利用Ansys Workbench電動車電池設計介紹

2017-02-04 by:CAE仿真在線來源:互聯網

由于具有能量密度高、高電壓、低自放電速率和較好的穩定性,鋰離子電池是混合電動車和純電動車的最佳能源來源選項。混合電動車和純電動車應用需要很大的鋰離子電池,但是在大功率運行的過程中,電池會經歷較大的溫升,從而導致安全性問題。合理的熱管理系統設計對于防止大電池包里的過熱及非均勻加熱是非常關鍵的。這些問題會導致電池功能退化,電池容量的不匹配和熱失控。熱管理系統的設計要求了解冷卻系統的知識和電池包內電池產生的熱量。

仿真可以在電池層級(單電池)和系統層級(電池模塊或完整的電池包)幫助熱設計。

電池單元電流密度分布電池單元溫度分布

在電池層級,主要關注電池內詳細的熱生成及溫度分布-這些信息主要由生產廠家和研究人員使用。實驗數據顯示在充放電過程中,熱生成速率隨時間變化很大。熱產生于內部焦耳熱損失,局部電極過電壓,電池反應熵,混合和副反應。如果只考慮焦耳熱和局部電極過電壓的作用,生成熱可以用開路電壓和正負電極間的電壓差來表述。通過使用模型,可以將鋰離子電池電極上的電壓和電流密度分布表述為放電時間的函數,結果可用來計算鋰離子電池內的溫度分布。在ANSYS CFD軟件里利用這些溫度分布來檢查電極布置的影響-電極的尺寸比和電流收集極耳的布置,以及放電速率對電池熱性能的影響。

盡管這一模型可以提供關于溫度及電流密度分布的詳細信息,但是需要實驗測試數據作為輸入。如果不重新進行測試,這一模型無法預測設計更改對電池熱性能產生的影響。不管怎樣,基于物理的電化學模型可以用來研究電池設計參數對電池性能的影響。電化學模型包含幾何參數、材料特性和溫度。基于物理的模型也可以提供通過實驗測試獲取的數據作為輸入條件。最著名的基于物理的模型最先由加州大學伯克利分校的John Newman教授提出。這一模型目前已經嵌入到ANSYS的Simplorer軟件里,可以用于確定電池設計中多個重要因素的影響。

在放電過程中,充放電循環可以與濃度圖繪制在一起。通過這些信息,可以優化電解液的初始組成。當這一研究完成時,結果表明更高的電解液初始濃度會導致隔膜里更低的導電率,復合陰極里更高的導電率。通過繪制不同溫度條件的下的濃度圖,電池設計者可以確定合適的溫度工作范圍以避免系統達到極限電流。除此之外,電池運行時間是溫度的強函數,工作溫度越高,運行時間越長。這可以通過基于物理的電化學模型來驗證,但是帶來的另外一個問題是:更高的溫度會帶來安全性問題,縮短電池壽命,進而成為電池設計中的另外一個優化問題。

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從事于電池模塊和電池包層級的設計工程師有不同的要求。最典型的就是這些工程師不可能像從事于單電池層級的工程師那樣進行詳細的仿真工作,他們有其他仿真目標。使用CFD軟件進行電池熱管理的工程師關心如何維持期望的工作溫度區間,降低壓降和維持溫度均勻性。流體動力學已廣泛應用于預測多個行業內的流動換熱問題,也適用于電池熱管理。通過在ANSYS Workbench平臺上使用ANSYS CFD軟件,可以在同樣的環境中完成完整的電池熱流體動力學分析,包括優化。

盡管流體動力學模擬可以給出關于電池熱管理系統的詳細熱信息,但是在不同循環工況下進行多個瞬態分析是非常耗時的。模型降階技術可用來從CFD結果中提取模型,提取的模型稱之為Foster網絡模型,可以提供與完整的CFD模型相同的結果-但是相比于CFD計算,運行更快。模型降階技術使用CFD結果作為輸入,在Simplore軟件里自動完成。這一過程開啟了電池熱控制系統分析的仿真之門。

對于電氣工程師,最主要的考慮是電池的電性能而不是熱性能。因此需要一個準確地,同時使用又方便的熱模型(耦合電池電路模型)。可以通過VHDL-AMS完成(IEEE標準硬件仿真語言,Simplore 支持)。

為混合電動車和純電動車設計電池涉及到多個難點,關注于不同方向的設計師要求不同。使用ANSYS 軟件的優勢是它提供從單電池層級的電化學模型到系統級的熱管理分析模型。

Reference

Hu, X.; Lin, S.; Stanton, S.; Lian, W.A Novel ThermalModel for HEV/EV Battery Modeling Based on CFD Calculation, Proceedings ofIEEE Energy Conversion Congress and Expo, Atlanta, U.S.A., September 12–16,2010.

Hu, X.; Lin, S.; Stanton, S.; Lian, W.A State Space Thermal Model for HEV/ EV Battery Modeling.SAE,2011, 01-1364.

Fuller, T.F.;Doyle, M.; Newman, J. Simulation and Optimization of the Dual Lithium IonInsertion Cell.Journal of Electrochem. Soc.,1994, vol. 141, pp. 1–110.

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