西门子PLM锂电池解决方案及优化解决方案

电芯设计 – Battery Design Studio (BDS)
• 电芯设计及设计探索 • 电芯特性描述 • 物理模型和等效电路模型
• 可以分析: • 充放电循环工况 • 寿命 • 温度滥用
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电芯设计及虚拟测试
Voltage, V
3.71
Capacity, Ahr
2.80
Energy, Whr
10.391
Energy Density
Whr/kg 223
Whr/liter 615
Weight, g
46.597
Volume, cm³
16.901
Active Area, m²
0.093
Electrolyte Mass, g
Electrode Properties Value Value
Average Voltage, V Stoichiometry at formation Unit Capacity, mAh/cm² Thickness(w/collector), µ Coating Porosity, % Coated Length*, cm Coating Thickness*, µ Coating Weight, g Total Length, cm Loading, mg/cm²
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快速充电分析
N. Legrand et al. / J. Power Sources 245 (2014) 208-216
"我们认为当满足热力学条件 Li Lio 0时， 锂金属将发生沉积"
SAFT VL41M cell (41 Ah at 4.0 V)
发热分布
• 在真实的驾驶循环下，对模组及电池包复杂冷却系统 的选型，例如液冷还是气冷的冷却方案
温度分布
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
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3.81
0.284
3.024 116.0
20.0 163.2
50.0 16.881
82.4 36.3
0.104
0.953
3.477 133.3
20.0 167.3
61.7 10.529
88.2 21.3
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环境温度对恒流/恒压充电的影响（3A/4.2V-0% SOC起始）
4.120
Separator Area, m²
0.108
Heat Capacity@25°C, J/g-K 0.613
Heat-transfer area, cm²
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Computed
Positive Negative
检测负极隔膜界面上的固相/液相的电压， 当小于等于0 V时，锂金属将发生沉积
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初始方案设计: NCA/Graphite 18650
Cell Properties
Value
电池工作电压(V)
负极/隔膜电压(V)
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当-10C ，在恒压充电阶 段发生锂沉积
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环境温度对恒流/恒压充电的影响（6A/4.2V-0% SOC起始）
电池工作电压(V) 负极/隔膜电压(V)
基于BDS和HEEDS的电芯快 速充电设计优化
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Realize innovation.
西门子电池模拟解决方案
Wide Length Scale Solution
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
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
全系统设计– LMS Amesim
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
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• 直流充电是唯一可行的方法，因为对快速充电来说交直流整流器很昂 贵，并且需要散热措施
• 电池温度应处于最大温度以下，例如45C，以此保证电芯的存储寿命 • 避免锂金属沉积，防止存储寿命的损失
锂离子电池的通用性的建议 • 充电时避免电池温度低于0C • 避免高倍率充电(倍率>0.75 C)
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Fig. 3 锂金属沉积发生的原理图.
通过电化学模型，可以计算出 Li Lio
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通过容量损失来鉴定锂沉积的发生
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纽曼 DUAL 模型
jn
c1
锂金属易于先在负极集流体表面沉积， 因为这里的电流密度易于高过其他部位
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
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模组和电池包散热设计– STAR-CCM+ Battery Simulation Module (BSM)
• 电-热仿真：将电芯的电化学响应和模组及电池包的 温度耦合起来求解
• 计算电芯的3维发热功率分布，以此来精确预测模组 及电池包的温度分布
快速充电 – 对电动车的必要性
绝大多数司机认为快速充电对电动车来说是十分重要的 快速充电的定义一般认为是20分钟内充入50%以上的电量
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快速充电– 技术方面的注意事项