利用Ansys Workbench電動車電池設(shè)計介紹

2017-02-04 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

由于具有能量密度高、高電壓、低自放電速率和較好的穩(wěn)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?；旌想妱榆嚭图冸妱榆噾?yīng)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(jīng)歷較大的溫升,從而導(dǎo)致安全性問題。合理的熱管理系統(tǒng)設(shè)計對于防止大電池包里的過熱及非均勻加熱是非常關(guān)鍵的。這些問題會導(dǎo)致電池功能退化,電池容量的不匹配和熱失控。熱管理系統(tǒng)的設(shè)計要求了解冷卻系統(tǒng)的知識和電池包內(nèi)電池產(chǎn)生的熱量。

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

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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(guān)注電池內(nèi)詳細(xì)的熱生成及溫度分布-這些信息主要由生產(chǎn)廠家和研究人員使用。實驗數(shù)據(jù)顯示在充放電過程中,熱生成速率隨時間變化很大。熱產(chǎn)生于內(nèi)部焦耳熱損失,局部電極過電壓,電池反應(yīng)熵,混合和副反應(yīng)。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(fù)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(shù),結(jié)果可用來計算鋰離子電池內(nèi)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?zé)嵝阅艿挠绊憽?

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盡管這一模型可以提供關(guān)于溫度及電流密度分布的詳細(xì)信息,但是需要實驗測試數(shù)據(jù)作為輸入。如果不重新進(jìn)行測試,這一模型無法預(yù)測設(shè)計更改對電池?zé)嵝阅墚a(chǎn)生的影響。不管怎樣,基于物理的電化學(xué)模型可以用來研究電池設(shè)計參數(shù)對電池性能的影響。電化學(xué)模型包含幾何參數(shù)、材料特性和溫度?；谖锢淼哪Ｐ鸵部梢蕴峁┩ㄟ^實驗測試獲取的數(shù)據(jù)作為輸入條件。最著名的基于物理的模型最先由加州大學(xué)伯克利分校的John Newman教授提出。這一模型目前已經(jīng)嵌入到ANSYS的Simplorer軟件里,可以用于確定電池設(shè)計中多個重要因素的影響。

在放電過程中,充放電循環(huán)可以與濃度圖繪制在一起。通過這些信息,可以優(yōu)化電解液的初始組成。當(dāng)這一研究完成時,結(jié)果表明更高的電解液初始濃度會導(dǎo)致隔膜里更低的導(dǎo)電率,復(fù)合陰極里更高的導(dǎo)電率。通過繪制不同溫度條件的下的濃度圖,電池設(shè)計者可以確定合適的溫度工作范圍以避免系統(tǒng)達(dá)到極限電流。除此之外,電池運行時間是溫度的強函數(shù),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(xué)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(jìn)而成為電池設(shè)計中的另外一個優(yōu)化問題。

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從事于電池模塊和電池包層級的設(shè)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(jìn)行詳細(xì)的仿真工作,他們有其他仿真目標(biāo)。使用CFD軟件進(jìn)行電池?zé)峁芾淼墓こ處熽P(guān)心如何維持期望的工作溫度區(qū)間,降低壓降和維持溫度均勻性。流體動力學(xué)已廣泛應(yīng)用于預(yù)測多個行業(yè)內(nèi)的流動換熱問題,也適用于電池?zé)峁芾?。通過在ANSYS Workbench平臺上使用ANSYS CFD軟件,可以在同樣的環(huán)境中完成完整的電池?zé)崃黧w動力學(xué)分析,包括優(yōu)化。

盡管流體動力學(xué)模擬可以給出關(guān)于電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的詳細(xì)熱信息,但是在不同循環(huán)工況下進(jìn)行多個瞬態(tài)分析是非常耗時的。模型降階技術(shù)可用來從CFD結(jié)果中提取模型,提取的模型稱之為Foster網(wǎng)絡(luò)模型,可以提供與完整的CFD模型相同的結(jié)果-但是相比于CFD計算,運行更快。模型降階技術(shù)使用CFD結(jié)果作為輸入,在Simplore軟件里自動完成。這一過程開啟了電池?zé)峥刂葡到y(tǒng)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(zhǔn)確地,同時使用又方便的熱模型(耦合電池電路模型)?？梢酝ㄟ^VHDL-AMS完成(IEEE標(biāo)準(zhǔn)硬件仿真語言,Simplore 支持)。

為混合電動車和純電動車設(shè)計電池涉及到多個難點,關(guān)注于不同方向的設(shè)計師要求不同。使用ANSYS 軟件的優(yōu)勢是它提供從單電池層級的電化學(xué)模型到系統(tǒng)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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