幾何模型的建立及網(wǎng)格劃分

為了簡化計算，將電池內(nèi)核簡化為材料均勻發(fā)熱均勻但是導熱各向異性的長方體，整個鋰離子動力電池仿真模型分為正負極柱、電池內(nèi)核、塑料外殼四個部分，忽略結(jié)構(gòu)之間的間隙。在SolidWo rks中按照IFP66/182/29_5型電池真實尺寸進行建模，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平臺中的fluid flow Cfluent)模塊，進行仿真分析。

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

對復雜幾何模型而言，網(wǎng)格劃分過于粗糙時，網(wǎng)格質(zhì)量難以保證，會出現(xiàn)大量扭曲嚴重的網(wǎng)格而導致計算失真。因此，有必要在網(wǎng)格劃分之前對幾何模型進行合理的簡化，并對劃分好的網(wǎng)格質(zhì)量進行檢查以保證網(wǎng)格精度。網(wǎng)格質(zhì)量檢查的指標包括:扭曲比、細長比、單元翹曲量、單元弦差、雅克比、單元坍塌量等，特別是對于本文采用的CFD軟件Fluent而言，體扭曲比Skewness必須不能超過0.9_5，最好不能超過0.90。除了官方給出的檢查項外，研究者仍需手動檢查網(wǎng)格是否貼體，如果網(wǎng)格并沒有和幾何模型很好的貼合，即使檢查項的各個指標在優(yōu)秀范圍內(nèi)，這套網(wǎng)格也是不可接受的。有經(jīng)驗的前處理人員常常會對流場、溫度場等結(jié)果進行預判，提前在其變化梯度比較大的地方提前進行網(wǎng)格加密，以保證計算流體軟件能夠在這個位置將此變量的特征更好的捕捉。

通過以上網(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，進而確保計算的收斂性和仿真精度。

仿真條件設定

本節(jié)對電池溫度場研究主要是電池單體內(nèi)部產(chǎn)熱加上電池與空氣進行自然對流的生熱、散熱過程，仿真計算開啟層流模型和能量模型。對能量方程的差分選用二階迎風格式。能量方程的收斂標準為殘差值小于10-7，其他方程收斂標準為殘差值小于10-4。

鋰動力電池只有在很低的溫度下內(nèi)阻才會變的比較大，鋰動力電池單體仿真時研究的溫度范圍在常溫附近，此時電池內(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)中的試驗獲得鋰動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)熱體分為正負極柱和電池內(nèi)核，正負極柱為歐姆內(nèi)阻發(fā)熱，電池內(nèi)核發(fā)熱功率為總功率減去正負極的發(fā)熱功率，其中正極極柱內(nèi)阻為0.054mΩ，負極極柱內(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)點的算法，其他均選擇二階迎風格式。因為要與實驗比較，瞬態(tài)計算的邊界條件設置均與實驗時的工況相同，環(huán)境溫度為30℃，時間步長為10S，每時間步迭代步數(shù)等均為默認，輻射和對流換熱系數(shù)分別設為0.25和4.7W/(m2·K)。

鋰離子動力電池單體熱模型驗證

采用本文建立的鋰離子動力電池單體熱模型，對電池分別進行67A,  133A和200A恒流放電60 min的工況進行模擬計算，圖2.13是第60 min電池單體的溫度云圖。仿真的溫度監(jiān)控位置和實驗相同，圖2.14是60min內(nèi)仿真監(jiān)控點溫度變換曲線及其與實驗值的對比。

本文選擇的是電池測點3的值進行仿真與實驗對比。從圖2.14可知，通過CFD軟件建立的單體電池熱仿真模型得到的溫度測點與實驗值非常接近，具體值相差一直不超過0.7 ℃，驗證了仿真模型的可靠性。通過確認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)的設計和驗證提供仿真基礎。