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西门子吴成涛:Simcenter-新能源锂电池的仿真研发解决方案

2022/1/11 8:28:37

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在刚刚结束的由大东时代智库(TD)联合西门子、宇航股份举办的“2021锂电池数字化(大湾区)供需对接会上,西门子仿真产品经理吴成涛带来了《Simcenter-新能源锂电池的仿真研发解决方案》主题演讲。

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他从锂电池行业的需求和挑战、全面的多层级锂电池仿真解决方案等话题展开讨论分享,吴成涛表示,锂电池性能需求具有多样性,其中就包括锂电池具有更高的功率及能量密度、可靠性和安全性,锂电池制造商考虑性能等因素、OEM需要考虑在真实工况下的性能。


以锂电池设计仿真面临的挑战来看,主要体现在三个方面:复杂的多物理场问题,复杂的仿真模型,复杂的仿真环境。


随后,吴成涛进一步介绍了西门子锂电池整体解决方案—研发数字孪生Simcenter,其可以提供全面的多层级锂电池仿真解决方案,包括5个层级,分别为活性材料研发、电芯设计、生产工艺、电池整包系统集成及性能预测和复杂的电池系统开发。


具体来看,在活性材料研发方面,吴成涛表示,西门子微观结构电化学-Simcenter STAR-CCM+可以预测微观电极结构区域内的离子和电势空间分布,包括固态和液态区域内的电势、电解液中的盐离子浓度、活性材料中的锂离子浓度。


电芯设计方面,西门子电芯设计-Simcenter Battery Design Studio能够设计分析电化学反应和详细电芯几何,其中,电芯设计、设计优化、识别电芯等效电路模型参数、电化学物理模型和等效电路模型、仿真里面的循环工况、老化、滥用等都可以进行设计分析。


“在生产工艺优化方面,搅拌、涂布、滚压、干燥、注液、化成六大步骤形成了西门子的生产工艺-Simcenter STAR-CCM+方案。”吴成涛说。


而电池整包系统集成及性能预测方面,吴成涛介绍了西门子电池模组/整包设计-Simcenter STAR-CCM+ & HEEDS解决方案,其可以分析三维电池模组和整包流场、温度和电化学性能。同时,电池包热失控/老化分析-Simcenter Amesim方案可以研究充电控制策略对老化的影响,了解产生热失控的条件,增强电池的寿命,而电池包结构强度振动疲劳分析Simcenter 3D,可以分析电池包结构的损坏情况,检查疲劳寿命是否满足不同负载条件下的要求。同时可以考虑1D和3D耦合求解,提升精度的同时,减少求解时间。


吴成涛表示,复杂的电池管理系统开发方面,西门子基于模型的控制策略的BMS开发、遵循标准的底层软件设计以及ECU硬件设计、电子散热分析、控制算法(MiL-SiL-HiL)验证。其优点在于使用Amesim中的可用模型(热、电池、DC/DC转换器等)评估BMS的性能,但开发和验证优化的控制策略也是需要面对的挑战。西门子和LG联合在 HiL平台上的 BMS 验证方案,可以在Amesim建立的虚拟工控机上进行电流和电压监测、温度控制、接触器控制、电池平衡控制。


最后,吴成涛对Simcenter—新能源锂电池的仿真研发解决方案,在电池包设计、能源和热管理;车辆集成和验证;装配与数字化制造中的各层级应用进行了总结。