2023Siemens Simcenter Battery Design Studio快速电芯设计工具.docx

福星蓝设计SimcenterBatteryDesignStudio应用聚焦*仅当添加或修改主要相关内容时,本演示文稿才会更新。因此,本演示文稿可能不会在轩个版本都更新。SIEMENSUnrestricted|©Siemens2022SiemensDigitalIndustriesSoftware数智今日，同塑未来。概述电芯设计和建模为何势在必行？SimCenterBatteryDeSigrStUdio中的电芯设计和深入了解电芯设计：电芯设计工作流程电芯设计模型的测试数据拟合应用示例扩大电池单元建模范围SIElVlENS目录概述：快速电芯设计创新电芯设计建模为何势在必行?高功率和能量密度运输电气化提高效率、可靠性和安全性清洁能源政府指令缩短设计到制造的时间快速分析多个设计变体减少耗时的原型设计成本降低成本操作成本维护成本额外的化学和反应更广泛的工作范围新工艺和材料电芯设计建模如何应对挑战？I-高功率和能量密度提高效率、可靠性和安全性清洁能源政府指令快速分析多个设计变体减少耗时的原型预测和了解真实物理现象： 在能量、功率、成本、安全性和使用寿命之间做出权衡 电池单元的容量和电流电压特征 电池单元的虚拟制造和测试 研究限制电池单元容量的额定基础物理特性I-设计成本 操作成本 维护成本I-额外的化学和反应 更广泛的工作范围 新工艺和材料工程创新在开发早期探索各种设计变体: 尽可能提高总体性能 优化电池单元内的材料使用 降低电池单元质量，增加容量 尽量降低阻抗，延长使用寿命 创新电芯设计应用能够对各种电池单元类型建模一系列的IET （电流、电压、温度）模型提供不同的保真度功能广泛简便快速设置快速且准确灵活的材料数据库跨供应链协作智能设计探索>支持一系列的锂离子(Li-IOn)电池单元类型： 简单(用于纽扣电池单元或平行板电池单元) 叠放板电池单元 螺旋缠绕式电池单元Simcenter STAR-CCM+选择IET模型可实现保真度、运行时间和精确度之间的平衡: 用于放电和热分析的简单模型 用于对频繁充电/放电建模的电阻/电容模型 详细的电化学和热模型，用于捕获输运动能和老化简便快速设置一种导航模拟树的简单方法，有助于设置： 电极（活性材料、粘合剂、助剂等） 隔膜、收集器、极耳 物理模型用于了解复杂的相互依赖性和复制试验台结果的数据分析工具: 配置文件查看器 输出查看器 物料清单 芯卷查看器功能广泛简便快速设置用于平衡速度和精确度的灵活组合法：各种建模选项的瞬时或近瞬时结果将电化学电池单元性能模型耦合到热电池单元性能快速且准确rNegativeplateEcellgrid极流集负电收器极流集位格元正电收单网单快速且准确可以选择模型的离散化级别来平衡计算时间和精确度对于快速且准确的模型，每个IET模型都可以在3D或ID模式下以单个或多个电子网格单元网格运行。对于电池单元中温度变化更加明显的较大格式电池单元，3D模型效应尤其重要。ID模型运行起来明显快得多，在许多情况下足够用。灵活的材料数据库快速访问材料属性数据的通用数据库轻松创建和编辑材料数据的记录访问材料图和图表灵活的材料数据库内置材料数据库提供:一系列活性材料、粘合剂、导电助剂、添加剂、极耳、金属带、收集器、隔膜、封装的材料属性数据用于轻松定制材料以及创建新条目的属性编辑器详细信息，例如电压平衡曲线、嫡、扩散系数输入、插入表、反插入表DatabaseToolsWindowAdditivePropertiesThermalVoltageEquibriumEntropyMode:LinearInterpdatnnVView:EJnsertkxi,VoltsChartHysteresisDisableOCVrulesIrtSerbonTabIeBusbarCollectorConductivityAidHardPackagesInternals1.ilonMaterialPouchPackageSaltSeparatorSolventTabTapeNoDcEJnSertion,VOItSChld6nsdx,VoltsChartd2Bnsd×2,VoltsChartDeinsertjonTableE_deinserbon,VoltsChartdEdeins/dx,VoltsChartd2Edeinsdx2,VoltsChart跨供应链协作电池设计流程通常涉及整个供应链中的多个利益相关方在共享机密性能数据的同时保护知识产权的能力对于实现协作而言至关重要SimcenterBatteryDesignStudioEncryptedFilCellDesigner/SimcenterSTARCCM+ Buttoncell Formulations TestresultsMaterialsDeveloper(cathode,anode,separator,electrolyte,etc.)MSCellBuy( Modelselection Electrodes,incl.tabbing Separator Cylindrical,prismatic,pouch Performanceestimation Modelselection SeriesZParaIIeIcells CoolingModule/PackDeveloper优化跨供应链的电芯设计 SimcenterBatteryDesignStudio可以加密您的设计，保护您的知识产权。 虽然加密的电池单元可以按常规方式测试，但不能编辑或查看任何细节。 加密可以保护设计不被无意或有意地修改，并且限制对商业敏感设计的访问。功能广泛简便快速设置快速且准确灵活的材料数据库跨供应链协作智能设计探索Process Automation自动化工作流程，将几何和分析工具链接起来并有助于快速更改设计智能设计空间探索算法，可更好更快地深入了解并查找更好的电芯设计 尽可能提高总体性能 优化电池单元内的材料使用 尽量降低阻抗，改善寿命功能 SimcenterBatteryDesignStudio包含数据拟合工具，用于根据实验测试数据回归模型参数，从而提高模拟的可靠性 可以使用内置功能轻松执行设计参数扫掠 此外，在执行多目标优化研究时，SimcenterBatteryDesignStudio也可以由SimcenterHEEDS马区动总结深入了解：快速电芯设计概述电芯设计和建模为何势在必行？SimcenterBatteryDesignStudio中的电芯设计和建模深入了解电芯设计：电芯设计工作流程电芯设计模型的测试数据拟合应用示例扩大电池单元建模范围目录SIEMENS电芯设计工作流程深入了解Unrestricted|©Siemens2022SiemensDigitalIndustriesSoftware数智今日，同塑未来。SimcenterBatteryDesignStudio工作流程tCalibrationMeasurements电池单元性能要求数据输入电池单元性能要求y结果后处理要求（示例）长度/宽度/高度106/71/275mm标称容量200Ah标称电压3.2V权重5.7kg内部阻抗<=0.5m充电截止电压3.65V放电截止电压2.5V最大充电电流200A放电温度-20-55过程10封装和生成器电池单元电压IET模型优化 通常，初始电芯设计需要满足以下要求或限制: 电池单元尺寸及其量纲（限制） 所需的放电曲线 规范： 标称容量和电压 权重 充电和放电截止电压 最大充电电流 最大恒定放电电流 温度范围性能几何输入电极输入隔膜输入电解质输入电芯设计类型可以使用以下电池单元类型的模板定义液态和固态电池： 螺旋 叠片 棱柱体 可以对两种类型的固态电池建模：类型1装满固体电解质的多孔正电极（具备固体电解质隔膜）和薄膜锂金属负电极类型2-装满固体电解质的多孔正电极（具备固体电解质隔膜）和负极插入电极性能几何输入电极输入隔膜输入电解质输入电极多层涂层 使用分布式3DIET(DIST)模型时，配置单层或多层电极涂层 正负电极可以应用不同的涂层定义1种涂层定义2种涂层定义3种涂层FormulationNameDensitygcm*PorosityFractionCoatDensitygcm*SingleSideCoatThicknessmm口SingleSideLoadingmgcm*1NiCoMn-Ll-F4.23302503.1750.009202.921X2NiCoMn-L24.2330.2503.1750.021606.858X3NiCoMn-L344.2330.2503.1750.009202.92110性能几何输入电极输入隔膜输入电解质输入封装和生成器电池单元电压IET模型过程优化ILikXbSpiraiJ-blonSpiral.WmCHtypLilOrASPolBuilder.DetailedulderModelhtlNomelBOS.SimpleFormeiion0Distnbuied3DNTGPTebIe3DDRCftTaWe3D0DisfriXJted0GeneroJEIectOMeTyPeThermolElacgyieNameValue:Optxmzetionname1.eereblonk4ncAOpOmizabtea口PhysicalCdlDescription亨3-EiectrodeC-Electrode-Qj!.Formulation口FormCompI:ActiveMaterialS&IEquiIDdtaftActiveMateriaisolidDiffusionProperTies* m.bHeatCapConst=O* m.bPlarity=O* m.bTCondConst=O* m.bUseHysteress-1* m.dCost«18* m.dDCoeftjn2pefs=6J4e013* m.dDLength.m=5e-006Am.dDensity.gpercm3=225:mjtEaOPropertiesThermalVoitageEquilibriumEntropyMode:LinearInterpolatkxiVView：EJnsertion,VoltsChartHysteresisDisableOCVrulesInSertionTabieNoDiEjnserbon,VoltsChdBns/dx,VoltsChartd2Einsd×2,VoltsChartDeinserOonTableEJdeinSertion.VoltsChartdEdeins/dx,VoltSChartd2Edeirsdx2,VOItSChart电极充电/放电磁滞对于电极中的所有活性材料，可以对充电/放电磁滞建模磁滞源自充电和放电过程中的非对称反应路径，它们会导致不同的相和电化学电势下降对于DlSTNP模型，可以为锂插入和反插入定义不同的电压曲线和/或皤曲线，以便在充电和放电过程中使用隔膜输入电解质输入22J Separator.Ceard 2320-PUaH5I X ICancel lJ XSepdfator:F2400密值PhysicalThennalThickness,254»Width,mmPorosityr%38.0SoldsDensity,gns0.900MadMdin95(XX)COStO$/kg$Arp2.00ManufacturerCeIgardILC隔膜隔膜用于分离各种化学反应组分，以限制反应率。隔膜数据库包含一系列的材料以及对应的厚度、孔隙率、MacMuIIin数量和密度等数据封装和生成器电池单元电压IET模型过程优化性能儿何输入电极输入隔膜输入电解质输入10Bectroiyte:LiPF6-3ECTEMC|JUmmaryLiPF6-LithiumHexafluorophosphdteEC-EthyieneCarbonate的C-EthylMethylCarbonateTypeNameSolvent,'WeightFractionSolventVolumeFractionMolalitymol/kgsolventSolventDensity"gcm3Cost$/kgWeightFractionVolumeFraction1SaltLiPF6-Lithiumhexa1.04025.000.1360.1022SolventEC-EthyieneCarboi0.30002451.32110.000.2590.2203SolventEMC-EthylMethyi0.7000.7551.00014.000.6050.678<Add>1.0001.0001.0401.07914.46电解质模型属性可以从电解质数据库中选择多种盐和溶剂来定义电解质，具体情况取决于可以选择的温度和导电率。还可以修改下列参数： 导电率 扩散系数 输运# 活动 导热率 热容 密度性能几何输入电极输入隔膜输入电解质输入XX-XNMaterialNoe1NylonThickness,Density,gcm,40.0001.40ZAIummum(1100)3 Polypropylene4 Aluminum<Add>40.0002.7040.0000.90180.0002.70EfeCtrodeSstackOvetwrapOffsetsSectrodesStackOrientationEndBecvodesPositiveTdbBothNeQageMBotbPotevtOvenwapOffsetslsdeang10封装和生成器电芯的封装不仅会影响热性能，也会影响总体产品设计SimcenterBatteryDesignStudio支持下列电芯/封装配置： 小袋封装中的叠放板电池单元。 小袋封装中的螺旋缠绕式电池单元。 罐封装中的螺旋缠绕式电池单元生成器模拟制造工艺，根据几何和电化学属性构建模拟电池单元，并报告电池构建过程中的错误。性能几何输入电极输入隔膜输入电解质输入电池单元电压电池单元电压页面有助于定义如何对电池单元运行各种测试，以及如何定义电池单元工况。必填项： 形成时的电池单元化学计量（为获得这些参数，可以模拟形成过程） 电压限制 电池单元的状态性能几何输入电极输入隔膜输入电解质输入电芯设计HEV/PHEV模块/电池组RCRDistnpnpr1=(Rpl+RJC1AnodePo>ml)ict11jtPoromAclhcNa小eS<p皿“rR-'BinderAnodc(ollcdorHCtfMMkCollrctorConducthrCjathcidc-ddhhrAcfhc求解输运和动能方程，完全特征化电池单元快速响应频繁的充电/放电，例如HEV/PHEV能量储存10IET模型电芯设计建模中的保真度简单、易于创建的模型，最适合简单的放电和热分析性能分布式3D(DIST)物理模型方法多孔电极模型可以在其公式中考虑多个颗粒，指定合适的动能、交换电流密度和固态扩散类型,这些都取决于温度和浓度。分布式3D模型考虑收集器和电池单元上和彼此之间的电流分布必填项电池单元组分几何-电极、收集器、分离器等电极-公式、平衡电压曲线、孔隙率、弯曲度、颗粒尺寸、厚度等何时使用？根据基于物理的电化学模型对电池单元完全特征化，求解输运和动能方程锂离子电芯设计建模ExchangeCurrentOptionsOConstant,AAnA20.0001(三)CustomTypeHiO,Am2(atTerIArrheniUSiO,Am2RowsTemP.3298.001K),A/mA26_7IET模型DIST模型-交换电流密度输入交换电流密度是处于平衡下的电流：氧化和精简的组分与电极交换电子的速率。Fieff=即飞r指前因子(io)不总是常数值，因此它可能具备以下数据类型中的任意一个 常数 阿雷尼乌斯性能儿何输入 3D表电极输入隔膜输入电解质输入Deff= D-RT4 DJq建D=D。信 MT)警rerp.,K 29iQ le-005DtfFusion Data TypeDiffusrvity OptionsOConstantSolid-Staftc DiffusionLengthZradus. mIET模型DIST模型扩散系数输入 可以选择各种扩散类型 线性(默认) 合金* 插入*其中：、E是电极平衡电势。x是插层的度。 可以使用合适的方法定义指前因子(DO)以描述插层: 常数 阿雷尼乌斯 3D表 ,4InterpretationofpotentialintermittencetitrationtechniqueexperimentsforvariousU-intercalationelectrodes"，作者M.D.Levi等人，J-2002年发表在CondenSedMatterPhysics第5卷第2(30)期329-362页性能IET模型封装和生成器电池单元电压电解质输入过程优化几何输入电极输入隔膜输入Celtype:IUOrASWalBuWei:IDetailedBuiderModdlotNarrCBDS-SimpteFofmabon DrstrbUed3D NTGPTaUe30 RCRTabte3D Drstrbuted GeneralEtecdyteNameValueOptjmeationname:Je_IETIETIETIETThefmaElectrdyteIm-bPrevenEtectroiyteDeteb1.eaveblanktfnotOptimeaNeIT_JDtStrbaed30)CjNeoatJYe3CPotN三LMCdModd* 4mj)lumpedEnergya11ce1* mJ>Orty1D-0-emeeeeeee.* m-bPrevetBectrotDP*<w11,1=m-bPrtntScSdPhaiePhe三1=mJ>PrirtUritCeIftrrfiw*O* mj>UseOnIyOeEceI-OGm_bshortReportRag'O=m.dGUIHeatTrea三42.7=EJudeCharge_A.0amdUonModdBweVeon-1rm.dtocUmCdlModlTmeaep1.79789e*308=m-d4>de<Vefo«6* m-dNegBhjggeman三05* 4m-dNcg0rggemanRE>1* m.dNeoColectofPasteCftactR.Ohmjn2-O* m-dNegBrdeECond三1=medNegPostR-phm三Oam-dNegTabR-ohm»O* m_dNegTermnalRohmOPm,dPoBfgge<na«0.5三tmdPzAnt11AMnAnPr*Pvnx110IET模型DIST模型-短路模拟在短路模拟中，正电极中的液相浓度归零。在SimcenterBatteryDesignStudio中，我们可以将罚函数应用到动能方程中的过电位，在液相浓度归零的过程中，驱动电流归零。Current MQrrtor PJoi0.2Prrsica Tkne ts)性能几何输入电极输入隔膜输入电解质输入国CIaPUllNegSefieXPdM(OhmcrrfJNegSEMckllm)Nep$S的18幽IPsSWLoMPoSeiRe如模拟老化DIST模型-日历和循环测试在初始充电放电循环（形成过程）中，电解质与电极的活性材料中的锂发生反应，形成一层薄薄的钝化膜，即固体电解质相间（SEI）层。层厚度随时间、温度和电池单元电压发生改变。SEI老化实施计算SEI电阻和锂损耗量，模拟随时间变化的下列效应 增加阻抗和温度 降低容量 缩短循环寿命 增加SEl层厚度 减少可以循环的锂 持续减少电荷（SOC）性能几何输入电极输入隔膜输入电解质输入Time(days)DIST模型模拟储存过程中的自放电 为了解储存已放电状态下的电池单元带来的风险，可以模拟未连接到负载时随时间变化的容量（电荷）损耗情况。 由于SEl增长导致锂损耗，自放电会造成电压下降。在非常低的电压下，铜电流收集器会发生腐蚀，影响电池单元的完整性性能几何输入电极输入隔膜输入电解质输入DIST模型热滥用建模 扩展的Dahn模型可用于定义热失控过程中发生的每个反应的物理现象。 电解质和正电极之间的反应 负电极SEI的热分解反应(90-120oC) 电解质和负电极之间的反应(>120oC) 电解质的热分解反应(>200oC) 下列过程可用于对热滥用/失控反应建模： 加速率量热计法(ARC)-电池单元储存在绝热条件下，通过虚拟方式监视材料分解。 烤炉测试模拟电池单元的烤炉暴露测试的测试。“ThermalModelofCylindricalandPrismaticLithium-IonCellsn,作者T.D.Hatchard.D.D.MacNeikA.BaSU和J.R.Dahn,于2001年刊登在J.Electrhem.Soc.148(7)A755-A761(2001).性能几何输入电极输入隔膜输入电解质输入封装和生成器电池单元电压IET模型过程10优化=(Rpl+Rd)Cj2=Rp2C2锂离子电芯设计建模MOlMmMCSran9<Pa9TabtePage>ratSt9n9s11UseExpanfiofVContrMon，0(00Rows13w.,29,1SlOCN.OOech.®Bolbg320SOC(01Vo,Vo*Ro.ohm-m2'Rp,obm-mA21U11$102308110202Ooo2302674.527232OOlUOOOIlo20200226745272330.025230X011020202302674.5272340X»12OWI1O2Q2(U»23026745272350.1U3850X01101440002112974.26693602U6820811015500169933.64517703M926OooloeIS300006319182.88»0.5161290W1031S3O100O2619642713366工719OXO100MOOOOS59823.91襁0.7U251081007010000251454.5JW308工9192OWOI508000X64354.72T980.931308105109CUX)03175885.6314142081051800003175885.63¼RCRTabIe3D等效电路模型方法 根据电池单元的阻抗、温度和充电状态开发了RCR模型，以根据电流/电压关系的简单电路表示提供精确的充电状态。 可以选择多个RCR单元来增加保真度必填项 开路电压 串联电阻和极化电阻 时间常量电极、封装的电池单元组分几何细节用于单温度或多温度 充电状态何时使用？ 拟合实验数据，为电动车辆或储存应用创建等效电路模型。ModdSchemabcSeWnesPageTeWePageNumencaISettingsModelSettings10IET模型RCR3D模型电池单元的扩展和收缩电池单元通常装载一定的压力，以便在峰值性能下长时间工作，因为电池单元会随着SOC的变化而扩展和收缩SimcenterBatteryDesignStudio可以计算电芯的厚度增长或应力IJn2wtw¾hDbyEnlTsiv*S0C*wa2J0|1C>0.|性能几何输入电极输入隔膜输入电解质输入IET模型RCR3D模型经验老化模型C=CQ-(acyV-ao)l6eftrt-每仲-v)2÷Pc,VO+BCDODADOD-BCP(P-c,pf)2QCqResistance GfOWth EquationR = RO-伍W V -avo)105e-rr trt-W,v(0U M/)，PrVQ + rJ)OD ADOD -BrP(P - Sr,P/)1 Q"CO1ac,v, Volts17.543%仲 Volts23.75Edc Alvins6976Ct0.75BCy0.007348cvf. Volts23.667SCyQ0.00076eJ)OD0.004081Cq0.5BCP0epf>kPa0Capaoty Fade InputsRO1ar,v,Volts15.27aryo, Volts-16.32Ei Kelvins5986rt0.75r,v0.02153rVf> VoltS23.725r,V0-l521e-0!rJ)OD0.00027961r.P0BrPf，kPa0Resstance GrOwth Inputs该模型帐户采用数据驱动方法捕获日历老化和循环老化°将相应地计算电池单元容量损耗和电阻增加。老化的原因多种多样：时间、循环深度、温度、电荷通量、电压和压力相关性性能几何输入电极输入隔膜输入电解质输入封装和生成器电池取元电压IET模型过程优化锂离子电芯设计建模DIST模型RCR3D模型NTG3D模型*F电电。东有生丝厂gSootyvsETcmp., KSOCO-1)IVb.VoteIY.SAn21O2799979000.0129G5797024G2I0023.04222497182I003309313415801I00431337368944I005316708339185I006319948314433I0.07323337291G43I008326604272555I0093»481257941I0133203924642I匚12-358FW五NTGPTable3D物理模型方法NTGPTabIe3D模型使用电极上的恒定电流密度以及收集器中的热生成，根据电池单元的几何预测电池的电势和温度。必填项电极、封装的电池单元组分几何充电状态细节用于单温度或多温度开路电压导纳何时使用？拟合实验数据，为恒定充电和放电循环创建等效电路模型。用于将充电/放电物理现象的实验测试数据从较小的电池单元扩展到较大的电池单元锂离子电芯设计建模(a)(b)离散锂离子电池单元，（a）使用多个电子网格单元进行 3D建模和（b）使用一个电子网格单元进行ID建模多个和单个电子网格单元建模方法 可以应用单个电子网格单元获得电化学压降，解析电池单元内的电流分布。 平均电流密度和单一电子网格单元可用于计算应用到完整电池单元中所有其他单元电池的单元电池阻抗，计算电流分布。 一个电子网格单元近似对于分布式3D模型最有用，因为它可以显著缩短计算时间。必填项 电极和封装的电池单元组分几何描述何时使用 希望使用ID单元电池比3D离散更快地获得模拟结果，但精确度略低 电池单元上没有明显的温度变化IET模型过程优化封装和生成器电池服元电压过程模拟实验用户可以定义并运行各种过程，模拟真实的驱动循环，监视性能。以下类型的过程：循环仪过程循环仪过程模拟充电放电循环，就像在实验室环境中在试验台上执行的循环一样。EIS过程EIS测试可以测量电化学电池单元对应用的正弦电流的电压响应。OUtTeSter过程OUt测试使用实验数据进行模拟在任何电池单元上，多个过程均可作为一次测试。性能几何输入电极输入隔膜输入电解质输入过程后处理结果可以使用各种后处理工具监测和查看结果。 配置文件查看器 显示2D和表面绘图 显示堆放板电池单元的热物理现象。输出查看器电池单元性能可视化和绘图工具。芯卷查看器查看配置、绕组模式，确保没有因不均匀电极平衡导致的短路。如果正电极过量或负电极堵塞或封装，也会导致锂电镀。（请参见右图）性能几何输入电极输入隔膜输入电解质输入过程优化封装和生成器电池单元电压IET模型Ce:IDocumeriotionInputaw11eTCfmnabonCo