西门子PLM锂电池解决方案及优化案例.pptx

西门子PLM锂电池解决方案及优化案例.pptx

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,基于BDS和HEEDS的电芯快速充电设计优化,Realizeinnovation.,UnestrictedSiemensAG2017,Andthisisperfectlyappropriateasstudyinganddesigningbatteriesisamulti-scaleproblem.Oursoftwareportfoliostartswithourmicro-structureelectrochemistrytool,embeddedinourflagshipmulti-physicssoftwareSTAR-CCM+.Theengineercanherestudyin3Dtheeffectoftheelectrodemorphologyontheelectrochemicalperformance.Thistoolisaddressedtomaterialmanufacturersandcelldesigners.Thenmovingtothecelllevel,inBatteryDesignStudio.Thissoftwarehastheuniquecapabilityonthemarkettoallowthecelldesignertobuildadigitaltwinofthecellbyconfiguringwithhighfidelityeachcomponentofthecelldesign.Thisdesigncanthenbecoupledtoaperformancemodeltotestvirtuallythecellinvariousconditions,likedrivecycles,pulsesetcTostudypacksandmodules,letsmovetothenextlevelwithinSTAR-CCM+BatterySimulationModulewhichisanadd-ontoSTAR-CCM+tobuildandanalysethecomplexityofapackanditsthermalmanagementsystem.Whetherthisisactiveorpassivecooling,BSMhelpunderstandingthehighlycoupledbehaviourofthepackselectricalperformanceandthesurroundingenvironment.Finallytostudyafullsystem,co-simulationbetweenLMSAMESIMandBSMispossibletobringtoBSMevenmorerealisminthedrivingcyclesappliedtothepack.,西门子电池模拟解决方案,微观结构电化学通过SEM生成电极几何模型,新的电池设计理念,WideLengthScaleSolution电芯设计及虚拟,测试通过详细的几何设定和电化学模型参数定义，对电芯进行精确性能模型和设计,全系统设计LMSAmesim将模组或电池包的3维分析连接到复杂的动力总成系统模型中,电池包设计通过流场、温度场和电化学的耦合分析，实现对电芯、模组及电池包级别的详细分析,UnrestrictedSiemensAG2017,Page,06.06.2017,SiemensPLMSoftware,ThegeometricaldetailsandallcomponentsofthecellcanbepreciselydefinedCouplingthegeometrytoadvanceperformancemodels（Physics-basedorEquivalentcircuitmodels）providestheabilitytosimulatethecellperformanceundervariousconditionspulsesordutycycles.BDSalsocomeswithanAgingmodelstostudytheeffectofcalendarandcycleagingbyresolvingthemechanismofSEIgrowthThermalabusetestcanalsobesimulated,suchasOventestorARCtest.Themodelcanthenbeconfiguredtopredictthepointatwhichthecellentersinthermalrunaway.,电芯设计BatteryDesignStudio（BDS）,电芯设计及设计探索电芯特性描述物理模型和等效电路模型可以分析:

充放电循环工况寿命温度滥用,电芯设计及虚拟测试通过详细的几何设定和电化学模型参数定义，对电芯进行精确性能模型和设计,UnrestrictedSiemensAG2017,Page,06.06.2017,SiemensPLMSoftware,模组和电池包散热设计STAR-CCM+BatterySimulationModule（BSM）,电-热仿真：

将电芯的电化学响应和模组及电池包的温度耦合起来求解计算电芯的3维发热功率分布，以此来精确预测模组及电池包的温度分布,在真实的驾驶循环下，对模组及电池包复杂冷却系统的选型，例如液冷还是气冷的冷却方案,电池包设计通过流场、温度场和电化学的耦合分析，实现对电芯、模组及电池包级别的详细分析,发热分布,温度分布,UnrestrictedSiemensAG2017,Page,06.06.2017,SiemensPLMSoftware,快速充电对电动车的必要性,绝大多数司机认为快速充电对电动车来说是十分重要的快速充电的定义一般认为是20分钟内充入50%以上的电量,UnrestrictedSiemensAG2017,Page,06.06.2017,SiemensPLMSoftware,快速充电技术方面的注意事项,UnrestrictedSiemensAG2017,Page,06.06.2017,SiemensPLMSoftware,直流充电是唯一可行的方法，因为对快速充电来说交直流整流器很昂贵，并且需要散热措施电池温度应处于最大温度以下，例如45C，以此保证电芯的存储寿命避免锂金属沉积，防止存储寿命的损失锂离子电池的通用性的建议充电时避免电池温度低于C避免高倍率充电倍率C,快速充电分析,N.Legrandetal./J.PowerSources245（2014）208-216,通过容量损失来鉴定锂沉积的发生,SAFTVL41Mcell（41Ahat4.0V）,Fig.3锂金属沉积发生的原理图.,UnrestrictedSiemensAG2017,Page,06.06.2017,SiemensPLMSoftware,纽曼DUAL模型,检测负极隔膜界面上的固相液相的电压，当小于等于V时，锂金属将发生沉积,c1锂金属易于先在负极集流体表面沉积，因为这里的电流密度易于高过其他部位,jn,UnrestrictedSiemensAG2017,Page,06.06.2017,SiemensPLMSoftware,初始方案设计:

NCA/Graphite18650,UnrestrictedSiemensAG2017,Page,06.06.2017,SiemensPLMSoftware,电池工作电压（V）,负极/隔膜电压（V）,当-10C，在恒压充电阶段发生锂沉积,UnrestrictedSiemensAG2017,Page,06.06.2017,SiemensPLMSoftware,环境温度对恒流/恒压充电的影响（3A/4.2V-0%SOC起始）,没有锂金属沉积,HTCWm-K,环境温度对恒流/恒压充电的影响（6A/4.2V-0%SOC起始）,电池工作电压（V）,负极/隔膜电压（V）,温度可以接受,UnrestrictedSiemensAG2017,Page,06.06.2017,SiemensPLMSoftware,温度过高,UnrestrictedSiemensAG2017,Page,06.06.2017,SiemensPLMSoftware,HTCWm-K,环境温度对恒流/恒压充电的影响（9A/4.2V-0%SOC起始）,没有锂金属沉积,电池工作电压（V）,负极/隔膜电压（V）,环境温度C，C充电，电芯温度升高到C以上,SOC,%,HTCWm-K,UnrestrictedSiemensAG2017,Page,06.06.2017,SiemensPLMSoftware,环境温度C，2C充电，要求充电20分钟时电量充到60%以上,UnrestrictedSPage,iemensAG201706.06.2017Si,emensPLMSoftware,电化学发热,正极反应压降电解液扩散压降负极反应压降电解液欧姆压降,什么导致了电池发热?

（6A,25C）,当负极的SEI电阻达到一个临界值时，锂金属可能发生沉积电芯寿命受锂金属沉积的影响,不考虑由于扩散压力导致的反应裂化.,UnrestrictedSiemensAG2017,Page,06.06.2017,SiemensPLMSoftware,注意:

负极反应电阻,通过更改设计来改善电芯充电率的方法,UnrestrictedSiemensAG2017,Page,06.06.2017,SiemensPLMSoftware,减小正负极反应压降增加活性材料表面积增加了容量的衰减率加入化学添加剂减小膜电阻努力研发减小电解液的扩散压降和欧姆压降减小电极和隔膜的曲率/增加孔隙率减小了能量密度通过减小电极涂布厚度来增加电极表面积减小了能量密度减小集流体和极耳的欧姆发热增加集流体和极耳厚度减小了能量密度,优化方案,HEEDSMDO使设计优化的流程自动化.通过HEEDS中的革命性的优化算法，你可以发现新的设计理念来改进产品，并显著降低研发成本.,BatteryDesignStudio是一款专业的锂电池电芯设计工具，你可以用它来设计电芯方案，分析电芯性能，比较仿真和实验结果。

UnrestrictedSiemensAG2017,Page,06.06.2017,SiemensPLMSoftware,目标:

充电20分钟时，充入电量最大,对流换热系数25W/m2-K,UnrestrictedSiemensAG2017,Page,06.06.2017,SiemensPLMSoftware,最优设计方案计算结果-20分钟时充入74%电量,处于锂金属沉积的临界点充电倍率受电芯温度限制,UnrestrictedSiemensAG2017,Page,06.06.2017,SiemensPLMSoftware,电压,电流,Volts,Amps,温度,负极/隔膜电压,TC,校正电池包的工作温度是最基本的要求，因为它会影响:

电池包性能（功率和容量）充电接收（制动能量回收阶段）寿命周期安全性车辆操作和维护成本.CAE特别是可以用于设计合适的冷却系统，以此保证:

电芯和模组的温度一致性保证电池包温度在安全范围内分析冷却系统效率电池包的轻量化最主要的输入条件是电芯及电池包产生了多少热量？

UnrestrictedSiemensAG2017,Page,06.06.2017,SiemensPLMSoftware,锂电池包的CAE仿真,两种仿真方法比较,设定电芯或电池包的发热功率是均一分布的,发热功率值一般为常数/方程/表格发热功率一般不受温度影响,Q,Q12,UnrestrictedSiemensAG2017,Page,06.06.2017,SiemensPLMSoftware,Q11Q21,Qij,Qnm,Q+Tab,Q-Tab,集流体上的电流分布遵循泊松方程电芯的电压、SOC、发热功率在空间上是非均一分布的,温度对电芯性能产生影响，包括对发热功率的影响,STAR-CCM+BSM方法电化学求解器和流场温度场求解器耦合计算,传统方法,单电芯基于传统和BSM方法的计算比较4C放电100%SOC到0%SOC,4度,UnrestrictedSiemensAG2017,Page,06.06.2017,SiemensPLMSoftware,8度,电池模组优化设计,电池模组热管理分析在BDS中预先定义软包电池参数建立电池模组，包括:

完整电芯包括极耳外壳绝缘衬垫电流导流件冷却系统分析驾驶循环下的电池包响应,BatteryModuleSpecifications,Cell,ModuleCellAssembly,NominalVoltage,NominalCapacity,Energy,Dimensions,Cooling,PouchCellNMC/LMO-Graphite,14S2P,50V,30Ahr,1.5kWhr,WidthandLengtharevariablesHeight:

25cm,Liquid-EthyleneGlycolC2H6O2,ElectricalInsultationMulti-purposeSiliconSpongeRubber,UnrestrictedSiemensAG2017,Page,06.06.2017,SiemensPLMSoftware,BSM完整工作流程,CHARACTERISECellDesignModels,SHARESharecelldata,TBMfile,BUILDMODULE3Dcell3Dmodule,MESHAutomated,COMPUTEElectro/Thermalsimulation,ANALYSEDedicatedPost-Proc,BDS,STAR-CCM+BSM,UnrestrictedSiemensAG2017,Page,06.06.2017,SiemensPLMSoftware,电池模组优化设计,电芯响应特性定义:

电芯几何及尺寸参数提取（X光照射或解剖）这些几何参数需要输入到BDS中对于比较大型的电池包的CFD仿真，推荐对电芯的性能响应计算采用等效模型等效模型易于建立，只需要简单的脉冲功率特性测试数据,HPPC测试,UnrestrictedSiemensAG2017,Page,06.06.2017,SiemensPLMSoftware,电池模组优化设计,UnrestrictedSiemensAG2017,Page,06.06.2017,SiemensPLMSoftware,电池模组优化设计,600秒驾驶循环结束时电池模组的温度场分布,UnrestrictedSiemensAG2017,Page,06.06.2017,SiemensPLMSoftware,电池模组优化设计,UnrestrictedSiemensAG2017,Page,06.06.2017,SiemensPLMSoftware,电池模组优化设计,UnrestrictedSiemensAG2017,Page,06.06.2017,SiemensPLMSoftware,电池模组优化设计,模组重量22kg包括导热板，冷却管路，衬垫和外壳,UnrestrictedSiemensAG2017,Page,06.06.2017,SiemensPLMSoftware,电池模组优化设计,优化变量:

冷却系统几何形状优化目标:

单目标:

模组重量最低显著条件:

温度一致性=3oC管路压降15000Pa,UnrestrictedSiemensAG2017,Page,06.06.2017,SiemensPLMSoftware,Whatsneededisdesignexplorationwithsimulationscript（notethereare2versionsforthefirstandlastparagraph）V1ForaprospectusingsimulationSo,letmestartbyaskingaquestion.Youdontneedtoanswerrightnow,butitllgetusthinking.Howdoyoutypicallyfindyourselfusingsimulationinyourorganization?

Mostofthetimeisitsomethinglikethis:

oneortwo（ormaybeahandful）ofcasestovalidateanexistingdesign,ortotroubleshootadesignflaw?

Ifso,thereisnothingwrongwiththis.Infact,itaddstremendousvalue.Moreover,formanyyearsthiswasprobablythebestyoucouldachievewithCAE.Buttodayyoucandosomuchmorebyusingsimulationtoexplorethedesignspace.V2ForaprospectnewtoCFDWehaveworkedwithanumberofcompaniessimilartoyoursandwhatwearefindingisthatcompaniestodayarestillmostlyusingsimulationtotroubleshootdesignflawsortovalidateexistingdesignswiththepurposeofreducingprototypetesting.Thereisofcoursenothingwrongwiththat.Infact,itaddstremendousvalue.Buttodayyoucandosomuchmorebyusingsimulationtoexplorethedesignspace.BuildLetmeshowyouwhatImean.Imtalkingaboutrunning100sofsimulationsatoncetofindthebestcompromiseoftrade-offsinthedesign.Inthiscase,wearelookingatchangesinthebatterypackgeometryfeaturestominimizetheweightwhileensuringthetemperaturedistributionisasuniformaspossible.Andlookatthebreadthofdesignparameterswearechanging:

heatconductionfins,compressionpadsthickness,thetabsconnectorlength,thegeometryoftheliquidcoolingchannels,andwearechangingthecoolantflowrateaswell.BuildAfter100designs,thedesignexplorationdeliversasignificantlyimproveddesignwithaweightreductionof35%andatemperatureuniformityimprovedby30%whichiscriticalforthepacklifeexpectancy.Thisisdesignexploration.V1ForaprospectusingsimulationAndagain,Idliketoyouthinkaboutthisquestion:

Ifyoucoulddothiswitheveryoneofyourcomponentdesigns,wouldthathelpyounotonlybemoreproductive,butalsohelpyouandyourteamachievethevisionyouvelaidout?

V2ForaprospectnewtoCFDWebelievethatifyoucoulddothiswitheveryoneofyourcomponentdesigns,thiswouldnotonlyhelpyougaininsightbutitwouldalsoallowyouandyourteamtoachievethevisionyouhavelaidout.Okay,good.Letmeshowyouanexampleofwhatourcustomershavebeenabletoachievewhentheymakedesignexplorationanintegralpartoftheirengineeringprocess.NextSlide,FeasibleDesigns,UnrestrictedSiemensAG2017,Page,06.06.2017,SiemensPLMSoftware,电池模组设计优化计算,电池模组设计优化计算-优化结果,初始设计方案,最优设计方案,重量降低35%温度一致性提高了30%,UnrestrictedSiemensAG2017,Page,06.06.2017,SiemensPLMSoftware,总结,电热模型耦合分析可以考虑以下因素的影响电流分布高温过热锂金属沉积通过HEEDS的设计优化，可以得到快速充电能力最优的电芯设计方案STAR-CCM+BSM可以实现对电池的电化学性能和电池温度之间复杂的耦合影响关系进行分析在要求冷却系统轻量化的时候，为了保证电池的温度一致性，电池包的冷却设计优化十分关键,UnrestrictedSiemensAG2017,Pag