西门子PLM锂电池解决方案及优化案例PPT推荐.pptx
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西门子PLM锂电池解决方案及优化案例PPT推荐.pptx
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基于BDS和HEEDS的电芯快速充电设计优化Realizeinnovation.UnestrictedSiemensAG2017Andthisisperfectlyappropriateasstudyinganddesigningbatteriesisamulti-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UnrestrictedSiemensAG2017Page06.06.2017SiemensPLMSoftwareThegeometricaldetailsandallcomponentsofthecellcanbepreciselydefinedCouplingthegeometrytoadvanceperformancemodels(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UnrestrictedSiemensAG2017Page06.06.2017SiemensPLMSoftware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UnrestrictedSiemensAG2017Page06.06.2017SiemensPLMSoftware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UnrestrictedSiemensAG2017Page06.06.2017SiemensPLMSoftware快速充电技术方面的注意事项UnrestrictedSiemensAG2017Page06.06.2017SiemensPLMSoftware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.UnrestrictedSiemensAG2017Page06.06.2017SiemensPLMSoftware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jnUnrestrictedSiemensAG2017Page06.06.2017SiemensPLMSoftware初始方案设计:
@#@NCA/Graphite18650ComputedComputedElectrodeElectrodePropertiesPropertiesPositivePositiveValueValueNegativeNegativeValueValueAverageVoltage,V3.810.104Stoichiometryatformation0.2840.953UnitCapacity,mAh/cm3.0243.477Thickness(w/collector),116.0133.3CoatingPorosity,%20.020.0CoatedLength*,cm163.2167.3CoatingThickness*,50.061.7CoatingWeight,g16.88110.529TotalLength,cm82.488.2Loading,mg/cm36.321.3CellCellPropertiesPropertiesValueValueVoltage,V3.71Capacity,Ahr2.80Energy,Whr10.391EnergyDensityWhr/kg223Whr/liter615Weight,g46.597Volume,cm16.901ActiveArea,m0.093ElectrolyteMass,g4.120SeparatorArea,m0.108HeatCapacity25C,J/g-HKeat-transferarea,cm0.61334UnrestrictedSiemensAG2017Page06.06.2017SiemensPLMSoftware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UnrestrictedSiemensAG2017Page06.06.2017SiemensPLMSoftware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UnrestrictedSiemensAG2017Page06.06.2017SiemensPLMSoftware温度过高UnrestrictedSiemensAG2017Page06.06.2017SiemensPLMSoftwareHTCWm-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-KUnrestrictedSiemensAG2017Page06.06.2017SiemensPLMSoftware环境温度C,2C充电,要求充电20分钟时电量充到60%以上UnrestrictedSPageiemensAG201706.06.2017SiemensPLMSoftware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.UnrestrictedSiemensAG2017Page06.06.2017SiemensPLMSoftware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UnrestrictedSiemensAG2017Page06.06.2017SiemensPLMSoftware1)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2)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3)减小
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