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功率密度與快速充電,攻克新能源汽車技術(shù)難題

時間:2018-09-12 09:32來源:COMSOL 作者:COMSOL
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       在不考慮能量損耗的前提下,電池的化學(xué)組成決定了其理論能量密度�;瘜W(xué)組成則取決于電極材料和電解質(zhì)。鋰空氣電池的能量密度與汽油接近,這或許是電池可能達(dá)到的最高能量密度。由于熱管理系統(tǒng)組件和集流體會增加電池系統(tǒng)的總重量,因而此類組件的設(shè)計也會在很大程度上影響電池系統(tǒng)的能量密度。
 
      功率密度與快速充電
 
       電池的功率密度是決定電動汽車效率的關(guān)鍵因素。電動汽車在制動能量反饋或快速充電的過程中,電池需要具備很高的功率密度,才能在短時間內(nèi)重獲大量的能量。由于電池系統(tǒng)在充電時需要相當(dāng)高的電流密度,而在放電時的電流密度相對較低,這就給電池功率密度的優(yōu)化工作帶來了難題。此外,前面提到的熱管理系統(tǒng)和集流體,以及電極、隔膜、電解液等電池基礎(chǔ)組件的設(shè)計均會對功率密度的優(yōu)化產(chǎn)生重要的影響。
 
      使用壽命、可靠性和安全性
 
       使用壽命是電池設(shè)計過程中需要重點(diǎn)考慮的因素,它與電池的安全性和可靠性密切相關(guān)。放電、損耗和故障都應(yīng)當(dāng)以可控、可監(jiān)測的方式緩慢地發(fā)生。電池的使用壽命不僅與其化學(xué)成分有關(guān),電池系統(tǒng)的設(shè)計也同樣會對使用壽命的長短產(chǎn)生影響。舉例來說,不均勻的電流密度分布、不良的充/放電控制和熱管理系統(tǒng)都可能會加速電池的損耗,增加故障發(fā)生的概率。由金屬沉積引發(fā)的短路很可能會造成電池系統(tǒng)性能的降低,并可能導(dǎo)致熱失控的發(fā)生。因此,為實(shí)現(xiàn)對電池系統(tǒng)狀態(tài)和故障風(fēng)險的持續(xù)監(jiān)測,健康狀態(tài)監(jiān)測是電池設(shè)計過程中必不可少的一項(xiàng)技術(shù)。
 
      成本
 
       相比于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)中機(jī)械動力總成的優(yōu)化程度而言,針對高功率電池和電機(jī)動力總成的優(yōu)化還不完善。相信當(dāng)電池組件實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)后,其生產(chǎn)率將會得到提升,同時能夠降低成本。
 
      可持續(xù)性
 
       可持續(xù)性同樣是新型電池研發(fā)中不能忽視的因素。相關(guān)部門須針對與新型電池有關(guān)的原材料開采、回收、生產(chǎn)和處理工藝等問題制定相關(guān)政策�?沙掷m(xù)性是一項(xiàng)主要由政府主導(dǎo)的法律問題,然而電池制造商和汽車公司也應(yīng)當(dāng)肩負(fù)起商業(yè)責(zé)任。
 
      建模與仿真
 
       建模和仿真工具可以幫助研發(fā)人員對電極、電解質(zhì)和隔膜等電池基礎(chǔ)元件進(jìn)行分析及優(yōu)化。同時,熱管理、集流體和健康狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)也可以使用高精度的多物理場仿真進(jìn)行開發(fā)。
 
       圖 1 顯示了電池組冷卻板中通道的優(yōu)化模型。熱管理裝置是汽車行業(yè)中的常見應(yīng)用,例如,菲亞特研究中心(Fiat Research Center)使用數(shù)值建模研究混合動力汽車中軟包電池的熱管理系統(tǒng)。
 
圖 1. 液冷式電池組溫度曲線的多物理場仿真結(jié)果。流體流動和溫度取自三維模型,集總的一維模型被用于計算鋰離子電池的熱源。
 
       通過將基于電化學(xué)阻抗譜(electrochemical impedance spectroscopy,簡稱 EIS)的實(shí)驗(yàn)測量法與數(shù)值模型相結(jié)合,研究人員能夠有效地推動電池組件的基礎(chǔ)研究及健康狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)的開發(fā),請參考法國研究機(jī)構(gòu)——原子能與可替代能源委員會(CEA)發(fā)表的文章。圖 2 中展示的仿真 App 可以導(dǎo)入實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)用于 EIS 物理場模型中。該 App 支持計算電極活性、表面積、不同組件的電導(dǎo)率、反應(yīng)物和產(chǎn)物的質(zhì)量傳遞屬性,以及電極的荷電狀態(tài)等各類參數(shù)。
 
圖 2. 此仿真 App 的作用是解釋電化學(xué)阻抗譜(EIS)的實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果,并展示如何使用模型和測量數(shù)據(jù)來評估鋰離子電池的性能。仿真 App 將 EIS 測量方法的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為輸入,對測量結(jié)果進(jìn)行模擬,然后基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)運(yùn)行參數(shù)估計。
 
(責(zé)任編輯:子蕊)
文章標(biāo)簽: 新能源汽車 快速充電
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