基于BDS和HEEDS的电芯快速充电设计优化

1、基于BDS和HEEDS的电芯快速充电设计优化技术支持工程师Realize innovation.Unestricted Siemens AG 2017Wide Length Scale Solution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 LMS Amesim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电芯设计 Battery Design Studio (BDS)

2、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模组和电池包散热设计 STAR-CCM+ Battery Simulation Module (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快速充

3、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%以上的电量快速充电 技术方面的注意事项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0C避免高倍率充电(倍率0.75 C)快速充电分析N. Legrand et al. / J. Power Sources 245 (2014) 208-216通过容量损失来鉴定锂沉积的发生SAFT VL41M cell (41

4、 Ah at 4.0 V)Fig. 3 锂金属沉积发生的原理图.纽曼 DUAL 模型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检测负极隔膜界面上的固相/液相的电压，当小于等于0 V时，锂金属将发生沉积c1jn初始方案设计: NCA/Graphite 18650Cell Properties Value Voltage, V 3.71 Capacity, Ahr 2.80 Energy, Whr 10.391 Energy Density Whr/kg 223 Whr/liter 615Weight, g 46.597 Volume, cm 16.901 Active

5、Area, m 0.093 Electrolyte Mass, g 4.120 Separator Area, m 0.108 Heat Capacity25C, J/g-K 0.613 ComputedElectrode Properties PositiveValue NegativeValue Average Voltage, V 3.81 0.104 Stoichiometry at formation 0.2840.953Unit Capacity, mAh/cm 3.024 3.477 Thickness(w/collector), 116.0133.3Coating Porosi

6、ty, % 20.0 20.0 Coated Length*, cm 163.2167.3Coating Thickness*, 50.061.7Coating Weight, g 16.881 10.529 Total Length, cm 82.488.2Loading, mg/cm 36.3 21.3Heat-transfer area, cm 34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HTC = 25 W/m2-K环境温度对恒流/恒压充电的影响（6A/4.2V-0% S

7、OC起始）电池工作电压(V)负极/隔膜电压(V)温度可以接受温度过高HTC = 25 W/m2-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5C，3 C充电，电芯温度升高到50 C以上SOC ,%HTC = 25 W/m2-K环境温度5C，2 C充电，要求充电20分钟时电量充到60%以上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, 25 C ）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.注意:

8、负极反应电阻通过更改设计来改善电芯充电率的方法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.Battery Design Studio 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

9、验结果。目标: 充电20分钟时，充入电量最大对流换热系数25 W/m2-K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电压电流VoltsAmps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？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

10、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QQ11Q12Q21QijQnmQ+TabQ-Tab电化学求解器和流场温度场求解器耦合计算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% SOC4 度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Battery Module Sp

11、ecificationsCellModule Cell AssemblyNominal VoltageNominal CapacityEnergyDimensionsCoolingElectrical InsultationPouch Cell NMC/LMO-Graphite14S2P50V30Ahr1.5kWhrWidth and Length are variablesHeight: 25 cmLiquid - Ethylene Glycol C2H6O2Multi-purpose Silicon Sponge Rubber BSM 完整工作流程SHARECHARACTERISEBUIL

12、D MODULECell DesignModelsShare cell data3D cellTBM file3D moduleMESHAutomatedCOMPUTEElectro/Thermal simulationANALYSEDedicated Post-ProcBDSSTAR-CCM+ BSM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 测试电池模组优化设计电池模组优化设计600秒驾驶循环结束时电池模组的温度场分布电池模组优化设计电池模组优化设计电池模组优化设计模组重量22 kg 包括导热板，冷却管路，衬垫和外壳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 15 000 PaInfeasible DesignsFeasible Designs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%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