CFD dinsdag Kennis: Natuurlijke batterij convectie - Femto Engineering - Femto Engineering

CFD dinsdag Kennis: Natuurlijke batterij convectie

In dit artikel gebruiken we een vereenvoudigd model om de natuurlijke warmteconvectie van een batterij in een gesloten ruimte te modelleren. De informatie die in dit artikel wordt gebruikt, is gebaseerd op het paper "3D CFD modeling and experimental testing of thermal behavior of a Li-Ion battery by E. Gümüsşu, Ö. Ekici en M. Köksal, Applied Thermal Engineering 120 (2017) 484-495".

Geometrie

Figuur 1: Geometrie

In dit artikel wordt een Panasonic NCR18650B batterij vereenvoudigd tot een cilinder met een diameter van 17,4mm. Rond deze cilinder is een schelp gemaakt met een dikte van 0.4mm, waardoor de batterij een totale diameter heeft van 18.2mm. De hoogte van de batterij is 65mm.

De batterij wordt geplaatst in het midden van een domein met een afmeting van [LxBxH] = [1m, 1m, 1m].  De wanden van het domein krijgen de adiabatische randvoorwaarde.

Mesh

De batterij en het omhulsel worden gemodelleerd als een vaste stof, terwijl het omringende domein wordt gemodelleerd als een gas. Met behulp van de polyhedrale mesh in Simcenter STAR CCM+ 2021.1 wordt een conform net tussen de vaste stof- en gasdomeinen gegenereerd. Een dunne mesher met vier dunne lagen wordt gebruikt voor de schil, om het aantal cellen in het domein te beperken. Op de schaal worden prismalagen toegevoegd om de thermische grenslaag en de warmteoverdracht naar het domein correct op te lossen. Interfaces tussen de batterij, de schaal en het domein zorgen ervoor dat convectie tussen de drie delen kan plaatsvinden.

 

Figure 2: Mesh in the domain, shell and battery

Figuur 2: Mesh in het domein, schaal en batterij

Fysica

In deze simulatie worden drie fysische continua gegenereerd. Eén voor de lucht, één voor de batterij en één voor de schaal. De lucht wordt gemodelleerd als een laminair ideaal gas. Omdat er sprake is van warmteoverdracht, wordt de energievergelijking toegevoegd aan de regerende vergelijkingen, die worden opgelost met behulp van het gescheiden vloeistofmodel. Om de juiste warmteverdeling over het domein te modelleren wordt ook het zwaartekrachtmodel gebruikt. De batterij en de schaal worden beide gemodelleerd als vaste stoffen met het gescheiden vaste-energiemodel.

Op basis van de informatie uit het bovengenoemde artikel (Gümüsşu, Ekici, & Köksal , 2017) zijn voor elk van de drie onderdelen materiaalinstellingen geïmplementeerd zoals weergegeven in de onderstaande tabel. De warmtegeleiding van de batterij wordt ontleed in de radiale component (3 W/m-K) en de tangentiële en axiale componenten (28,05 W/m-K). De parameters voor het omhulsel zijn een gemiddelde van de eigenschappen voor aluminium en PVC, zoals in het artikel is gebruikt.

Tabel 1: materiaalparameters (Gümüsşu, Ekici, & Köksal , 2017)

Het model wordt geïnitialiseerd met een temperatuur van 25˚C.

Warmtebron

Voor de batterij wordt een totale warmtebron gebruikt, waarbij de warmteproductie wordt berekend met behulp van de volgende vergelijking:

In deze vergelijking is I de laad/ontlaadstroom in Ampère, OCV de open-circuit spanning, V de spanning van de batterij, T_b de temperatuur van de batterij en \frac{dOCV}{dT} is een entropische term in V/K.

Voor de warmteproductie van de batterij zijn de testgegevens van (Gümüsşu, Ekici, & Köksal , 2017) gebruikt. In de onderstaande drie tabellen worden de testgegevens voor OCV, V en \frac{dOCV}{dT} weergegeven als functie van de ontlaadsnelheid van de batterij. Het effect van de temperatuur van de batterij is verwaarloosd voor de OCV en \frac{dOCV}{dT} parameters in deze simulatie, wat betekent dat de ontlaadsnelheid alleen een functie is van de tijd.

De stroomsterkte van de accu is 3,25 A, die afhankelijk van de ontlaadsnelheid wordt geschaald om de parameter voor I te krijgen. De term voor de accutemperatuur in de vergelijking wordt rechtstreeks uit de accutemperatuur in de simulatie geïmplementeerd.

Figuur 3: Input voor de vergelijking van de warmteopwekking(Gümüsşu, Ekici, & Köksal , 2017)

juni 8, 2021
Hoe kunnen wij u helpen?

Heeft u vragen of interesse in één van onze diensten? Neem dan vrijblijvend contact met ons op. Wij helpen u graag.

over ons

Bij Femto Engineering helpen we bedrijven hun innovatieve ambities te bereiken met specialistische engineering consultancy, software en R&D.
Wij zijn Siemens DISW Smart Expert Partner voor Simcenter Femap, Simcenter 3D, Simcenter STAR-CCM+ en SDC Verifier. Neem contact met ons op en laat FEM en CFD voor u werken.

Privacy policy

×

Loop voorop in FEA & CFD

Schrijf je nu in voor onze nieuwsbrief en ontvang maandelijks FEA kennis, nieuws en tips gratis in je inbox.