中输入bus
c．UDS Diffusivity选择user-defined，在弹出的User-Defined Functions对话框中，选择battery_e_cond::msmdbatt，点击OK按钮确认。



点击Change/Create按钮，在弹出的Question对话框中，单击No按钮创建新物质。



5、设置计算域
（1）单击主菜单中Define→Cell Zone Conditions按钮启动Cell Zone Condition（区域条件）面板。
对应e_zone、tab_pzone和tab_nzone在Material Name中选择相应的e_material、p_material和n_material。



（2）设定bar_1、bar_2、n_tabzone_1、n_tabzone_2、n_tabzone_3、p_tabzone_1、p_tabzone_2和p_tabzone_3在Material Name中选择相应的busbar_material。



6、边界条件
（1）单击主菜单中Define→Boundary Conditions按钮启动的边界条件面板。
（2）在边界条件面板中，双击wall-cell_1弹出边界条件设置对话框。
在Thermal选项卡中，Thermal Conditions选择Convention，在Heat Transfer Coefficient中输入5，单击OK按钮确认退出。





（3）在边界条件面板中，单击Copy按钮弹出Copy Conditions（边界条件复制）对话框。
在From Boundary Zone中选择wall-cell_1，在To Boundary Zone中选择wall-cell_2、wall-cell_3、wall-bar1、wall-bar2、wall-n_tabzone_1、wall-n_tabzone_2、wall-n_tabzone_3、wall-p_tabzone_1、wall-p_tabzone_2和wall-p_tabzone_3，单击Copy按钮完成复制。



7、求解控制
（1）单击主菜单中Solve→Methods按钮，弹出Solution Methods（求解方法设置）面板。
（2）单击Equations按钮，弹出Equations（方程）对话框，取消选择Flow，单击OK按钮确认。



（3）单击主菜单中Solve→Monitors按钮，弹出Monitors（监视）面板，双击Residuals-Print, Plot便弹出Residual Monitors（残差监视）对话框，在Convergence Criterion中选择none。



（4）在Surface Monitors下单击Create按钮弹出Surface Monitor（表面监视）对话框。
勾选Plot，在Report Type 中选择Area-Weighted Average，在Field Variable中选择User Defined Scalars和Potential Phi+，在Surface中选择tab_p，单击OK按钮确认。



（5）在Volume Monitors下单击Create按钮弹出Volume Monitor（体积监视）对话框。
勾选Plot，在Report Type 中选择max，在Field Variable中选择Temperature和Static Temperature，在Cell Zones中选择全部，单击OK按钮确认。



8、初始条件
单击主菜单中Solve→Initialization按钮，弹出Solution Initialization（初始化设置）面板。
Initialization Methods中选择Standard Initialization，单击Initialize按钮进行初始化。



9、计算求解
单击主菜单中Solve→Run Calculation按钮，弹出Run Calculation（运行计算）面板。
在Time Step Size中输入30，No. of Time Steps中输入50，单击Calculate开始计算。



10、结果后处理
（1）在Graphics下双击Contous弹出Contous（等值线）对话框。
Contous of选择User Defined Memory和Volumetric Ohmic Source，在Surface Types中选择wall，单击Display按钮，显示云图。