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文檔簡介
1?
2015
ANSYS,
Inc.June
26,
2015ANSYS
ConfidentialANSYS完整的電池仿真方案
2
電池開發(fā)中的挑戰(zhàn)?
費(fèi)用?
性能(能量密度及功率密度)?
耐用性和使用壽命(考慮在不同環(huán)境
和使用周期)?
安全性(考慮惡劣環(huán)境)?
復(fù)雜的多尺度、多物理場系統(tǒng)?
快速發(fā)展的材料和設(shè)計(jì)理念?
現(xiàn)有軟件工具不專業(yè)針對(duì)電池?zé)犭姺磻?yīng)流體
Molecular?
2015
ANSYS,
Inc.
ParticleJune
26,
2015Electrode
ANSYS
ConfidentialCellPackVehicle3?
2015
ANSYS,
Inc.June
26,
2015ANSYS
ConfidentialICEBattery
C(log
scale)
4010Worst-caseambient100
Accelerated
degradationThermal
runawayAlloy
melting
熱管理是電池設(shè)計(jì)的核心工作之一
電池的性能和壽命都跟熱環(huán)境密切相關(guān)
減少電池內(nèi)部及電池之間的溫度差
Comparison
of
Thermal
Headroom
Exhaust
gas
1000小尺度大尺度4?
2015
ANSYS,
Inc.June
26,
2015ANSYS
Confidential完整的電池仿真方案
分子材料
模塊/包熱管理持久性NVHEMI/EMCECMCFDROMFEA
電池充電放電熱安全ECMCFDFEA
電極布局過程壽命SEIElectro-chemistry
系統(tǒng)集成系統(tǒng)集成ECMROM5?
2015
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Inc.June
26,
2015ANSYS
Confidential完整的鋰離子電池仿真方案6Fluent提供多尺度-多維度的電池模型:
Single-Potential
Empirical
Battery
Model
Dual-Potential
Multi-Scale
Multi-Dimensional
Battery
Model?
Equivalent-circuit
model
(ECM)?
Newman-Tiedemann-Gu-Kim
(NTGK)
model?
Newman
pseudo-two-dimensional
(P2D)
model?
ANSYS,
June
26,
2015?
2015
User
Inc.
Defined
Electrode
sub-model
ANSYS
Confidential?
1D
model
called
at
each
CFD
cell?
input:
Φ-,
Φ+,
T,
Cs
(X,
x,
r,
t0),
Ce(X,
x,
t0)?
output:
i,
q,
Cs,
Ce電化學(xué)反應(yīng)子模塊Φ-Φ+?
mesh:need
not
resolveelectrodelayers?
model:
non-isotropic
conductivities?
solve:
Φ-,
Φ+,
T?
extra
storage:
Cs
(X,
x,
r,
t),
Ce(X,
x,
t)有限體積法進(jìn)行熱分析XYZ多尺度-多維度的電池模型耦合Current
(A)7?
2015
ANSYS,
Inc.June
26,
2015ANSYS
Confidential-110-30-50-70-90-10
0200400600800100012001400Time
(s)
P2D電化學(xué)反應(yīng)模型-單體電池503010ECM等效電路模型
–單體電池Testing
Simulation
Battery
Equivalent
Circuit
Model
(ECM)
8
?
2015
ANSYS,
Inc.
June
26,
2015
ANSYS
ConfidentialX.
Hu,
L.
Collins,
S.
Stanton,
S.
Jiang,
"A
Model
Parameter
Identification
Method
for
Battery
Applications",
SAE
2013-01-1529.?
28
cells
are
connected
in
amodule?
4
modules
are
connectedECM等效電路模型
–電池模塊/包
to
the
final
configuration
Simulation
Results
Battery
Pack
ECM
9
?
2015
ANSYS,
Inc.
June
26,
2015
ANSYS
ConfidentialX.
Hu,
L.
Collins,
S.
Stanton,
S.
Jiang,
"A
Model
Parameter
Identification
Method
for
Battery
Applications",
SAE
2013-01-1529.10?
2015
ANSYS,
Inc.June
26,
2015ANSYS
ConfidentialECM等效電路模型
–電池模塊/包
ECM
Extraction
Toolkit
Voc
vs.
SOC
Pulse
Discharge11
?
2015
ANSYS,
Inc.
June
26,
2015
ANSYS
ConfidentialX.
Hu,
L.
Collins,
S.
Stanton,
S.
Jiang,
"A
Model
Parameter
Identification
Method
for
Battery
Applications",
SAE
2013-01-1529.ECM等效電路模型
–電池模塊/包ECM
Extraction
ToolkitECM
ModelWorkflow12?
2015
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Inc.June
26,
2015ANSYS
ConfidentialCFD模型-電池模塊Temperature
DistributionTemperature
and
PathlinesTemperature
DistributionTemperature
Distribution13?
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26,
2015ANSYS
ConfidentialROM模型-提高熱仿真效率
CFD作為通用熱分析方法,是非常精確的
但計(jì)算量巨大,難以用于系統(tǒng)分析
ROM(Reduced
Order
Model)
可以極大的
縮短計(jì)算時(shí)間
ROM(Reduced
Order
Model)
是進(jìn)行系統(tǒng)
分析的重要手段14?
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26,
2015ANSYS
Confidential
ROM模型-電池模塊熱響應(yīng)方法1:熱網(wǎng)絡(luò)
?
結(jié)果需要進(jìn)行校核
?
精度受到一定影響Type
2:
LTI
–
state
space
?
結(jié)果不需要校核
?
精度跟CFD方法一致LTIttStepInputStepResponse115?
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26,
2015ANSYS
Confidential–Use
Simplorer4.
Simulate
inside
Simplorer
SVD+LTI
ROM模型-電池冷卻分析流程
ANSYS
CFD1.
Create
the
Fluent
CFD
model2.
Generate
step
responses3.
Extract
SVD+LTI
ROM16?
2015
ANSYS,
Inc.June
26,
2015ANSYS
Confidential
SVD+LTI
ROM
案例:
GM
16個(gè)單體電池SVD+LTI
technology
allows
for
quick
temperature
distribution
calculationin
addition
to
average
temperature
calculation.Using
a
heat
source
from
GM,
SVD+LTI
ROM
is
applied
to
the
GM
16
cellcase.
Heat
source
used?
June
26,
2015
INDUSTRY
APPLICATIONS,
VOL.
47,
NO.ANSYS
Confidential17LTI
ROM
gives
the
same
results
as
CFD.
LTIROM
runs
in
less
than
2
seconds
whilethe
CFD
runs
2
hours
on
one
single
CPU.X.
Hu,
S.
Lin,
S.
Stanton,
W.
Lian,
“A
Foster
Network
Thermal
Model
for
HEV/EV
Battery
Modeling,”
IEEE
TRANSACTIONS
ON4,
JULY/AUGUST
2011X.
Hu,
S.
Lin,
S.
Stanton,
W.
Lian,
“A
State
Space
Thermal
Model
for
HEV/EV
Battery
Modeling",
SAE
2011-01-1364Heat
ProfileSVD+LTI
ROM
案例:
GM
16個(gè)單體電池18?
2015
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26,
2015ANSYS
ConfidentialCFD
(200
sec)
SVD+LTI
ROM
(200
sec)
CFD
(400
sec)SVD+LTI
ROM(400
sec)
CFD
(600
sec)SVD+LTI
ROM(600
sec)
CFD
(800
sec)SVD+LTI
ROM(800
sec)SVD+LTI
ROM案例
:
GM
16個(gè)單體電池CFDmeshsize3,025,067Numberofstepsinstepresponserun180SizeofmatrixA3,025,067×180NumberofsnapshotsusedforSVDcalculation180SVDcalculationtime4min50secSVDcalculationmemoryusage8.1GSVD+LTIROMextractiontime5minCFDvalidationsimulationtimeonsingleCPU5hrSVD+LTIROMsimulationtimeonthesamesingleCPUafewseconds19?
2015
ANSYS,
Inc.June
26,
2015ANSYS
ConfidentialSVD+LTI
ROM案例
:
GM
16個(gè)單體電池20ANSYS
ConfidentialROM模型-電池模塊熱分析
ROM
vs
CFD?
2015
ANSYS,
Inc.
June
26,
2015ROM
for
the
Battery
Module21?
2015
ANSYS,
Inc.June
26,
2015ANSYS
ConfidentialSVD+LTI
ROM
案例驗(yàn)證CFD
(10
sec)
SVD+LTI
ROM
(10
sec)
CFD
(20
sec)SVD+LTI
ROM(20
sec)
CFD
(30
sec)SVD+LTI
ROM(30
sec)
CFD
(40
sec)SVD+LTI
ROM(40
sec)CFDmeshsize12,209,486Numberofstepsinstepresponserun120SizeofmatrixA12,209,486×120NumberofsnapshotsusedforSVDcalculation60SVDcalculationtime3minSVDcalculationmemoryusage18GSVD+LTIROMextractiontime5minCFDvalidationsimulationtimeonsixCPUs20hrSVD+LTIROMsimulationtimesingleCPUafewseconds22?
2015
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26,
2015ANSYS
ConfidentialSVD+LTI
ROM案例
:
GM
16個(gè)單體電池23?
2015
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Inc.June
26,
2015ANSYS
Confidential
ECM
耦合ROM
分析-
GM
電池模塊ECM
求解熱源并傳遞給ROM模型LTI
ROM
求解平均溫度并傳遞給ECM模型SVD+LTI
ROM
求解溫度分布24?
2015
ANSYS,
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26,
2015ANSYS
ConfidentialECM
耦合ROM
分析-
GM
電池模塊
LTI
ROM
求解平均溫度
SVD+LTI
ROM
求解溫度分布場Average
TemperatureHeat
Source
for
One
Cell25?
2015
ANSYS,
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26,
2015ANSYS
ConfidentialTemperature
calculated
from
CFD.
7
hr
simulation
time
with
6
CPUs.Temperature
calculated
from
SVD+LTI
ROM.
0.5
hr
simulation
time
with
1
CPU.
ECM
耦合ROM
分析-
GM
電池模塊溫度分布26?
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26,
2015ANSYS
Confidential電池模塊/包–
Bus
Bar
Model
Electromagnetic
FEA
Analysis
for
Busbar
RLC
Network
Extraction27?
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26,
2015ANSYS
Confidential完整電池仿真
Voc
=
-1.031*exp(-35*(abs(IBatt.V/Vinit)))+
3.685
+
0.2156*(abs(IBatt.V/Vinit))
-
0.1178*(abs(IBatt.V/Vinit))^2
+
0.3201*(abs(IBatt.V/Vinit))^3
+
0.3/30.0*(U1.Temp_block_1-273)28?
2015
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26,
2015ANSYS
Confidential電池結(jié)構(gòu)分析1.Vibration/NVH2.3.4.5.6.7.8.9.Crush/Impact
TestDrop
TestDurability
analysisThermal
ShockOver/Under
Temperature
ProtectionWater
Intrusion
TestExternal
Short
Circuit
ProtectionOvercharge
Protection10.
Over
Discharge
Protection
Structural
Integrity
Thermal
and
Fluid
Flow
IntegrityElectrical
and
ElectronicsIntegrity11.
Fire
Resistance
–
Short/Long
DurationMajor
Global
Standards:
SAE
,
UN
38.3,
JIS,
FMVSS,
ECS29?
2015
ANSYS,
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26,
2015ANSYS
Confidential定制化仿真流程30?
2015
ANSYS,
Inc.June
26,
2015ANSYS
ConfidentialSingle
stack16
stack
module
23
stack
moduleBase
Connectors最便捷的網(wǎng)格劃分方法
Create
more
manageable
subassemblies
Redu
溫馨提示
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