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通用电动汽车电池系统设计

2018-07-07 10:11 来源: 电动知家

自20世纪90年代初期作为商用技术推出以来,锂离子电池就逐渐成为便携式电子产品和电动汽车市场中最受欢迎的可充电能量存储设备。包含电极的轻量型锂化合物与其它类型的电池相比,能实现更高的比能(瓦特-小时/千克)。

少量电池单元对手机或笔记本电脑来说或许够用,但是要想驱动电动汽车,就必须将成百上千个电池单元连接在一起,作为大得多的电池组系统提供电力。

通用电动汽车电池系统设计

通用汽车电动车电池生产

通用电动汽车电池系统设计

24单元电池模块的ANSYS Simplorer模型,由12个双单元电池单位构成,具有自动电气连接和热连接

通用电动汽车电池系统设计

24单元电池模块的ANSYS Simplorer预测结果(蓝线)与使用US06驾驶方式测量得到的实验数据(红线)进行对比,包括:电池组总电压a),单元荷电状态b),平均单元温度c),以及电池组热生成d)。

汽车制造商及其供应商在美国能源部(DOE)汽车技术办公室的支持下共同努力,旨在进一步提高电动汽车(EV)电池的比能,同时减小电池系统的总体尺寸和重量,并保持安全工作条件,从而攻克EV Everywhere(电动车普及蓝图)中提出的多项重大挑战。

EVEverywhere中的宏大目标包括在2022年以前将能源成本降低至125美元/千瓦时,因此,利用仿真工具设计电池系统并精确预测性能就成为研发战略中的关键一环。

从2012年开始,通用汽车公司领导的一支团队参与由DOE国家可再生能源实验室管理的一个项目,即电动汽车电池计算机辅助工程(CAEBAT)项目。该团队由GM研究人员和工程师、ANSYS软件开发人员和应用工程师以及ESimLLC的员工组成。GM CAEBAT项目的目标之一就是开发电池组设计工具,包括利用和扩展系统级仿真套件的功能。

电池组分析

汽车电池组可能包含数百甚至数千个单元,这些单元表现出紧密耦合的电化学和热行为,因此,一个重要挑战是保持最佳的系统工作条件范围,以最大程度地减少材料降解和容量损失。

从汽车OEM厂商的角度来说,使整个电池组保持在25摄氏度至35摄氏度(77 F至95 F)的温度范围对于系统可靠性而言至关重要。由于周围环境温度可达到-40摄氏度至50摄氏度(-40F至122F),因此每个单元的温度均匀性需要由专用的热管理系统来维持。因此,为电池组设计高效稳健的冷却系统对于电动汽车制造商而言是一项很重要的工程任务。

为了分析电池组的耦合电化学和热传递特性,需要根据整个电池单元系统的空间分辨率进行预测。然而,这样的信息可能只有通过资源密集型和极为耗时的全场仿真才能获得,但当汽车开发周期比较紧张时这种方法往往不切实际。此外,工程师必须捕捉各种驾驶方式(例如EPA的US06周期,即代表采用多种紧急变速的攻击性驾驶行为)下影响电池组载荷的瞬态条件。当不必使用全场数据时,ANSYS Simplorer实现的系统级方法就非常行之有效。汽车工程师需要快速完成设计迭代,以评估潜在的冷却系统设计方案。

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