A12-电动车电池包热管理分析

电动车电池包热管理分析Realizeinnovation.Unestricted©SiemensAG2017Unrestricted©SiemensAG20172017.06.06Page2SiemensPLMSoftwareCarindustrymutationSource:Nextgreencar.comUnrestricted©SiemensAG20172017.06.06Page3SiemensPLMSoftware今天的技术挑战车辆电气化的一个关键因素是电力储能技术.多种锂电池的化学体系可供选择.考虑到应用场合，选择一款适合的锂电池考虑到产品的应用要求，一下几点要注意:•产品应用特点决定电池的选择•电池包尺寸•电池包热管理设计•电池包寿命对系统性能的影响Unrestricted©SiemensAG20172017.06.06Page4SiemensPLMSoftware校正电池包的工作温度是最基本的要求，因为它会影响:•电池包性能(功率和容量)•充电接收(制动能量回收阶段)•寿命周期•安全性•车辆操作和维护成本.CAE特别适合用于设计合适的冷却系统，以此保证:•电芯和模组的温度一致性•保证电池包温度在安全范围内•分析冷却系统效率•电池包的轻量化最主要的输入条件是电芯及电池包产生了多少热量？锂电池包的CAE仿真Unrestricted©SiemensAG20172017.06.06Page5SiemensPLMSoftware两种仿真方法比较•设定电芯或电池包的发热功率是均一分布的•发热功率值一般为常数/方程/表格•发热功率一般不受温度影响Q11Q12Q21QijQnmQ+TabQ-Tab•电化学求解器和流场温度场求解器耦合计算•集流体上的电流分布遵循泊松方程•电芯的电压、SOC、发热功率在空间上是非均一分布的•温度对电芯性能产生影响，包括对发热功率的影响STAR-CCM+BSM方法传统方法Unrestricted©SiemensAG20172017.06.06Page6SiemensPLMSoftware单电芯基于传统和BSM方法的计算比较4C放电100%SOC到0%SOC4度8度Unrestricted©SiemensAG20172017.06.06Page7SiemensPLMSoftware耦合方法•STAR-CCM+一个软件完成耦合计算，BSM模块的求解器计算电化学，流体求解器计算流场和温度•采用瞬态双向耦合模式，精确计算热源在电芯上的空间分布及随工况/时间的变化，发热功率和电芯温度之间的互相影响•BSM模块自动生成电芯的标准几何模型，并便捷的组合成电池模组•整个设置流程高度定制化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+BatterySimulationModuleUnrestricted©SiemensAG20172017.06.06Page8SiemensPLMSoftwareWideLengthScaleSolution西门子电池模拟解决方案微观结构电化学通过SEM生成电极几何模型新的电池设计理念电芯设计及虚拟测试通过详细的几何设定和电化学模型参数定义，对电芯进行精确性能模型和设计全系统设计–LMSAmesim将模组或电池包的3维分析连接到复杂的动力总成系统模型中电池包设计通过流场、温度场和电化学的耦合分析，实现对电芯、模组及电池包级别的详细分析Unrestricted©SiemensAG20172017.06.06Page9SiemensPLMSoftware耦合分析流程SHARECHARACTERISEBUILDMODULECellDesignModelsSharecelldata3DcellTBMfile3DmoduleMESHAutomatedCOMPUTEElectro/ThermalsimulationANALYSEDedicatedPost-ProcBDSSTAR-CCM+BSMUnrestricted©SiemensAG20172017.06.06Page10SiemensPLMSoftwareSamsungSDISTAR-CCM+改进电池包冷却设计“Anefficientthermalmanagementsystemisrequiredtomaintainbatterytemperatureinanarrowrangeforelectricvehicles”•Designednovelliquidcoolantbasedthermalsystem•Predictedsensitivityofthermalperformancetocontactresistance•ReducedthermalvariationinsidebatterpackVolumetricHeatRejectionandJellyRollTemperaturesaregeneratedinsidethepack.Examiningtradeoffbetweenpressurelossoncoolantsystemtotemperatureuniformity•Thermalsystemsiscriticalforhighperformanceandlongbatterybacklife.•SimulationhelpsmaintainbatteriesinnarrowtemperaturerangeUnrestricted©SiemensAG20172017.06.06Page11SiemensPLMSoftware国外分析案例水冷电池包内部流场分析结果Unrestricted©SiemensAG20172017.06.06Page12SiemensPLMSoftware国外分析案例结果对比：电池表面温度对比电池模组电压对比水套换热功率对比Unrestricted©SiemensAG20172017.06.06Page13SiemensPLMSoftware电池模组优化设计电池模组热管理分析•在BDS中预先定义软包电池参数•建立电池模组，包括:•完整电芯包括极耳•外壳•绝缘衬垫•电流导流件•冷却系统分析驾驶循环下的电池包响应BatteryModuleSpecificationsCellModuleCellAssemblyNominalVoltageNominalCapacityEnergyDimensionsCoolingElectricalInsultationPouchCellNMC/LMO-Graphite14S2P50V30Ahr1.5kWhrWidthandLengtharevariablesHeight:25cmLiquid-EthyleneGlycolC2H6O2Multi-purposeSiliconSpongeRubberUnrestricted©SiemensAG20172017.06.06Page14SiemensPLMSoftware电池模组优化设计电芯响应特性定义:•电芯几何及尺寸参数提取（X光照射或解剖）•这些几何参数需要输入到BDS中•对于比较大型的电池包的CFD仿真，推荐对电芯的性能响应计算采用等效模型•等效模型易于建立，只需要简单的脉冲功率特性测试数据HPPC测试Unrestricted©SiemensAG20172017.06.06Page15SiemensPLMSoftware电池模组优化设计Unrestricted©SiemensAG20172017.06.06Page16SiemensPLMSoftware电池模组优化设计600秒驾驶循环结束时电池模组的温度场分布Unrestricted©SiemensAG20172017.06.06Page17SiemensPLMSoftware电池模组优化设计Unrestricted©SiemensAG20172017.06.06Page18SiemensPLMSoftware电池模组优化设计Unrestricted©SiemensAG20172017.06.06Page19SiemensPLMSoftware电池模组优化设计模组重量22kg包括导热板，冷却管路，衬垫和外壳Unrestricted©SiemensAG20172017.06.06Page20SiemensPLMSoftware电池模组优化设计优化变量:冷却系统几何形状优化目标:•单目标:模组重量最低•限制条件:•温度一致性=3oC•管路压降15000PaUnrestricted©SiemensAG20172017.06.06Page21SiemensPLMSoftware优化方案BUILDMODULE3Dcell3DmoduleMESHAutomatedCOMPUTEElectro/ThermalsimulationANALYSEDedicatedPost-ProcSTAR-CCM+BSMDESIGNEXPLORATIONAutomatestheCADgeneration,BSMpre-processing,solvingandpost-processingHEEDSMDOSHARECHARACTERISEBUILDMODULECellDesignModelsSharecelldata3DcellTBMfile3DmoduleMESHAutomatedCOMPUTEElectro/ThermalsimulationANALYSEDedicatedPost-ProcBDSSTAR-CCM+BSM更快的发现更优的设计Unrestricted©SiemensAG20172017.06.06Page22SiemensPLMSoftwareInfeasibleDesignsFeasibleDesigns电池模组设计优化计算Unrestricted©SiemensAG20172017.06.06Page23SiemensPLMSoftware电池模组设计优化计算-优化结果初始设计方案最优设计方案•重量降低35%•温度一致性提高了30%Unrestricted©SiemensAG20172017.06.06Page24SiemensPLMSoftwareSTAR-CCM+BSMAmesimCo-simulation•集成了3维详细分析和1维系统分析•输入真实的驾驶循环，以此得到真实的功率需求和冷却边界条件给3维模型AmesimSTAR-CCM+BSMUnrestricted©SiemensAG20172017.06.06Page25SiemensPLMSoftware总结STAR-CCM+BSM可以实现对电池的电化学性能和电池温度之间复杂的耦合影响关系进行分析在要求冷却系统轻量化的时候，为了保证电池的温度一致性，电池包的冷却设计优化十分关键自动化的优化流程对产品设计带来了显著的收益•模组的热管理系统设计优化用时1周以内•一系列的最优方案可供选择谢谢!王韶华[e-mail]©SiemensAG2017