AVL FIRE在HEV和EV开发中的应用

[e-mail]在HEV和EV开发中的应用2C-PM/FIRE04-01-06020,2010内容：ƒ简介ƒ电池电化学过程的模拟ƒFire在fuelCell中的应用ƒFIRE在电驱动系统中的应用3C-PM/FIRE04-01-06020,2010AVL混合动力的系统集成电池组变速箱电动机气体入口:进气和冷却空气气体出口:排气与冷却空气的混合发电机发动机4C-PM/FIRE04-01-06020,2010AVL电池开发电池设计&模拟电池的集成BATTERYTESTINGANDVALIDATIONAVLELECTRICVEHICLEwithRangeExtenderAVLELECTRICVEHICLEwithRangeExtender随着市场对混合动力电池系统的可靠性，高效和低成本日益增长的要求，AVL提供了一整套集成化的高效实用的系统解决方案来最大化的满足上述需求：„目标的定义„电池系统的设计和集成„控制系统的开发和模拟„试验和标定„BatterybenchmarkingBATTERYFUNCTIONANDSOFTWARE5C-PM/FIRE04-01-06020,2010SimulationApproach电池模块的热性能分析ƒ电流和温度的分布ƒ热点的确定ƒ冷却要求的定义单元的热化学特性ƒ经验的电池模型ƒ热-电-固的耦合分析整车模拟(AVL-CRUISE™)ƒ不同负荷状态的模拟ƒ混合/电-控制策略Battery热管理系统(FLOWMASTER)ƒ优化热管理策略ƒ优化电池ƒ提高电池性能和寿命-20-100102030405060020040060080010001200Time[s]Power[kW]-20-100102030Velocity[m/s]E-motor_mech_powerWVelocitym/sBatteryCircuitAC-Circuitƒ通用的材料特性ƒCell性能ƒCell结构ƒCell充/放电特性ƒ通用的材料特性ƒCell性能ƒCell结构ƒCell充/放电特性输入SimulationÆ紧密配合项目进行要求的工程工具…AVL模拟工具从Cell-Level到Battery-Pack6C-PM/FIRE04-01-06020,2010AVL模拟工具AVL的模拟工具支持从1D到3D的概念性的和详细的电池模拟过程，进行瞬态和系统的模拟„AVL热－电单元模型分析„3DCFD模拟和电池包的冷却分析„3D热－电电池包性能分析„1D整车热/电管理分析边界条件:空气流量空气温度电池模块7C-PM/FIRE04-01-06020,2010AVL电池开发－软件的开发和集成AVL使用快速有效的模拟工具对电池系统进行开发，从而成功的进行了powertrain的前沿科技的开发应用„AVL提供先进的软件模拟工具„AVL提供的工具包含了从概念性设计到详细设计的一系列软件„AVL软件开发过程紧密的结合AVL全球的paowertrain开发网络和AVL对电池开发的know－how8C-PM/FIRE04-01-06020,2010内容：ƒ简介ƒ电池电化学过程的模拟ƒFire在fuelCell中的应用ƒFIRE在电驱动系统中的应用9C-PM/FIRE04-01-06020,2010介绍–电池的基本概念电池的基本概念ƒ基本单元,consistingof(Li-ionbattery)ƒ阴极:金属电极，在金属氧化物电解液中与电子的结合ƒ隔膜:固体(e.g.聚合物)允许电解液通过的多孔介质ƒ阳极:金属电极,在电解液中的石墨ƒ电池单元ƒ一系列基本单元组合为电池单元ƒ电池模块ƒ两个或以上的电池单元ƒ电池包ƒ由两个或以上的电池模块组成[1][2][3]10C-PM/FIRE04-01-06020,2010Li-ion基本单元的工作原理e-e-e-e-−+正极负极石墨层氧气锂金属Legend:PositiveElectrodeNegativeElectrodeChargeDischarge介绍–电池的基本概念11C-PM/FIRE04-01-06020,2010两种电池模型ƒ经验模型ƒ电化学模型经验模型ƒ对于电池单元的模拟ƒ对于电极和隔膜采用2D模拟(cellfaceselection)ƒ集电极和热质量均采用3D模拟电化学模型ƒ对于基本单元的模拟ƒ材料的特性和开路电压取决于实验数据ƒ充/放电过程是模拟结果ƒ集电极，热质量，电极以及隔膜均采用3D模拟介绍–电池的基本概念12C-PM/FIRE04-01-06020,2010经验模型–理论单元的电压取决于SOC，电流和温度：f函数的确定由已有的数据文献或者实验数据即一系列的数据表DoD,I,andT,e.g.确定例如基于经验公式的Shepherdmodel:通过根据实验曲线在参考温度(e.g.25°C)下对一系列的标定参数R(I),K(I),A(I),B(I)进行标定)T,I,DoD(fUcell=T=0°CT=25°CT=45°C()DoDQ)I(B*0celle)I(AIDoDQDoD11)I(KI)I(REU−++−−−=13C-PM/FIRE04-01-06020,2010经验模型–理论电池的结构热质量热质量正极集电极反应层3D3D3D3D2Dq&q&TTiiφφ负极集电极ρ,cp,λρ,cp,λρ,cp,λ,σiρ,cp,λ,σiλ能量守恒能量守恒电量&能量守恒电量&能量守恒Shepherdreversed⇒i(Ucell)V0b=φbIφcellU=φΔφ14C-PM/FIRE04-01-06020,2010ƒnumberofcells:50208ƒmaterialdata:ƒendtime:940s网格和模拟参数经验模型–验证thermalmassTini=25°CT∞=25°Cαb=20W/m2Kφb=0Vnegativecollectorφini=0V,ib=0A/m2Tini=25°C,qb=0W/m2positivecollectorφini=3.422V,ib=0A/m2Tini=25°C,qb=0W/m2Act.layerPos.coll.Neg.coll.Therm.massρ(kg/m3)-270089603010cp(J/kgK)-900385664λ(W/mK)123839866.3σ(A/Vm)-3.83e76.33e70xyz22cm13cmIb=70/28/-42/-28Aatt=0/360/410/890s15C-PM/FIRE04-01-06020,2010在第一个放电阶段反应层上的结果(360s)经验模型–验证16C-PM/FIRE04-01-06020,2010经验模型–验证给定的瞬时电流(左上),槽电压和开路电压(左下),放电深度(右上),平均温度（右下)17C-PM/FIRE04-01-06020,2010电化学模型–理论两相分析：ƒ固相:集电极，活性的电极,惰性的隔膜ƒ液相:电解液进行全面的电化学分析得到的数据结果：ƒ在导电固体和液体中的电势φs，φlƒ在固体粒子和液体中的锂密度cs&clƒ在电极表面的反应电流密度irƒ开路的电势φocƒ温度T[4]18C-PM/FIRE04-01-06020,2010电化学模型–验证与DoyleandNewman经典试验的验证：ƒ1D,无集电极ƒgalvanostatic放电过程ƒcellarea:24cm2,nominalcellcapacityC=0.042Ah(1Crate:17.5A/m2)ƒ绝热,T=25°Cƒ材料和结构特征来源于文献ƒ计算时间e.g.1h1C–discharge:44s⇒realtimefactorof0.012φb=φoc-ibpositiveelectrodenegativeelectrodeseparator100μm52μm174μm19C-PM/FIRE04-01-06020,2010在粒子表面(左上)和液体(右上)的Li密度,开路电压(左下),SOC(右下),1C,t=1800s经验模型–验证20C-PM/FIRE04-01-06020,2010计算和试验的放电曲线对比：ƒfittingparameter:filmresistanceinnegativeelectrodeRf-=900e-4Am2/V经验模型–验证21C-PM/FIRE04-01-06020,2010电化学模型–验证对电极和集电极均采用3D模拟ƒ三层的电池模拟(134070cells)ƒ热效应，绝热的边界条件ƒ材料和结构特征来源于文献ƒ电流的变化:0.16/0/-0.094Aat0/360/410sƒ计算的时间域:450sφb=φoc-IbpositivepoleIb5.5cm3.3cmxyznegativepoleφb=φoc-separatorseparatorseparatorelectrode-collector-electrode+electrode+collector+electrode-electrode-collector-electrode+collector+22C-PM/FIRE04-01-06020,2010在放电(180s)和充电(430s)过程中电极粒子上的电流密度电化学模型–验证23C-PM/FIRE04-01-06020,2010给定电流的变化曲线(左上),单元和开路电势(左下),放电深度(右上),平均温度(右下)电化学模型–验证24C-PM/FIRE04-01-06020,2010在相同的给定电流下与单层结果的比较(solid:3layer,dashed:1layer)电化学模型–验证25C-PM/FIRE04-01-06020,2010内容：ƒ简介ƒ电池电化学过程的模拟ƒFire在fuelCell中的应用燃料电池的基本模拟思想PEMfuelcell的模拟结果ƒ试验的验证ƒ3D模拟结果ƒFIRE在电驱动系统中的应用26C-PM/FIRE04-01-06020,2010燃料电池的工作原理和FIRE的模拟方法e-e-H2O2H2O(l)H2OO2H2H2OH2OH3O+阳极−q&q&q&q&q&H2,H2OO2,H2Oe-e-e-e-阴极+coolantcoolantH2O(l)H2O(l)H2O(l)膜−++→eHH222催化层OHeHO22244→++−+催化层气体扩散层气体扩散层冷却通道冷却通道极板极板带有气体通道的双极板带有气体通道的双极板GasspeciesLiquidHeatElectrons&Protons27C-PM/FIRE04-01-06020,2010FIREapproachƒ在膜和催化层中的电化学反应采用1D的方法模拟ƒ气体扩散层和通道中采用3D模拟ƒ通过ACCI的方式考虑双极板（固体）和冷却通道的影响ƒ所考虑的物理现象:ƒ催化层:电化学反应ƒ膜:水，水合氢离子和气体物质ƒGDL:液态水的毛细流动，电子的传导ƒGDLsandchannelsƒ蒸发和凝结ƒ多相流的动量传递ƒ多物质成份的气体物质扩散ƒ多相流的热传递ƒbipolarplate:热/电子传导ƒcoolingchannels:对流换热1D/3Dcouplingmembranecatalystlayergasdiffusionlayer1D3Dyiαg,αlpTg,Tl,Tsφsmiwnn,,&&meqq&&,imembranemembranecatalystlayergasdiffusionlayer1D3Dyiαg,αlpTg,Tl,Tsφsmiwnn,,&&meqq&&,i燃料电池的工作原理和FIRE的模拟方法28C-PM/FIRE04-01-06020,2010FIRE模拟方法ƒ输入:ƒ运行工况(e.g.电池电压)ƒ边界条件(e.g.温度、压力和气体成份)ƒ气体特性(e.g.粘性系数)ƒ材料特性(e.g.GDL渗透率,电导率)ƒoutput:3D的分布：ƒ电化学以及电量(e.g.电流密度)ƒ气体成