電動汽車鋰離子電池
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時間：2021-09-30
電動汽車鋰離子電池的視頻教程
關(guān)于 ECM 鋰離子電池、單節(jié)電池和電池組（帶冷卻和不帶冷卻）的 CFD 仿真
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電動汽車鋰離子電池的實(shí)例教程
0 引言
鋰離子電池性能檢測是提高其安全性與可靠性的有效舉措。目前世界范圍內(nèi)各組織均已制定或研討有效的方法標(biāo)準(zhǔn)對電池的安全性能進(jìn)行檢測。2009年美國頒布的SAEJ2929:2013標(biāo)準(zhǔn)《電動和混合動力電池系統(tǒng)安全標(biāo)準(zhǔn)》涉及到電池組和整車級別的安全性檢測；2014年國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）制定了標(biāo)準(zhǔn)ISO12405-3：2014《電驅(qū)動車輛-鋰離子電池動力包及系統(tǒng)檢測規(guī)程第3部分：安全性要求》針對電池組以及電池系統(tǒng)的安全性提出了要求，為汽車廠指明了可選擇的檢測項(xiàng)目以及檢測方法；2015年中國發(fā)布了GB/T31467.3-2015《電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統(tǒng)第3部分：安全性要求與檢測方法》標(biāo)準(zhǔn)，主要圍繞電池單體以及模塊提出了檢測要求，給我國電動汽車檢測提供了方法。
作為鋰離子電池性能檢測中最重要的安全性能檢測，一直是人們關(guān)注的重點(diǎn)和難點(diǎn)，本文通過調(diào)查分析國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于過充電保護(hù)、過放電保護(hù)以及短路保護(hù)等安全性能檢測的異同點(diǎn)，旨在建議我國關(guān)于鋰離子電池安全性能檢測的發(fā)展趨勢，有效預(yù)防安全事故的發(fā)生，促進(jìn)鋰離子電池行業(yè)的健康發(fā)展。
1 電氣安全性
1.1 過充放電
過充放電檢測是檢查過充電與過放電保護(hù)系統(tǒng)的功能性。該功能系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)控制充放電電流的過載從而達(dá)到保護(hù)工作狀態(tài)的電池設(shè)備免遭荷電狀態(tài)超越最大極值或者低于最低極值誘發(fā)安全事故。
電池組或者電池系統(tǒng)與整車級別的過充放電檢測是有差異的。GB/T31467.3-2015明確提出鋰離子動力蓄電池包和系統(tǒng)的過充放電保護(hù)檢測，充電與放電保護(hù)的檢測對象是工作狀態(tài)的所有檢測系統(tǒng)，檢測電流倍率為1C,截止條件為電池的管理系統(tǒng)能夠發(fā)揮應(yīng)有的作用或者達(dá)到實(shí)驗(yàn)的終止條件。
展開 鋰離子電池作為電動汽車最常用的電池類型，正日益受到歡迎。在它們的使用壽命中，這些電池經(jīng)歷了各種振動和溫度變化。一些常見的測試標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)開發(fā)出來，以模擬對這些不同尺寸級別電池（如電池、模塊、電池組）的長期環(huán)境影響。
在眾多電動汽車電池測試標(biāo)準(zhǔn)中，本文將重點(diǎn)關(guān)注四個振動和溫度方面的著名標(biāo)準(zhǔn)：SAE J2380、SAE J2464、IEC 62660-2和UN 38.3。晶鉆儀器Spider系統(tǒng)可以為隨機(jī)、正弦、沖擊振動測試，以及溫度控制提供解決方案。
SAE J2380
SAE J2380標(biāo)準(zhǔn)振動目標(biāo)譜基于實(shí)際道路測量數(shù)據(jù)，旨在模擬行駛10萬英里對電池組和模塊的影響。該標(biāo)準(zhǔn)要求一系列隨機(jī)振動目標(biāo)譜應(yīng)用于三個垂直軸，試驗(yàn)時長從9分鐘到38小時不等。
SAE J2380隨機(jī)測試目標(biāo)譜
SAE J2464
SAE J2464標(biāo)準(zhǔn)評估電池和電池組的濫用容忍度，用于測量任何RESS（可充電儲能系統(tǒng)）的響應(yīng)。濫用是指由于疏忽、事故、訓(xùn)練不良等原因違背電池的設(shè)計(jì)意圖，過度使用。
在列出的所有測試類型中，有兩種指定的測試類型用于熱沖擊循環(huán)和沖擊振動測試。熱沖擊循環(huán)包括5個周期，包括熱和冷溫度（70℃到-40℃），電池每個周期時長為1小時，電池組每個周期時長為6小時。沖擊振動試驗(yàn)在三個垂直軸上各施加3個正方向和3個負(fù)方向的半正弦沖擊。
SAE J2464半正弦沖擊目標(biāo)波形（晶鉆EDM截圖）
IEC 62660-2
IEC 62660-2標(biāo)準(zhǔn)（與ISO 12405相關(guān)），規(guī)定了用于各種電池系統(tǒng)的電動汽車鋰離子電池的可靠性和濫用測試。振動測試要求在電池的每個平面上進(jìn)行8小時的隨機(jī)振動測試，以及六個空間方向的機(jī)械沖擊測試（半正弦）。溫度測試是在室溫下啟動電池，以5K/min的速度提高溫度，直到最終溫度達(dá)到130℃，并在目標(biāo)溫度的2k范圍內(nèi)保持30min。
展開 7月23日，巴斯夫發(fā)布消息稱，保時捷與Customcells共同成立的合資企業(yè) Cellforce集團(tuán)已選中巴斯夫作為其下一代鋰離子電池的獨(dú)家開發(fā)伙伴。
據(jù)悉，作為合作方，巴斯夫負(fù)責(zé)提供高能量HED? NCM正極活性材料，以打造高能量密度且可快速充電的高性能電池，而位于德國賓根的Cellforce集團(tuán)則負(fù)責(zé)生產(chǎn)這種高性能電池。電池廠預(yù)計(jì)將于2024 年投產(chǎn)，每年不低于100MWh的初始產(chǎn)能可為1000輛賽車和高性能汽車提供動力。
圖片來源：巴斯夫
值得一提的是，憑借芬蘭哈爾亞瓦爾塔正極材料前軀體生產(chǎn)基地和德國施瓦茨海德正極活性材料生產(chǎn)基地，巴斯夫有望供應(yīng)極具可持續(xù)性的電池材料。巴斯夫在消息中透露，Cellforce 集團(tuán)電池廠的生產(chǎn)廢料將由位于德國的巴斯夫施瓦茨海德的電池回收試驗(yàn)裝置回收以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)，其中的鋰、鎳、鈷和錳將通過濕法冶金工藝回收，并重新用于生產(chǎn)巴斯夫正極活性材料。
巴斯夫歐洲公司執(zhí)行董事會成員凱禮在發(fā)言中也提到，通過電池回收，巴斯夫能確保有價值的材料繼續(xù)循環(huán)于生產(chǎn)環(huán)節(jié)，并進(jìn)一步減少正極材料的二氧化碳足跡，預(yù)計(jì)總量可達(dá) 60%。
保時捷公司負(fù)責(zé)研發(fā)工作的執(zhí)行董事會成員Michael Steiner則表示：“從歐洲本地采購鎳、鈷材料，及其相關(guān)的安全供應(yīng)和德國境內(nèi)（從施瓦茨海德到巴登-符騰堡）的短途運(yùn)輸路線，都是我們決定與巴斯夫合作的重要考量因素，而電池是核心要素，尤其是正極活性材料。
展開 來源 | Journal of Energy Storage
01
背景介紹
鋰離子電池由于比其他電池類型具有更高的優(yōu)勢，例如高能量密度、低自放電率、重量輕、零記憶效應(yīng)和長生命周期，因此在汽車行業(yè)中變得無處不在。然而，鋰電池在一個狹窄的溫度范圍內(nèi)工作最佳：15–40°C。在低于此范圍的溫度下，電解質(zhì)中的離子電導(dǎo)率會顯著降低，從而導(dǎo)致功率輸出降低、鋰電鍍和隨后的電池退化，而在更高的溫度下，加速的放熱反應(yīng)會導(dǎo)致電池材料腐蝕、整體電池退化，并在 80°C 以上的溫度下導(dǎo)致熱失控。除了將溫度保持在一個狹窄的工作范圍內(nèi)，保持電池單元或模塊內(nèi)的最大溫差較低也很重要；<5°C 的值是電池內(nèi)推薦的最大溫差。
目前，大多數(shù)關(guān)于電池冷卻設(shè)計(jì)和優(yōu)化的研究工作都集中在圓柱形和棱柱形電池上。最近，袋形電池因其比圓柱形電池更高的能量密度而受到關(guān)注。目前，已經(jīng)提出了各種用于冷卻鋰離子電池的熱管理系統(tǒng)：空氣冷卻、間接液體冷卻、直接液體或浸沒冷卻、使用相變材料、熱管以及涉及兩種或多種這些方法組合的混合方法進(jìn)行被動冷卻。然而，就電動汽車的商業(yè)應(yīng)用而言，只有風(fēng)冷和液冷已大規(guī)模實(shí)施，其他還處于研究階段。由于其高熱容量，液體冷卻仍然是迄今為止最有效和研究最多的系統(tǒng)；因此，當(dāng)前的研究趨勢是尋找改進(jìn)液冷板設(shè)計(jì)的方法，以實(shí)現(xiàn)更好、更具成本效益的熱控制。
02
成果掠影
近期，路易斯維爾大學(xué)機(jī)械工程系Sam Park教授團(tuán)隊(duì)提出了一種電動汽車快速充電循環(huán)下鋰離子軟包電池的優(yōu)化冷卻和熱分析方法。
展開 蓋世汽車訊 據(jù)外媒報道，美國能源部SLAC國家加速器實(shí)驗(yàn)室（ SLAC National Accelerator Laboratory）和斯坦福大學(xué)（Stanford University ）的研究人員，可能已找到部分恢復(fù)可充電鋰電池性能的方法，有望提高電動汽車的續(xù)航里程。
（圖片來源：AZOM）
在鋰電池循環(huán)過程中，所積聚的小島狀非活性鋰會與電極斷開，從而降低電池的電荷存儲的能力。然而，研究小組發(fā)現(xiàn)，可以讓這些“死”鋰，像蠕蟲一樣向其中一個電極蠕動，直到二者重新連接，從而部分逆轉(zhuǎn)不需要的過程。
測試顯示，額外增加這一步驟，能夠減緩測試電池退化，使電池壽命增長近30%。研究人員正在探討，如何通過超快放電步驟，恢復(fù)鋰離子電池的損耗容量。
失去連接
相對于目前電動汽車使用的鋰離子電池，現(xiàn)在大量研究正在尋找方法，以制造重量更輕、壽命更長、具有更高安全性和更快充電速度的可充電電池。研究人員尤其關(guān)注開發(fā)鋰金屬電池，以在單位體積或重量上存儲更多的能量。在電動汽車中使用新一代電池，可以增加單次充電里程數(shù)，并且所占用的后備箱空間可能更少。
在這兩類電池中，帶正電荷的鋰離子均在電極之間來回穿梭。隨著時間的推移，一些金屬鋰不再具有電化學(xué)活性，從而形成孤立的鋰島，無法與電極連接。這會導(dǎo)致容量損失，對于鋰金屬技術(shù)和快速充電鋰離子電池，這一問題尤為嚴(yán)重。
在此項(xiàng)研究中，研究人員證明，通過調(diào)動和恢復(fù)孤立的鋰，可以延長電池壽命。
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電動汽車鋰離子電池的相關(guān)專題、標(biāo)簽、搜索
電動汽車鋰離子電池的最新內(nèi)容
本文原刊登于Ansys.com：《How Simulation Boosts Efficiency in EV Battery Manufacturing》
作者：Laura Carter | Ansys 高級市場傳播經(jīng)理
編輯整理：陳桂杰 | Ansys主任應(yīng)用工程師
Ansys助力解決固態(tài)電池解決方案的迫切需求
電池工藝商面臨的一項(xiàng)持續(xù)挑戰(zhàn)是尋求更安全、更高效的鋰離子電池替代品
圖8 損傷結(jié)果
圖9 壽命結(jié)果
圖10 應(yīng)力均方根
四、結(jié)果評價
對電池包支架進(jìn)行振動疲勞分析，可以將電池包振動疲勞分析整個流程固化下來，包括PSD載荷、求解參數(shù)設(shè)置等，若后續(xù)需要更新模型或材料，直接在此模型上進(jìn)行修改即可完成振動疲勞分析；通過分析可以預(yù)測電池包的支架疲勞損傷是否滿足要求，如本例中根據(jù)《GBT 31467.3-2015 電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統(tǒng)
在對重量和容量更敏感的電動汽車領(lǐng)域，鋰離子電池可謂一統(tǒng)天下。
三、何為電池管理系統(tǒng)？它如何提高鋰電池安全？
電池管理系統(tǒng)（Battery Management System，BMS）俗稱電池管家，核心功能除了開篇提到的電池物理參數(shù)實(shí)時監(jiān)測、充放電管理和熱管理，還包括電池狀態(tài)估計(jì)。
從內(nèi)因加外因，采用限制加預(yù)防的方式，防止電池老化失控，尤其是熱失控。
電動汽車以電能為能源，將所需的電能存儲在動力電池系統(tǒng)中。動力電池包是電動汽車的核心部件，為整車提供電能存儲，是新能源汽車的動力源泉。
汽車電池包線束是動力電池系統(tǒng)電路的網(wǎng)絡(luò)主題，主要分為動力系統(tǒng)高壓線束和動力系統(tǒng)低壓線束。
一般的電池包低壓線束承載著模組通信、模組采樣和電池管理等功能。電池包低壓線束一般分為模組通信線束、模組采樣線束、BMS線束等。這里結(jié)合實(shí)際工作中的經(jīng)歷和遇到的困擾
汽車電動化、智能化、綠色化發(fā)展已成為全球各國應(yīng)對氣候變化、實(shí)現(xiàn)低碳發(fā)展的共同選擇。在此背景下，新能源汽車持續(xù)高速發(fā)展。電池包作為新能源汽車的“心臟”，是其主要動力來源，直接影響車輛的續(xù)航里程與行駛安全。電池包結(jié)構(gòu)的安全可靠性對新能源汽車至關(guān)重要，同時也是衡量新能源汽車產(chǎn)品競爭力的重要指標(biāo)之一。
圖1 新能源汽車電池包結(jié)構(gòu)示意圖
汽車在路面行駛時，會遭遇到較為復(fù)雜的路面工況，比如顛簸路
電動汽車自燃的新聞，很大一部分原因就是動力電池溫度過熱，燒起來了。在工程上，一般認(rèn)為動力電池的工作溫度最好在40℃以內(nèi)。那么如何保持這個溫度呢？
汽車電機(jī)的工作需要三四百伏的高電壓，動力電池是由很多鋰離子電芯，通過串聯(lián)和并聯(lián)的方式來提高電壓和容量。比如用100個3.7伏的鋰電池電芯串聯(lián)，就能得到370伏的電池。不同品牌不同類型的電動汽車，電池組成方式可能不一樣，有的電芯是片狀的，有的是圓柱形的
*精彩直播預(yù)告
鋰電池作為主要動力電源之一已被廣泛應(yīng)用于各個行業(yè)，因其高能量的特點(diǎn)，預(yù)防電池?zé)崾Э剡M(jìn)行電池?zé)峁芾砜刂埔恢笔潜黄髽I(yè)重點(diǎn)關(guān)注的問題。為了保證鋰電池的最佳性能、安全性和使用壽命，鋰電池必須在特定的溫度范圍內(nèi)工作，而如何有效的預(yù)防鋰電池?zé)崾Э剡M(jìn)行熱管理是企業(yè)面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。海克斯康工業(yè)軟件旗下的Cradle CFD軟件可以為電池?zé)崾Э睾蜔峁芾硖峁┤陆鉀Q方案
[圖片]
以下綜述展示了針對鋰電池組件的仿真模擬實(shí)例，包括了陽極/陰極/電解質(zhì)和制造過程。本文主要使用SIESTA(第一性原理計(jì)算引擎)，介紹了在全固態(tài)電池的固體電解質(zhì)中插入鋰離子到陰極/陽極以及鋰離子擴(kuò)散所引起的物理性質(zhì)變化的實(shí)例。
1．用作陽極的石墨和非晶硅吸收和解吸鋰離子而引起的體積膨脹與收縮、彈性模量和電子態(tài)密度的變化。
2．評估用作陰極的LiCoO2的體積模量。
3．評估鋰離子在固體電解質(zhì)
來源 | Journal of Energy Storage
01
背景介紹
隨著社會向低碳經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型，未來幾十年電池行業(yè)可能會出現(xiàn)數(shù)量級的增長。電池的生產(chǎn)用途廣泛，每種用途都有特定的電力需求，從電力電子設(shè)備、啟動電池設(shè)備到各種儲能設(shè)備。由于其卓越的能量密度、較長的循環(huán)壽命和較低的自放電率，鋰離子電池已成為儲能技術(shù)的首選。然而，鋰離子電池的效率
