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工程解决方案
Maxwell 电机设计 电池包热管理
锂电池热失控机理及仿真 电机设计 轮毂电机 电池包热管理 电池结构仿真 燃料电池仿真
锂电池热失控机理及仿真

      热失控,是指蓄电池电流和内部温升发生一种累积的互相增强的作用而导致蓄电池损坏的现象。狭义的热失控,其主体指的是单体电芯;广义的热失控,其主体指的是PACK。
      引起动力锂电池热失控的因素主要有外部短路、外部高温和内部短路。


       外部短路:实际车辆运行中发生危险的概率极低,一是整车系统装配有熔断丝和电池管理系统BMS,二是电池能承受短时间的大电流冲击。极限情况下,短路点越过整车熔断器,同时BMS失效,较长时间的外部短路一般会导致电路中的连接薄弱点烧毁,很少导致电池发生热失控事件。现在,比较多的PACK企业采用了回路中加装熔断丝的做法,更能有效的避免外短路引发的危害。


       外部高温:由于锂离子电池结构的特性,高温下SEI膜、电解液、EC等会发生分解反应,电解液的分解物还会与正极、负极发生反应,电芯隔膜将融化分解,多种反应导致大量热量的产生。隔膜融化导致内部短路,电能量的释放又增大了热量的生产。这种累积的互相增强的破坏作用,其后果是导致电芯防爆膜破裂,电解液喷出,发生燃烧起火。

值得注意的是,三元系电池相比磷酸铁锂电池,正极材料易发生分解反应,释氧。更加快速的发生热失控。以钴酸锂为例(如下),达到一定温度时,正极瞬时分解释氧,氧气与溶剂发生氧化反应产生大量气体和热量,导致快速发生热失控,极易燃烧。
       

SEI膜的分解反应(~100℃):(CH2OCO2Li) 2 → Li2CO3 + C2H4↑+ CO2↑+ 1/2O2↑
       电液的分解反应(~150℃):LiPF6 → LiF + PF5(Lewis酸
)
       C4H8O3 (EMC) + PF5 → C2H5OCOOPF4 + HF + C2H4↑
       C4H8O3 (EMC) + PF5 → C2H5OCOOPF4 + C2H5F ↑
       2C2H5OCOOPF4 → 2PF3O+ HF+ C2H5F ↑ + 2CO2↑+ C3H6↑
       LiPF6很不稳定,在加热或较高温度下就会分解。而PF5是呈强Lewis酸的高活性物质,其能使碳酸酯类溶剂热稳定性降低,并与之反应,在分解的气体产物中,CH3CH2F是该反应的特征产物。

        Li0.5CoO2的分解反应(~180℃)
        Li0.5CoO2 → 1/2LiCoO2 + 1/6Co3O4 + 1/6O2↑
        Co3O4 → 3 CoO+ 1/2 O2↑
        电液的氧化反应(~180℃
)
        5/2O2+C3H4O3 (EC) → 3CO2↑+2H2O ↑
        4O2+C4H6O3 (PC) → 4CO2↑+ 3H2O ↑
        9/2O2+C4H8O3 (EMC) → 4CO2↑+ 4H2O↑
        总氧化反应(以EC为例
)
        Li0.5CoO2 +1/10C3H4O3 (EC) → 1/2LiCoO2 +1/2CoO+3/10 CO2↑+1/5H2O ↑
        结论:O2与溶剂发生氧化反应是大量气体的重要来源,同时也是热量的重要来源。

磷酸铁锂的橄榄石结构带来的是高温稳定性。在热失控的化学反应中,在电解液喷出前大量发生的是分解反应,而非氧化反应,产气较少且慢,这正是磷酸铁锂相对安全的原理。磷酸铁锂相对安全,但并不意味着磷酸铁锂不发生热失控,不发生燃烧,近期的电动客车燃烧事故充分证明了这点。磷酸铁锂燃烧的主要原因是,热失控导致防爆膜破裂,继而电解液喷出。在此时高温的环境中,快速达到电解液的燃点,电解液燃烧,继而引燃电芯包裹材料等其他可燃物,进而加剧热量的散发,导致其他电芯发生热失控连锁反应。锰酸锂的尖晶石结构具有同样的稳定性,也属于相对安全的正极材料。
       
       
内部短路:由于电池的滥用,如过充过放导致的支晶、电池生产过程中的杂质灰尘等,将恶化生长刺穿隔膜,产生微短路,电能量的释放导致温升,温升带来的材料化学反应又扩大了短路路径,形成了更大的短路电流。形成了累积的互相增强的破坏,导致热失控。下面以钴酸锂电芯为例,简述一个典型热失控的过程。

        A:准备阶段,电池处于满电状态;
        B:内短路发生,大电流通过短路点,而产生热量,并通过LiC6热扩散,达到SEI膜分解温度,SEI膜开始分解,放出少量CO2和C2H4 ,壳体轻微鼓胀,随着短路位置的不断放电,电池温度的不断上升,电液中链状溶剂开始分解、LiC6与电液也开始反应放热,伴随着C2H5F 、C3H6和C3H8产生,但反应较慢,放热量均较小;(此过程用时约2秒)
        C:随着放电的进行,短路位置温度继续升高,隔膜局部收缩熔化,短路位置扩大,温度进一步升高,当内部温度达到Li0.5CoO2的分解温度时,正极瞬时分解,并释放O2,后者与电液瞬间反应,放出大量热量,同时放出大量CO2气体,造成电池内压增大,如果压力足够大,冲破电池壳体——电池爆炸;(此过程用时约1秒)
        D:如壳体炸开,极片散落,温度不会继续升高,反应终止;但如壳体只开裂,极片没有散落,这时LiC6继续与电液反应,温度会继续升高,但升温速率下降,由于反应速率较慢,所以可以维持较长时间;(此过程用时约8秒)
        E:当电池内部反应的产热速率小于散热速率时,电池开始降温,直至内部反应完毕。

      需要说明的是,大多数电池火灾,首先是内短路引发的,其热量和温度对相邻电池形成了“外部高温环境”,引发相邻电池热失控,导致整个PACK的连锁反应。


单电池内部短路温度分布

单电池内部短路电离密度分布

 

电机设计

ANSYS电机设计流程

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案例

直流无刷电机

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单相感应电机

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永磁直流电机

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轮毂电机

   概述      

随着资源的日益匮乏和人们环保意识的普遍提高,新能源汽车的开发越来越受到重视。新能源汽车的核心技术是电机、电池和电控三大块。其中,在电机驱动方面,永磁同步轮毂电机以其高功率密度、高转矩密度的特性在新能源汽车领域拥有很大的研究和发展前景。然而受安装空间及工作环境的限制散热条件却较差,发热与散热是轮毂电机必须面临的两大难题。

轮毂电机定义

传统电动汽车的传动方案是把电机的输出扭矩通过变速器和差速器等传递到车轮。

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传统电动汽车传动方案

轮毂电机的技术就是将电机装在轮毂内,不经过任何机械结构的传递,直接驱动车轮。就是这么简单粗暴!

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轮毂电机爆炸图

轮毂电机优点

轮毂电机通过把电机集成在轮毂内,高度集成化,具有以下优点:

  • 高效率

传统的传动系统由于结构的复杂性,每一级传动都有传动效率的损失,总体传动效率的损失还是很大的。而轮毂电机直接驱动车轮,避免了传递路径上效率的损失,可以提升效率,节省能量。数据显示,相对于传统的传动系统来说,轮毂电机可以提高8%~15%左右的效率。

对于电动汽车来说,效率的提升可以进一步增加续航里程。或者保持续航里程不变,电池么,就做小一点。另外,虽然轮毂电机比普通轮毂要重不少,但是对整车来说,还是减重很多的。对于电动汽车来说,减重意味着续航能力的增加,就可以把电池做的再小一点了。

  • 空间布置

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由于高度集成化,省去了中间一大坨传动机构,可以节省前舱的布置空间,以及四驱车辆的后排座椅的凸起,乘客可以享受更大的车内空间。上面那一坨变速箱就不需要了,前舱秒变行李舱不是梦。后驱车后地板上的“迷之突起”消失,啪啪啪更方便。

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  • 方便控制

由于电机直接驱动车轮,MCU(电机控制器)只需要一个简单的指令就可以直接控制车轮的转速和扭矩(而且精度非常高),可以很容易的实现非常复杂的控制。比如可以通过左右轮不同转速甚至反向旋转来实现差动转向,可以大大减小车辆的转向半径,甚至可以实现原地转向(不过对轮胎的磨损比较大)。另外,对于装备有四轮轮毂电机的车辆,可以更容易实现更高水平的制动能量回收利用率。理论上,如果轮毂电机扭矩足够大,可以回收100%制动能量,只是受限于电池组的充电功率。

  • 成本

理论上,由于节省了复杂的传动机构,机构更简单,零件更少,整车成本会下降。但是目前由于轮毂电机产业化还远远不够,而且技术被少数公司垄断,轮毂电机成本还居高不下。不过随着轮毂电机前景被各大车企看好,一步步实现产业化,这部分优势会逐渐体现出来。

  • 模块化

由于轮毂电机的高集成度,轮毂电机理论上只与车轮大小有关,所以更容易模块化,避免重复开发,可以缩短新车型的开发周期和开发费用。

轮毂电机的缺点和挑战

轮毂电机也存在一些缺点,遇到一些挑战。

  • 簧下质量增加

簧下质量的增加对操控性能的影响,主要体现在:

颠簸路况时悬架的响应会变慢

轮毂转量增加使加速响应慢

对于第1点,普通家用轿车不太敏感,对于更高级别的车辆,可以通过优化悬架结构来改善。至于说的第2点,电机本身的低转高扭特性可以弥补这一点。

  • 防震防水防尘的挑战

由于电机内置在轮毂里,工作环境要恶劣的多,而电机本身比较娇贵,所以对于防水防尘防震设计要求就很高。

  • 冷却/散热的挑战

之所以要散热,一是因为本身电机工作会产生热量,二是机械制动时会产生大量热量。


轮辋造型对风阻系数影响示意图

一般车辆的轮辋考虑散热,轮辐之间空挡较大(见下图)。

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普通车轮的轮辋造型


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BMW i3轮辋造型

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奔驰IAA概念车轮辋造型


由于轮毂电机具有高效率,高集成度的优点,与新能源汽车十分契合,在新能源汽车领域有非常好的发展前景。不过,由于轮毂电机增加了簧下质量,会影响车辆的操控性能,此外,还有很多防水防尘防震和散热的挑战需要克服。

总之,由于轮毂电机还没有大规模量产,成本居高不下,推广普及还需要一定时间。对于传统车企来说,一直以来的传统是,传动归传动,驱动归驱动,底盘归底盘,分属不同的部分,泾渭分明。一旦普及,传动系统将取消,驱动和底盘将深度融合在一起,对于传统车企的组织架构是一个非常大的挑战。传统车企想要推动这个变革,其决心不亚于壮士断腕。

面对多变的世界,悠久的历史和庞大的规模对于传统车企来说,是一个负担。是时候摆脱束缚、轻装上阵了。


案例

三维温度场仿真的目的是尽可能准确地对电机不同运行状态下的温升情况进行预测,然后根据仿真结果反过来对电机设计进行指导。需要强调的是温度场精确求解与很多因素有关,其中比较重要的环节包括仿真模型求解域选择、边界条件设置、数值计算模型确定、材料属性设置、热源加载等。

仿真模型确定 

轮毂电机温度场采用 ANSYS WORKBENCH 的温度场模块进行求解分析,结果的好坏与建立的仿真模型密切相关,一个好的模型从选取求解域及计算模

型到设置边界条件都有严格的要求。

求解域的选择 

轮毂电机体积较大且结构复杂,假如用全模型仿真,将占用大量计算机内存,花费大量时间,不利于做分析研究。为此,采用简化的单槽模型,即按均分法只对单个槽及其所覆盖的电机部件进行温度场分析,该模型含有热源、散热途径等全电机所具有的一切计算热的条件,能真实反映全电机温度分布,仿真模型如下图所示。 模型内容丰富,包括外机壳、内机壳、定子、槽绝缘、环氧树脂、绕组、定转子间气隙、转子、永磁体及轴;槽内绕组采用分层等效模型;定转子间气隙采用静止高导热系数空气的等效模型;优点是结构简单,计算量小。 

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边界条件设置 

轮毂电机温度场仿真需要设置的边界条件主要有两种:绝热边界条件和对流边界条件。单槽热模型虽只取电机的一部分,但却反映了电机内热量从轴到机壳传递的过程,全电机的温度分布可认为是多个相同的单槽模型组合后的情况,假如是全电机模型,将其按槽数平均分成多个单槽模型,由于各单槽模型的温度分布一样,相互之间没有热量交换,因此对于单槽模型周向中心断面均为绝缘面,应赋绝缘边界条件,如图下图所示;此外轴向电机各部件端面与空气接触,非强制对流的空气散热能力有限,可认为是绝热的,但绕组端部与周围各部件温度差异较大存在自然对流散热,因此轴向除绕组端部外均应设置为绝热边界条件。 

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水冷轮毂电机的热量主要通过对流散热的方式带走,对流边界设置是仿真的关键,模型中水路、机壳、绕组端部均有对流散热情况存在,这些面应设置成散热面,赋对流边界条件。

材料热性能对电机稳态温升的影响 

从材料热性能角度来说,电机稳态温升主要与材料的导热系数有关,对于本模型受温度影响导热系数变化较大的材料有水、铝、铜、45 号钢。 水的热参数随温度变化对电机温升的影响,主要靠改变散热系数实现的,为此采用流体软件fluent对其影响进行仿真。入水温度为 90℃,水路散热系数在考虑温度变化对水的热物理性质造成影响及不考虑的条件下,仿真结果如图下图所示。 

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将fluent求的散热系数作为对流边界条件赋在 ANSYS WORKBENCH 的温度模块里,完成在所有材料热参数随温度变化的条件下对电机温升影响的分析,仿真结果如图下图所示。

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电池包热管理

ANSYS新能源电池包散热仿真解决方案

在国家政策的大力扶持下,新能源汽车这些年得到了蓬勃的发展。作为新能源汽车的核心零部件,电池包的性能对整车性能的影响是非常大的,因此在研发阶段,各整车和零部件生产商对电池包的仿真分析都非常关注,而电池包热分析是其中很重要的一环。

一般情况下,电池包是由几百甚至几千个单体电池组成,CFD建模时往往会生成超过千万的网格,如果按照传统的CFD方法进行瞬态热分析,计算量是非常大的,不满足实际应用中对分析效率的要求。基于这一点考虑,ANSYS根据CFD热分析的特点,采用降阶处理的方式建立热分析等效模型完成瞬态热分析,大大提高了分析效率。

1、LTI ROM

如果只关注电池放电过程中监测点温度、单体平均温度或出口温度等单个物理量的瞬态响应特性,可以采用LTI(Linear Time Invariant) ROM降阶模型来进行热分析,大概的分析流程如图1所示:

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图1 LTI ROM流程

1.1.     建立CFD模型

这一步和传统的CFD热分析过程是一样的,根据实际的边界条件建立完整的CFD分析模型,并且计算出在不考虑电池发热情况下的流场稳态结果。

1.2.     生成系统的阶跃响应

热问题实际上是一个热系统的响应问题,分析的是不同工况下输出量(所关注的温度)对输入量(电池热源)响应。

这一步是要得到某个工况下电池包热系统的响应。

在上一步模型基础上给定阶跃输入(设定电池一个固定发热量)进行瞬态热分析,记录输出量的阶跃响应(就是在Fluent的monitor中保存相应的.out文件),当输出量不再随时间明显变化时结束瞬态分析。

1.3.     使用Simplorer生成LTI ROM

ANSYS在系统仿真软件Simplorer中开发了专门用于生成LTI ROM的工具(如图2),使用该工具可以根据上一步的阶跃响应文件(.out文件)自动生成LTI ROM,生成的ROM(图3)与原系统具有同样的系统响应特性,这样ROM就可以得出与原系统等效的分析结果。

在此例中,ROM的输入端是电池模块中16个电池的发热量,输出端是16个电池的平均温度。实际案例中,输入端和输出端的数量都是可以根据实际情况来设定的。

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图2 LTI ROM萃取工具

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图3 在Simplorer中生成的LTI ROM

1.4.     在Simplorer中完成仿真

生成LIT ROM之后,就可以在ROM中(图3的左边端口)给定任意工况下电池的发热特性(图4),得到各个电池的平均温度随时间变化的结果。

在Simplorer中只需要经过几秒就可以得到一个新工况的仿真结果,即使加上前边3个步骤,计算时间也一般不会超过1个小时,远远小于传统CFD瞬态分析在多核并行情况下几个小时甚至几十个小时的计算量。同时,从图5可以看到,由于LTI ROM与原电池包热系统具有相同的响应特性,降阶处理之后的分析结果与CFD分析结果完全一致,计算精度上不会有任何损失。

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图4 电池任意工况(发热量随时间的变化曲线)

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图5 CFD瞬态分析结果(实线)和ROM分析结果的对比(点线)

2、SVD ROM

LTI ROM可以得到任意电池任意工况下各关注点温度随时间变化的结果,比如任意监测点温度、单体电池的平均温度或出口平均温度等,但无法得到电池包温度场随时间变化的可视化化效果。

要生成温度变化的可视化效果,需要用到另一种降阶处理方法:SVD (Singular Value Decomposition) ROM。

SVD ROM的分析过程(图6)和LTI ROM过程是类似的,需要通过Simplorer中的SVD ROM萃取工具生成ROM,不同的是SVD ROM在过程中保存的是温度场的响应数据,而最后需要在Fluent中通过后处理生成温度变化的动画(图7)。

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图6 SVD ROM流程

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图7 电池包温度变化动画

3、ECM

由以上介绍可以看出,LTI ROM和SVD ROM都需要给定电池的热源特性才能得到相应的分析结果,这样就会有两个问题:

a)  电池的热源特性是通过试验测试得到的,某些情况下可能会由于条件限制而无法获得该数据;

b)  电池的放电过程受温度影响,因此电池放电发热导致温度升高,这样又会反过来影响电池放电,如果直接指定电池的热源就无法考虑温度反馈带来的影响。

因此,ANSYS采用现已成熟的电池等效电路模型(ECM)来模拟电池的放电过程,通过ECM与ROM耦合的方式来解决前边提到的两个问题。

和ROM工具一样,ANSYS在Simplorer开发了专门用于生成ECM的工具,大概流程如图8所示。

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图8 ECM建模流程

3.1.     获取电池充放电曲线

需要通过试验测定单体电池的两组特性曲线数据:

a)  开路电势 vs SOC曲线(open circuit potential vs SOC (state of charge) )

b)  脉冲放电情况下的瞬态电势(transient potential under pulse discharge)

3.2.     生成ECM

这个和ROM生成过程一致,基于上一步的试验数据,在Simplorer中使用专门的ECM萃取工具生成单体电池的ECM模型。

3.3.     搭建电池包电路模型

根据实际情况,将单体电池ECM模型通过串联或并联的方式搭建电池包的电路模型,其中还可以加入电机、电阻负载等电路元件。

3.4.     在Simplorer完成电池包电路仿真

模型搭建完成之后就可以在Simplorer中进行电池包电路系统的仿真分析,得到各种电池特性曲线,其中电池的热耗散可以作为CFD分析的热源输入数值,用于与ROM的耦合分析。

4、完整的电池包热分析模型

由以上介绍可知,ANSYS是在Simplorer这一个平台中创建了LIT ROM、SVD ROM和ECM三个模型,在这基础之上,就可以搭建如图9所示的完整电池包热分析模型。

在这一个ECM和ROM耦合的模型中,ECM计算电池热源的热耗散并把数据传递给两个ROM,其中LTI ROM计算出电池的平均温度并把此温度反馈回ECM,这样就可以考虑温度对电池放电的影响,而SVD ROM则计算并保存了整个温度场分布随时间变化的过程。

从图10可以看出传统CFD分析方法和降阶处理方法在计算时间上的差别,按传统CFD分析方法进行瞬态分析在单核计算情况下需要约5个小时,而降阶处理方法仅仅需要耗费几秒钟,即使加上生成ROM的时间也不超过半小时。而且在实际应用中,模型越大,这种时间上的差距就越大。

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图9完整的电池包热分析模型(ECM和ROM耦合)



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图10 对比数据

5、总结

热分析是电池包设计中比较重要的问题,而电池包瞬态热分析的计算量比较大,不满足实际应用中对分析效率的要求。ANSYS采用降阶处理的方式,通过LTI ROM、SVD ROM与ECM耦合方法搭建了完整的电池包热分析模型,从结果可以看出,这种方法不仅保证了与传统CFD分析方法一样的精度,还大大缩短了计算时间,提高了实际用于中的分析效率。

 

 



电池结构仿真

       动力电池作为新能源汽车的核心部件,其使用性能和寿命严重影响着其产业的发展。锂离子电池以其体积小、比能量高、循环寿命长、环境污染小和安全性高等优点成为电动汽年的首选电源。其超高的能量密度虽然可以缓解续航里程短的缺点,但由于动力电池发热带来的安全问题却非常严重,各大动力电池生产企业都在竭力寻找解决此问题的捷径,有限元仿真技术便是捷径之一。仿真技术作为智能研发必不可少的一种使能工具,应用范围非常广泛,可以说“无处不在”。

按照SAE J2464标准进行电池电池组的CAE仿真


      跌落分析

目标:按照SAE J2464标准进行电池电池组的跌落分析

工具:显式动力学模块

网格 & 接触:避免使用金字塔网格,保证网格可以用于所有类型的分析

            可能破环的接触位置定义为超过150MPa后自动分离

载荷 & 边界条件:电池从2米高以45度角跌落 •为节省分析时间,定义接触前的跌落速度作为初始载荷

结果:套件的上下位置分离

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      自重作用下的变形分析

目标:分析支撑底座在电池自身重量作用下的变形情况

载荷:重力

约束:固定电池底座的安装位置

结果:电池顶部有较大的位移 •应力在许可范围内,最大应力出现在最大应变位置相对的支撑位置

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      预紧力作用下的振动模态分析

目标:分析电池部件在预紧力下的振动模态

分析设置:由于随机振动载荷高达190 Hz,分析中需要考虑1.5倍范围,因此分析频率高达250Hz

约束:由于分析预紧力下的工况,因此约束是由静力学分析获得

结果:提取了32阶模态 •80%的质量分布在三个方向,随机振动模拟的精度足够

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     热分析

目标:对电池模块进行热应力分析

载荷:热载荷由MAXWELL进行电磁场分析获得 •电池模块固定在底面上

结果:分析热应力和变形是否导致部件的失效

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燃料电池仿真

       

       燃料电池(Fuel Cell,FC)是一种以电化学反应方式将燃料(氢气)与氧化剂(空气)的化学能转变为电能的能量转换装置。

       燃料电池内部热平衡与燃料电池的性能、寿命和安全紧密相关,其热管理本质是对传热进行控制以保持电堆内的温度,而热管理控制策略将决定其控制目标效果最优。

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