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文档简介
电芯设计工具BuildphysicsbasedmodelsofelectrodepairsandcouplethemtothecellsphysicalconstructionUsetheprovideddatabaseofmaterialstoconstructvirtualcellsandtesttheirperformance系统级仿真InterfaceModule&
Packanalyseswith
complexpowertrain
systemmodelsEmbedphysics
basedorempirical
modelsintopower
trainsystemsmodels微观结构电化学VirtuallytestSEMproducedelectrodegeometryConductdesignstudiesonnewconcepts
Providespreviouslyunseenspatialeffectswithinelectrodes“Design”nextgenerationelectrodes电池模组/电池包仿真Flow,thermal&ElectrochemistryanalysisofcomplexpowersystemsStudydetailedspatialeffectsatcell,module&packlevelSiemens
锂电池解决方案PouchBattery预测电芯涂层的电化学性能固相/液相中的电势电解液中的盐浓度活性材料中的锂离子浓度微观结构电化学BindersActiveMaterial3PhasesProblemUseSTAR-CCM+CADtooltoimprovebinder’snetworkrealismVARTA18650LiCO2电池,
通过FIB-SEM技术进行几何重构.2100万网格,包括活性材料,辅助导体,电解液和隔膜等.“Primaryuseisthedesignofnextgenerationbatteryelectrodes”案例*PresentedatSolidStateElectrochemistryWorkshop2013heldatHeidelberg**Hutzenlaubetal.2012Three-Dimensionalmodeldevelopmentforlithiumintercalationelectrodes,J.PowerSources185(2)Three-dimensionalelectrochemicalLi-ionbatterymodellingfeaturingafocusedion-beamscanningelectronmicroscopybasedthree-phasereconstructionofaLiCoO2cathode,Hutzenlaubet.al.ElectrochimicaActa-2014专业的电芯设计软件,准确计算电芯的电化学性能包含专业的材料数据库基于模板建模
求解算法包含电化学物理模型和等效模型日历寿命预测Runa1yearagingsimulationCompare“Initial”with“aged”
cellperformance电芯设计PouchCylindricalPrismaticOr+卷心电池DefaultHighPowerNCA/Graphite18650cell,1.04Ahr,IncreasedEnergyNCA/Graphite18650cell,1.28Ahr(23%up)示例电芯求解算法
Page6(1)J.NewmanandW.Tiedemann,J.Electrochem.Soc.Vol.140,No.7,July1993pp.1961-1968.(2)H.Gu,J.Electrochem.Soc.,Vol.130No.71983pp.1459-1464.(3)U.S.Kim,Ch.B.Shin,C.-S.Kim,J.PowerSrc.189(2009)841-846(1)T.Fuller,M.Doyle,J.Newman,J.Electrochem.Soc.141(1994)1-10(2)BatteryDesignLLC,“BDSDocumentation”M.VerbruggeandR.Conell,J.Electrochem.Soc.149(2002)A45-A53CellDesignDISTRIBUTEDHEV/PHEVModule/PackRCREVModule/PackNTGSolvestransport,kinetics,equationsQuickresponseforfrequentcharge/dischargelikeHEV/PHEVenergystorageSimple,easytocreatemodel,andbestforsimpledischargingthermalanalysis输入参数DIST电化学物理模型正负极极片:几何尺寸,涂层厚度配方比例活性材料:密度、比表面、摩尔量、比容量、首充首放容量损失、粒径、固相扩散系数、均衡电压曲线、导热率、比热辅助导体:密度、导电率、比表面、导热率、比热粘结剂:密度、摩尔量、导热率、比热集流体及极耳:尺寸、密度、厚度、电导率、导热率、比热
隔膜:尺寸、厚度、孔率、密度、透析率、导热率、比热
电解液:溶液:配方锂盐:摩尔量导电率、液相扩散系数、迁移数、活性、密度、导热率、比热
外壳:尺寸
软包叠片型:叠片数、极耳位置、正负极及隔膜相对位置圆柱/方形卷心型:卷轴尺寸、卷心尺寸或卷心展开长度、正负极和隔膜相对位置、极耳位置
正负极涂层:导电率、曲率、自放电电流、导热率粒子动力学参数、SEI参数输入参数RCR等效电路模型极片尺寸、外壳尺寸、集流体极耳尺寸不同温度下的HPPC测试数据
NTG等效多项式模型极片尺寸、外壳尺寸、集流体极耳尺寸不同温度下,不同倍率下充电或者放电的电压-容量曲线输出结果基本性能:理论容量、能量、能量密度、体积、重量、反应面积输出结果任意工况的性能曲线:如:电流曲线,电压曲线,容量曲线,能量曲线,发热功率曲线
正负极接触电阻压降、电化学反应极化压降、浓差极化压降、电解液欧姆压降、极化压降
集流体和极耳欧姆压降
温升曲线输出结果电池截面上的电势、离子浓度、电流密度等在反应过程中的分布变化图输出结果其他图形:如三维分布图,二维云图,卷心绕制截面图等验证实例Figureshowsthepredictionofcellvoltageusingadetailedelectrochemicalmodel,overacompletedrivecycle.Thelowergraphcomparessimulation(redline)withexperimental(greenpoints)result.Theuppergraphistheinstantaneouserrorbetweenthetwolines.Averagepredictionerroroverthe30minutedrivecycleis8mVThankstoDaveHowell,DoEfortheirco-fundingoftheCD-adapcoCAEBATprojectandNRELfortheirprojectinvolvement电芯计算传统方法与BSM耦合方法比较
4C放电100%SOC到0%SOC–自然对流BSM耦合方法
热源真实分布传统方法
热源平均分布电芯计算传统方法与BSM耦合方法比较
4C放电100%SOC到0%SOC–自然对流4度8度电池模组建模流程BatteryDesignStudioTBMfileBatterySimulationModuleLi-ionCellPerformancemodel电化学流体耦合仿真STAR-CCM+BSM导入BDS电芯模型简便的生成电池模组几何和电路连接整个设置流程高度定制化17电化学性能计算流体温度场分析热源分布温度分布每个迭代步ElectricalSolutionThermalSolutionSTAR-CCM+BatterySimulationModule实例18courtesyofASCS,StuttgartandBehrSimplifiedbatterymoduleunderstandardizedtestingconditions(VDAcycle)Temperatureplotsduringthefirst1500secondst=0st=640st=1000st=1500s实例ComparisonofmeasuredandsimulatedresultsTemperature
plots
for
two
cells
of
the
stackAveraged
cell
voltageHeat
transported
by
coolant实例实例2JohnsonControlsInc.VL6P电芯(6Ahr)STAR-CCM+中进行电化学流体耦合分析BDS中进行电芯建模液冷电池包US06工况TheauthorswouldliketoacknowledgeJCI’scontributiontothetestingworkwithintheCAEBATprojectandalsotheirapproachtothiscollaborativeproject,specificallyBrianSiskandKemObasihTheauthorswouldalsoliketoacknowledgetheDepartmentofEnergy’sco-fundingofthisproject,specificallyDaveHowell&BrianCunninghamaswellasNREL’sEnergyStorageteam,specificallyAhmadPesaran&KandlerSmithCellVoltageCellTemperature-TopRed=AnalysisGreen=Test实例2JohnsonControlsInc.VL6P电芯(6Ahr)STAR-CCM+中进行电化学流体耦合分析BDS中进行电芯建模液冷电池包US06工况TheauthorswouldliketoacknowledgeJCI’scontributiontothetestingworkwithintheCAEBATprojectandalsotheirapproachtothiscollaborativeproject,specificallyBrianSiskandKemObasihTheauthorswouldalsoliketoacknowledgetheDepartmentofEnergy’sco-fundingofthisproject,specificallyDaveHowell&BrianCunninghamaswellasNREL’sEnergyStorageteam,specificallyAhmadPesaran&KandlerSmithCellVoltageCellTemperature-TopRed=AnalysisGreen=TestSamsungSDI
STAR-CCM+improvesbatterypackcooling“Anefficientthermalmanagementsystemisrequiredtomaintainbatterytemperatureinanarrowrangeforelectricvehicles”DesignednovelliquidcoolantbasedthermalsystemPredictedsensitivityofthermalperformancetocontactresistanceReducedthermalvariationinsidebatterpack优化设计通过优化冷却系统改进电池温度一致性优化变量:管路直径支路数冷却流率
优化目标:电池温度一致性<=2oC最小管路压降BaseCaseImprovedDesign系统计算和一维软件联合分析MatlabSimulink&AMESim示例–AMESim电动车系统分析模型等效电路模型NEDC驾驶循环InputsOutputs示例改进了系统计算精度FullPackCADRepresentation温度滥用分析OnlineSourceCADrepresentationofcellCADrepresentation:cellinternalsCADrepresentation:Jellyrolls12CircuitlayoutDefectivecellMaximumJellyRollTemperatureSimulationofabusetoleranceoflithium-ionbatterypacksRobertM.Spotnitzetal,JournalofPowerSources163(2007)1080–1086Athree-dimensionalthermalabusemodelforlithium-ioncellsGi-HeonKimetal.,JournalofPowerSources170(2007)476–489Boeing–LMSConference2014Nissan–StarGlobalConference2012FMC–StarGlobalConference2012GMEurope–StarGlobalConference2012HitachiMaxell–JapaneseCon
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