STAR-CCM+:对比模组端板对电池温度的影响
来源:网络收集 点击: 时间:2024-02-13利用CATIA的零件设计和装配设计工作台建立仿真用的几何模型。
2/3对比两种端板结构,一种是轻量化的端板,一种是实心端板。
3/3测量端板质量,轻量化端板为0.308 kg,实心端板为0.467 kg。
导入模型1/6启动STAR-CCM+,新建simulation,选择Parallel on Local Host,Compute Processes设为2,点击OK,保存模型为EndP_Comparison.sim。
2/6点击Import Surface Mesh,导入module.stp。导入参数默认,勾选Open Geometry Scene After Import。
3/6调整视角Views +Z Up +X,并保存当前视角。
4/6再次点击Import Surface Mesh,导入hollowed-end.stp,导入参数默认,不勾选Open Geometry Scene After Import。点击Geometry Parts Thermal 2,左键拖拽至Geometry Scene 1窗口,选择Part Displayers Add to Geometry 1,窗口内显示轻量化端板模型。
5/6在特征树Parts栏下,依次右键Explode整理各Part模型,并将电池、模组、端板、导热垫、隔热垫、冷板分别重命名为Cell、Module、End、Pad、Insulation、Plate。
6/6基于Split by Patch分割Plate的下表面作为对流换热表面。
网格划分1/11点击Operations New Boolean Imprint,勾选除End外的所有Part,勾选Perform CAD Imprint,Tolerance设为1e-6,右键Execute。
2/11右键Descriptions Imprint,点击Repair Surface检查几何表面质量。点击Execute All,结果显示无穿刺,无自由边等影响网格划分的缺陷。
3/11同时选中Parts栏的Pad和Plate,右键选择Assign Parts to Regions,相关设置如图。
4/11选中Insulation,右键选择Assign Parts to Regions,相关设置如图。同理,将Module分配到Region。
5/11点击Operations New Mesh Automated Mesh,选择除End外的所有Part,Enabled Meshers选择Surface Remesher、Polyhedral Mesher和Thin Mesher。
6/11点击Automated Mesh Thin Mesher,勾选Customize Thickness Threshold属性。
7/11点击Automated Mesh Default Controls,Base Size设为10 mm,Thin Mesher Maximum Thickness Percentage of Base设为50,其他默认。
8/11右键Operations Automated Mesh,选择Execute。显示网格,点击菜单栏Mesh Diagnostics,选择所有Region,在Output显示网格质量良好。
9/11点击Operations New Boolean Imprint,Parts勾选End,Insulation和Plate,不勾选Perform CAD Imprint。Tolerance设为1e-6,Merge/Imprint Method选择Discrete Imprint Surfaces,右键Imprint选择Execute。
10/11选中Parts栏的End,右键选择Assign Parts to Regions,相关设置如图。
11/11在Operations栏,复制Automated Mesh,Parts选择End。右键Operations Copy of Automated Mesh,选择Execute。
物理模型1/4点击Continua New Physics Continuum,创建Physics 1模型。
2/4点击ContinuaPhysics 1 Models Multi-Part Solid Solids,右键选择Select Mixture Components,展开材料库,任意勾选四种材料,点击Apply。
3/4将四种材料依次命名为Pad,Al-Alloy,Insulation,Cell,并输入对应物性参数。其中,Cell的Thermal Conductivity,Method选择Anisotropic,即各向异性。
4/4点击ContinuaPhysics 1Initial ConditionsStatic Temperature,设为40 ℃。
边界条件1/4点击Regions End Physics Values Material Part Groups Al-Alloy,Parts选择L-End,R-End。同理,分别设置其他Region对应的材料。
2/4点击Module Physics Values Anisotropic Thermal Conductivity Cell Anisotropic Thermal Conductivity Principal Tensor,在XX Component输入19 W/m-K,YY Component输入6 W/m-K,ZZComponent输入10 W/m-K。
3/4点击Regions Module Physics Conditions Energy Source Option,选择Total Heat Source。在Physics Values Heat Source下输入电池总发热量为40 W。
4/4点击Regions Plate Boundaries conv Physics Conditions,设置Thermal Specification条件为Convection。随后将Physics ValuesAmbient Temperature设为20 ℃,Heat Transfer Coefficient设为600 W/m^2-K。
求解设置1/2点击Solvers Implicit Unsteady,Time-Step设为1 s。
2/2点击Stopping Criteria Maximum Physical Time,设为400 s,关掉Maximum Steps条件。
后处理显示1/9在高度方向上创建电池温度的监控截面。点击Derived Parts New Part Section Plane,Input Parts和Snap to Part都选择Module,Normal向量为,Origin向量Z值输入-0.047,勾选No Displayer,点击Create,将Plane Section重命名为Z1。
2/9复制Z1三次,分别命名为Z2、Z3、Z4,对应Origin向量Z值分别为-0.077、-0.107、-0.137。
3/9监控电池在四个高度截面上的平均温度。右键Reports选择New ReportSurface Average,重命名为AveTempZ1,Parts选择Derived Parts Z1,Field Function选择Temperature,Units选择℃。同理,分别创建AveTempZ2、AveTempZ3、AveTempZ4。
4/9监控电池在靠近极耳的Z1截面上的最高、最低温度。右键Reports选择New ReportMaximum,重命名为MaxTempZ1,Parts选择Derived Parts Z1,Field Function选择Temperature,Units选择℃。同理,选择New ReportMinimum,重命名为MinTempZ1,其他设置相同。
5/9监控Z1截面上的温差。右键Reports选择New ReportExpression,重命名为DiffTempZ1,Definition中定义${MaxTempZ1Report}-${MinTempZ1Report},计算温差。
6/9监控端板和隔热垫、冷板交界面上的导热量。右键Reports选择New ReportHeat Transfer,重命名为HeatTransfer_L-End-Ins,Parts选择Ins 0/L-End。同理,再创建HeatTransfer_R-End-Ins、HeatTransfer_L-End-Plate、HeatTransfer_R-End-Plate。
7/9监控电池和导热垫交界面上的导热量。创建HeatTransfer_Module-Pad,Parts选择Cell 1/Pad、Cell 2/Pad、Cell 3/Pad、Cell 4/Pad。
8/9同时选中AveTempZ1-Z4,右键Create Monitor and Plot from Report,选择Single Plot,将Plot重命名为AveTemp。同理,同时选中MaxTempZ1、MinTempZ1和DiffTempZ1,创建名为TempZ1的Plot。同时选中所有监控Heat Transfer的Report,创建名为Heat Transfer的Plot。
9/9创建Scalar Scene监控温度。勾选所有Part,Function设为Temperature,Contour Style选择Smooth Filled。在Color Bar栏,将Title Height设为0.04,Label Height设为0.035。
提交计算1/1Ctrl+S保存文件,初始化,开始计算。
结果1/5残差曲线。
2/5AveTemp曲线。400 s时刻,电池模组Z1-Z4切面的平均温度分别为40.16 ℃,39.22 ℃,36.14 ℃,30.19 ℃。
3/5TempZ1曲线。400 s时刻,Z1切面上的最高温度为40.22 ℃,最低温度为40.03 ℃,温差为0.19 ℃。表明400 s时冷板的对流换热影响尚未扩散至Z1切面,对Z1面的温度分布影响很小。
4/5HeatTransfer曲线。400 s时刻,因为模型的左右对称以及均匀对流边界的施加,L-End、R-End与隔热垫之间的导热量相同,为1.41 W;其与冷板之间的导热量也几乎相同,分别为4.43 W,4.48W;而模组与导热垫之间的导热量为129 W。这表明有隔热垫阻隔传热时,电池模组从端板处散掉的热量仅占其从导热垫导出热量的1%。
5/5温度场云图。铝合金端板散热很快,但由于电池与端板之间有隔热垫阻隔传热,端板对电池温度的影响并不明显,温度梯度主要在Z方向上。
对比1/8保存当前模型,然后另存为Hollowed-end.sim。点击Clear Solution,然后再另存为Solid-end.sim。
2/8在Parts栏和Regions栏右键删除End。重新导入solid-end.stp,参数默认,不勾选Open Geometry Scene After Import。同理,利用Explode整理Part,并命名为L-End,R-End。
3/8右键Execute在Operations栏的Imprint 2,将End分配到Region,再运行Copy of Automated Mesh。
4/8点击Regions End,设置材料属性。更新Reports栏监测Heat Transfer的对应Part,保存并提交计算。
5/8AveTemp曲线。
400 s时刻,对比实心端板和轻量化端板,电池模组Z1-Z4切面的平均温度分别为:40.16 ℃/40.16 ℃,39.23 ℃/39.22 ℃,36.16 ℃/36.14 ℃,30.22 ℃/30.19 ℃。差别非常小。
6/8TempZ1曲线。
400 s时刻,对比实心端板和轻量化端板,Z1切面上的最高温度为40.22 ℃/40.22 ℃,最低温度为40.05 ℃/40.03 ℃,温差为0.17 ℃/0.19 ℃。差别非常小。
7/8HeatTransfer曲线。
400 s时刻,对比实心端板和轻量化端板,L-End、R-End与隔热垫之间的导热量为1.40 W/1.41 W;其与冷板之间的导热量为5.45W/4.43 W,5.52W/4.48W;而模组与导热垫之间的导热量为129.1W/129 W。差别非常小。
8/8温度场云图。对比结果表明,当端板和电池之间有隔热效果良好的隔热垫时,仿真模型中可以将端板上的所有孔和槽删除,直接简化为实心结构,以便于构建整包级的更复杂的仿真模型。但本案例结论只适用于无侧板的模组结构,带侧板的模组结构由于侧板会将电池的热量传导至端板,然后再由端板传导至冷板,此时端板结构的不同可能会对散热造成一定的影响。
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