西门子PLM锂电池解决方案及优化解决方案
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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)
Unrestricted © Siemens AG 2017
基于BDS和HEEDS的电芯快 速充电设计优化
Unestricted © Siemens AG 2017
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
Voltage, V
3.71
Capacity, Ahr
2.80
Energy, Whr
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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
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
Unrestricted © Siemens AG 2017
Page 5
06.06.2017
Siemens PLM Software
快速充电– 技术方面的注意事项
电池工作电压(V)
负极/隔膜电压(V)
Unrestricted © Siemens AG 2017
Page 10
06.06.2017
当-10C ，在恒压充电阶 段发生锂沉积
Siemens PLM Software
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)
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
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
Siemens PLM Software
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
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
Unrestricted © Siemens AG 2017
Page 2
06.06.2017
Siemens PLM Software
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
Unrestricted © Siemens AG 2017
Page 7
06.06.2017
通过容量损失来鉴定锂沉积的发生
Siemens PLM Software
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
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
Unrestricted © Siemens AG 2017
Page 8
06.06.2017
Siemens PLM Software
初始方案设计: NCA/Graphite 18650
Cell Properties
Value
4.120
Separator Area, m²
0.108
Heat Capacity@25°C, J/g-K 0.613
Heat-transfer area, cm²
34
Unrestricted © Siemens AG 2017
Page 9
06.06.2017
Computed
Positive Negative
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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Page 3
06.06.2017
电芯设计及虚拟测试
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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Page 4
06.06.2017
Siemens PLM Software
Page 6
06.06.2017
Siemens PLM Software
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)
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
Siemens PLM Software
环境温度对恒流/恒压充电的影响（3A/4.2V-0% SOC起始）
• 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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西门子电池模拟解决方案
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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
Voltage, V
3.71
Capacity, Ahr
2.80
Energy, Whr
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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
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
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)
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
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
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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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
Siemens PLM Software
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
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
4.120
Separator Area, m²
0.108
Heat Capacity@25°C, J/g-K 0.613
Heat-transfer area, cm²
34
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Computed
Positive Negative
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
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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Page 6
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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)
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
Siemens PLM Software
环境温度对恒流/恒压充电的影响（3A/4.2V-0% SOC起始）