利用Ansys Workbench电动车电池设计介绍

2017-02-04 by:CAE仿真在线来源:互联网

由于具有能量密度高、高电压、低自放电速率和较好的稳定性,锂离子电池是混合电动车和纯电动车的最佳能源来源选项。混合电动车和纯电动车应用需要很大的锂离子电池,但是在大功率运行的过程中,电池会经历较大的温升,从而导致安全性问题。合理的热管理系统设计对于防止大电池包里的过热及非均匀加热是非常关键的。这些问题会导致电池功能退化,电池容量的不匹配和热失控。热管理系统的设计要求了解冷却系统的知识和电池包内电池产生的热量。

仿真可以在电池层级(单电池)和系统层级(电池模块或完整的电池包)帮助热设计。

电池单元电流密度分布电池单元温度分布

在电池层级,主要关注电池内详细的热生成及温度分布-这些信息主要由生产厂家和研究人员使用。实验数据显示在充放电过程中,热生成速率随时间变化很大。热产生于内部焦耳热损失,局部电极过电压,电池反应熵,混合和副反应。如果只考虑焦耳热和局部电极过电压的作用,生成热可以用开路电压和正负电极间的电压差来表述。通过使用模型,可以将锂离子电池电极上的电压和电流密度分布表述为放电时间的函数,结果可用来计算锂离子电池内的温度分布。在ANSYS CFD软件里利用这些温度分布来检查电极布置的影响-电极的尺寸比和电流收集极耳的布置,以及放电速率对电池热性能的影响。

尽管这一模型可以提供关于温度及电流密度分布的详细信息,但是需要实验测试数据作为输入。如果不重新进行测试,这一模型无法预测设计更改对电池热性能产生的影响。不管怎样,基于物理的电化学模型可以用来研究电池设计参数对电池性能的影响。电化学模型包含几何参数、材料特性和温度。基于物理的模型也可以提供通过实验测试获取的数据作为输入条件。最著名的基于物理的模型最先由加州大学伯克利分校的John Newman教授提出。这一模型目前已经嵌入到ANSYS的Simplorer软件里,可以用于确定电池设计中多个重要因素的影响。

在放电过程中,充放电循环可以与浓度图绘制在一起。通过这些信息,可以优化电解液的初始组成。当这一研究完成时,结果表明更高的电解液初始浓度会导致隔膜里更低的导电率,复合阴极里更高的导电率。通过绘制不同温度条件的下的浓度图,电池设计者可以确定合适的温度工作范围以避免系统达到极限电流。除此之外,电池运行时间是温度的强函数,工作温度越高,运行时间越长。这可以通过基于物理的电化学模型来验证,但是带来的另外一个问题是:更高的温度会带来安全性问题,缩短电池寿命,进而成为电池设计中的另外一个优化问题。

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从事于电池模块和电池包层级的设计工程师有不同的要求。最典型的就是这些工程师不可能像从事于单电池层级的工程师那样进行详细的仿真工作,他们有其他仿真目标。使用CFD软件进行电池热管理的工程师关心如何维持期望的工作温度区间,降低压降和维持温度均匀性。流体动力学已广泛应用于预测多个行业内的流动换热问题,也适用于电池热管理。通过在ANSYS Workbench平台上使用ANSYS CFD软件,可以在同样的环境中完成完整的电池热流体动力学分析,包括优化。

尽管流体动力学模拟可以给出关于电池热管理系统的详细热信息,但是在不同循环工况下进行多个瞬态分析是非常耗时的。模型降阶技术可用来从CFD结果中提取模型,提取的模型称之为Foster网络模型,可以提供与完整的CFD模型相同的结果-但是相比于CFD计算,运行更快。模型降阶技术使用CFD结果作为输入,在Simplore软件里自动完成。这一过程开启了电池热控制系统分析的仿真之门。

对于电气工程师,最主要的考虑是电池的电性能而不是热性能。因此需要一个准确地,同时使用又方便的热模型(耦合电池电路模型)。可以通过VHDL-AMS完成(IEEE标准硬件仿真语言,Simplore 支持)。

为混合电动车和纯电动车设计电池涉及到多个难点,关注于不同方向的设计师要求不同。使用ANSYS 软件的优势是它提供从单电池层级的电化学模型到系统级的热管理分析模型。

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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