Simcenter STAR-CCM+ 中的电池建模

电池建模是模拟负载循环期间电池的电气和热响应的过程。在 Simcenter STAR-CCM+ Batteries 中，此过程严格遵照由电池电芯的层叠或螺旋缠绕式圆柱装配定义的电池物理结构。

Simcenter STAR-CCM+ Batteries 提供对使用 3D 电池电芯或 0D 电池电芯的电池进行模拟的选项。下表概述的比较内容可以帮助您在认真考虑已有信息和所需输出后决定哪种方法最适合。

0D 电池电芯 3D 电池电芯
  • 可以完整地在 Simcenter STAR-CCM+ Batteries 中设置和运行电池模拟。
  • 计算成本较低。
  • 生成较低保真度结果。
  • RCR 模型和热失控放热模型的设置是手动的，但完全由用户控制。
  • 在 Simcenter STAR-CCM+ Batteries 中定义自定义设置的灵活性较高。
  • 对用户定义的几何进行操作。
  • 对具有大量部件的电池进行建模较为易于管理。
  • 内存要求较低。
  • 需要来自 Simcenter Battery Design Studio 的 .tbm 输出文件。
  • 计算成本较高。
  • 生成较高保真度结果。
  • RCR 模型的设置是自动的。
  • 在 Simcenter STAR-CCM+ Batteries 中定义自定义设置的灵活性较低。
  • 需要 Simcenter Battery Design Studio 模板化电芯几何部件。
  • 对具有大量部件的电池进行建模较为麻烦。
  • 内存要求较高。

在 Simcenter STAR-CCM+ Batteries 中激活电池模型后，可以设置电池电芯（螺旋式或圆柱式）、电池模块和电气负载。

电池模型

除了电芯设计之外，Simcenter STAR-CCM+ Batteries 还将融入 Simcenter Battery Design Studio的电池模型和数值算法。即，大多数 Simcenter Battery Design Studio 模型已成为 Simcenter STAR-CCM+ Batteries 的一部分，可与 Simcenter STAR-CCM+ Batteries 特有的更详细热模型一起使用。

电池电芯

电池建模过程从定义电池电芯开始，可以是：
  • 使用 RCR 表数据或热失控放热模型在 Simcenter STAR-CCM+ 中配置 0D 电芯。
  • 3D 电芯作为 .tbm 文件导入 Simcenter STAR-CCM+ Batteries，该文件在 Simcenter Battery Design Studio 这一用于电池设计和模拟的单独软件中进行汇编。（请参见 Simcenter Battery Design Studio）。
此初始选择决定了电池建模过程中所需的后续步骤。


0D 模型
可用于在 Simcenter STAR-CCM+ 中配置电池电芯的两个不同的模型是 RCR 表模型和热失控放热模型。
RCR 表模型
RCR 表模型要求以表的格式提供每个给定温度的适当数据。可以为充电和放电提供不同的数据值。对于每个给定的温度，还可以提供最大充电电流和最大放电电流特定值的数据表。
热失控放热模型

热失控放热模型预测热失控过程中电池电芯固体部件释放的热量。此模型需要输入实验数据，即电池电芯的热速率（以 [ W ] 为单位）作为电池电芯温度的函数。在 Simcenter STAR-CCM+ 中，这些数据以表的形式导入。

3D 模型
对于 3D 模型，电池电芯导入为在 Simcenter Battery Design Studio 中装配的 .tbm 文件。
层叠电芯
对于 3D 层叠电芯，该模型仅包括叠片和极耳。在 Simcenter STAR-CCM+ 中，电芯中所有正电极的极耳集合均称为电池电芯的正极耳。同样地，所有负电极的负极耳集合均称为电池电芯的负极耳。以下屏幕截图显示了 Simcenter STAR-CCM+ 中的单个电池电芯的示例。

圆柱螺旋电芯
对于 3D 圆柱螺旋电芯，该模型包括由正负电极组成的卷芯。卷芯绕在圆柱芯棒上。此外，还会导入正负极极耳、将所有极耳接合在一起的垫片、将垫片连接至实际接线柱的帽（内部接线柱）以及封装电池电芯的外壳和端板。以下屏幕截图显示了 Simcenter STAR-CCM+ 中的单个电池电芯的示例。要显示内部部件，可以隐藏外壳。

电芯模型
电芯模型定义 3D 电池电芯上的结构化电气网格，并用于在 Simcenter STAR-CCM+ 中运行电池建模过程的电气求解器部分。对于 0D 电芯，整个电芯体积建模为单个电芯模型。没有内部电气网格。对于每个电芯模型，电气求解器采用一维电池模型计算电压作为时间、电流和温度的函数。
电芯模型对由一对或多对正负电极组成的实际电芯进行建模。每个电芯模型均由正极板、电芯单元和负极板组成，它们分别表示实际电芯的正电极、隔膜和负电极。电芯模型表示在内部完成，不能在 Simcenter STAR-CCM+ 中查看。
最初，层叠电芯在 x、y 和 z 方向的电芯模型数以及螺旋电芯在 x 和 y 方向的电芯模型数在电池电芯属性或导入的 Simcenter Battery Design Studio 文件中指定。对于螺旋电池电芯，电芯模型的尺寸不相等，将根据电池电芯和极耳的布局自动调整指定的数量。对于 .tbm 文件，调整后的数量将导入 Simcenter STAR-CCM+ 并且无法修改。对于层叠电芯，电芯模型的体积相等，其数量可在 Simcenter STAR-CCM+ 中更改。
对于层叠电芯，可使用 Simcenter STAR-CCM+ 的部分建模策略确定离散化模型的简化程度，以减少计算开销。例如，在下图中，带有一对正负电极的实际电芯在 Simcenter STAR-CCM+ 中表示为 x-y 平面中的电芯模型。在此例中，z 方向上没有任何热生成空间变化。

对于包含多对正负电极的实际电芯，可以再次将 Simcenter STAR-CCM+ 表示建模为 z 方向上的一个电芯模型，这意味着仅在 x-y 平面上发生热生成空间变化。

或者，可以在 Simcenter STAR-CCM+ 中将此实际电芯建模为 z 方向上的两个、三个或四个电芯。使用此建模策略会导致 x、y 和 z 方向的热生成发生空间变化。

电池叠片中的热求解与电芯模型离散化无关。相反，它使用自己的用户自定义非结构化网格分辨率。可以使用电气网格与热网格之间的内部映射完成电气求解与热求解之间的通信。

几何

按照 3D 电池电芯方法，先创建几何和连接器部件，而在按照 0D 电池电芯选项时，先导入几何和连接器部件，然后为电池对象创建区域。提供了电池网格生成器来对电池对象进行网格化，但也可以在 Simcenter STAR-CCM+ 中使用标准网格化操作。还可以创建自动包围电池的体，它可以用来定义围绕电池的流体连续体。

电池模块

在 Simcenter STAR-CCM+ 中，可将电池电芯组以电气方式串联或并联在一起，形成电池模块。一个模拟可包含多个电池模块。

一组以串联方式连接的电芯称为串联电芯 (string)，而一组以并联方式连接的电芯称为并联电芯 (unit)。

串联优先
在串联优先拓扑（默认）中，多串电芯以并联方式相连。每串中连接的电池电芯数为串联数，而每个模块内并联的串数为并联数。以下示例说明了串联数 = 3 且并联数 = 2 的模组的串联优先布局。


并联优先
在并联优先拓扑中，多个并联电芯以串联方式相连。每个单元中连接的电池电芯数为并联数，而每个模块内串联的单元数为串联数。以下示例说明了串联数 = 3 且并联数 = 2 的模块的并联优先布局。


模块中的电池电芯总数是串联数和并联数的乘积。每个模组的电路求解器根据指定的串联数和并联数值以及选择的模组拓扑建立电气连接。

连接器

Simcenter STAR-CCM+ 中不会明确显示电池电芯之间的电气连接。但在使用 Tab Voltage(极耳电压) 场函数完成电气时间步求解后，可以观察这些连接。模块中的每个电池电芯均具有正负极极耳。Tab Voltage(极耳电压) 函数将显示在模块中所显示的每个极耳处计算得出的电路电压。

可以在电池模块的电池电芯之间添加物理连接器。添加物理极耳和端子连接的主要目的在于更精确地对热求解建模。添加的物理连接器必须与电路求解器自动建立的电气连接一致。在一串电池电芯中，极耳连接器将一个电池电芯的正极或负极极耳接合到相邻电池电芯的辅助极耳。这串电池电芯任一端的开放极耳称为端子，可以使用端子连接对这些连接进行物理建模。极耳和端子连接可按如下所示设置。



对于螺旋电池电芯，电池模块如下所示，其中显示了串联电池电芯的两个并联单元。



在上述示例中，为使一个电芯的正极耳与其近邻的负极耳对齐，已旋转替代电芯。

求解器

Simcenter STAR-CCM+ Batteries 使用电气求解器和流体/热求解器的组合。电气求解器计算电池电芯的电气行为，而流体/热求解器则计算电芯及其周围环境内的热传递。

电气求解器
Simcenter STAR-CCM+ Batteries 电气求解器计算每个电池电芯的电压和热生成以及化学求解（如果适用）。
它计算：
  • 对于 3D Simcenter STAR-CCM+ Batteries，电芯模型网格上包含在 Simcenter STAR-CCM+ Batteries 或已导入 Simcenter Battery Design Studio 文件中指定的电池电芯单元模型类型和参数的电压和热生成。可用电芯单元模型为 NTG、RCR 和 DISTNP。无论在 Simcenter Battery Design Studio 中选择模型的 1D、2D 还是 3D 表示，Simcenter STAR-CCM+ Batteries 都使用等效的 3D 表示。请参见电气网格。
  • 对于 0D Simcenter STAR-CCM+ Batteries，整个网格单元体积建模为单个电芯模型。没有内部电气网格。
热求解器
Simcenter STAR-CCM+ Batteries 热求解器计算电池电芯叠片以及整个热模型和冷却系统的其余部分中的温度场。
热求解器采用电气求解器计算得出的内部热生成值，并输出每个热网格单元的局部温度。然后，这些值将映射到电芯模型并用作电气求解器的输入。
热求解器使用由用户自定义的迭代参数控制的固定时间步。
电路求解器
电路求解器用于将电池模块连接到 .prg 文件中的电气负载。
请参见程序文件参考或电路求解器。

电路

请参见电路。

要在 Simcenter STAR-CCM+ Batteries 中模拟电池，按照电池常规工作流程执行操作。