Simulation-driven电动汽车电池组十年的设计和制造汽车电气化

在过去的十年中,电动汽车(EV)行业有了惊人的增长从一些产品到今天,当每一个汽车制造商正在努力使其车辆组合。最大份额的增长可以归因于锂离子电池(锂)技术的进步。自2010年以来,锂电池成本下降87%[1]和能量密度增加了两倍[2]。现在汽车制造商提供电动汽车与200多英里范围内,相比10年前100多英里,同时保持相同的价格点。随着汽车行业进入新的十年,可以说是十年的汽车电气化,关注一些关键挑战,新的锂离子电池技术的创新和改进是必要的。这篇文章重点强调了挑战和供应商和oem厂商如何利用数字双锂电池设计和制造保持领先。

快速充电的挑战

里程焦虑是一种强烈的总电池组能量函数和充电时间。锂离子电池能量密度的显著增加和成本的降低了250英里驾驶范围60 - 100千瓦时的电池组当今电动汽车的新标准。快速充电的能力,因此,正日益成为重要的地址范围焦虑担忧。直流快速充电器与150千瓦到350千瓦的电力,可以充电电池的80% 15到30分钟近年来介绍了。

电流快速充电锂电池设计技术提出新的挑战,生活和安全。允许快速充电,电池供应商必须优化细胞化学、电池设计和热管理策略。把150千瓦到350千瓦电力在短时间内电池组将导致温度快速上升,这不仅会导致安全问题或意外加速衰老,但也可以触发控制器减少充电电源。这反过来可以显著增加充电时间。同样重要的是,快速充电电池循环寿命的影响时必须评估会计等特定于用户的充电行为快速充电时得到一个机会,或者当电池即将耗尽精力。汽车电网的影响(V2G)电池老化也是电池供应商和oem理解的关键。

电池供应商和原始设备制造商将需要处理多尺度挑战——从电极微观结构的大型包装热管理,充电算法和各种车辆的收费资料——产业加速向提供快速充电。解决这些复杂的挑战,simulation-driven发展为锂电池快速充电,如西门子提供,将发挥关键作用。Simcenter电池设计工作室(BDS),一个基于物理原理的锂离子电池设计软件,可以帮助电池供应商和oem优化电极设计与整体平衡快速充电电池能量密度和降低成本。Simcenter BDS细胞电化学行为的预测和内部的锂离子分布在细胞获益细胞供应商了解限制因素和改善他们的细胞设计允许快速充电。

Simcenter STAR-CCM +,三维计算流体动力学(CFD)软件,使计算与详细的3 d热和机电耦合行为的空间影响电池的快速充电模块和包级别。与精确的3 d锂离子的分布和温度,工程师可以开发冷却策略模块和包的快速充电的条件。电池热失控的模拟与STAR-CCM +进一步使工程师能够保障他们的包装设计对潜在的安全事件。

西门子1 d系统仿真软件,Simcenter Amesim,赋予企业准确地模拟锂离子老化的函数使用和充电概要文件,并且允许汽车oem设计和优化车辆热管理网络,占在快速充电电池冷却需求。这些软件之间的协同和集成工作流解决方案进一步构建数字线电池工程,允许快速创新和灵活地适应不断变化的需求随着行业种族对快速充电。

快速和准确的电池老化模拟。

帮助优化模块和包模拟热管理策略的快速充电。

生产效率和产品的复杂性的挑战

在过去的几年里,汽车电气化的发展作为一个关键粉碎机汽车行业和供应链。根据483年西门子分析,公司在世界上正在开发电动汽车或轻型卡车。此外,根据麦肯锡公司最近的分析[3],供应商对oem的内部构成日益激烈的竞争策略与一级或他们的关系。这一中断加上前所未有的创业活动是挑战传统的工程和制造方法。

电池制造商面临爆炸产品复杂性和处理一个新兴的劳动力与非传统开发角色。电池是极其复杂的,成百上千的细胞,电器,高压电线,风扇,冷却泵和其他组件。最近,包装供应商和汽车制造商正在寻求进一步整合其他电力电子组件在同一住房的电池组体积更有效地利用和创新小说热管理方案。为了解决这些包工程问题,工程师需要考虑CAD包外壳设计的复杂性和车辆集成策略。同时,随着越来越多的公司的目标是开发新的电池和电动动力系统技术,他们想要利用复杂的力量电池组没有过度依赖CFD模拟专家解决电池组工程问题。

解决这些用例西门子提供Simcenter FLOEFD,它允许CFD模拟的电池组multi-CAD环境。自Simcenter FLOEFD本机CAD环境中运行时,不需要改变之间来回CAD和CFD仿真环境。易于处理复杂的几何形状和自动化FLOEFD啮合功能使CAD工程师加快电池外壳设计虽然占车辆集成约束。工程师不仅可以节省时间和成本优化电池也很容易适应任何更改在电池设计援助易于制造模块或包级别。

CAD-embedded CFD模拟使电池组设计工程师探讨设计变量和车辆集成选项不依赖CFD专家。

波士顿咨询集团(BCG)预测,全球电池生产能力将超过2021年大约40%的市场需求,发挥巨大的价格压力。保持利润率更低的价格,生产者需要降低生产成本。据波士顿咨询集团,生产者可以降低成本20% 4.0过渡到工业技术。[4]

电池供应商以及汽车制造商,factory-of-the-future概念是至关重要的电动车生产进入快车道,降低制造成本。随着公司重新考虑制造过程,他们之前必须进行数字计划和验证新生产方法实现它们在商店的地板上和应用严格design-for-manufacturing原则。过程中,植物和人类仿真技术将使企业实现生产成本削减目标。西门子Tecnomatix是一个全面的数字组合制造解决方案极大帮助电池制造商和汽车制造商。投资组合可以受益电池组制造在几个方面。

在典型的过程中,电池模块安装和固定在电池组住房由机器人技术流程,然后操作员手动过程连接模块。与人类仿真工具,如西门子过程模拟人类,电池模块设计者可以选择目标人口和操作姿势,然后用适当的控制设计连接器空间,间隙,遵循人体工程学标准。

过程模拟与西门子过程模拟等工具允许制造工程师设计组装操作序列,验证可达性和过程周期时间,并生成工作指令从运营商的角度。过程模拟还支持灵活workcell设计、机器人编程和workcell控制和自动化的一个非常复杂的过程,它是不合适的或不安全的手动执行。与这些功能,企业可以实现有效的加速生产和降低实施风险。

同样重要的是,西门子工厂等仿真软件模拟可以使电池制造商影响底线通过优化电池生产材料流、物流、系统配置、设备和能源使用和产品组合。整条线模拟提供的见解帮助提高效率增加吞吐量,产能利用率和整体设备效率和减少瓶颈和库存。

三维数字化制造解决方案允许电池制造商实现地板前,计划和验证过程。

解决未来电动汽车电池的挑战

到2030年,近25%的行驶里程在美国可以在共享自治的电动汽车,据波士顿咨询集团(Boston Consulting Group)最近的一项研究[5]。带自动驾驶和电气化技术在汽车将带来独特的挑战,也提供了独特的优化机会对于电池供应商和制造商。全自动车辆(要求等级5)会有更多电子产品(传感器,传感器融合盒,线控系统的ecu)比今天的汽车。全电动动力系统,电子设备,使自治功能将采用高压电池。这个负担增加将减少电力驱动范围,从而给开发商带来严峻的挑战的自治的电动汽车电池。例如,在一个5级自主车,functionality-enabling电子电力需求可以1千瓦以上,当美联储的主要电池可以减少15%的电力驱动范围,特别是在城市开车。另一方面,机器驱动预计将提供一个流畅的驾驶模式相比,人类的驾驶行为。平滑驱动周期允许更多的电池能量的有效利用,可以帮助抵消对电力驱动的影响范围。驾驶剖面的变化,可以实现与机驾驶和连接工具和智能城市基础设施的援助也可以降低整体热代电池,电动汽车和电力电子。自热是一个关键上来说是压力源为这些组件,整体驾驶行为的变化可以利用电池组开发者,动力系统制造商和汽车制造商提高电池寿命和优化热管理策略。

占这些挑战和利用新的优化电动汽车电池,有自主的机会,公司需要包括相互依存的工程电动动力系统和自动驾驶功能开发、验证和确认。汽车厂商越来越多地依靠虚拟交通场景为自动车辆和汽车驾驶模拟测试、仿真工具,如Simcenter预扫描及其与DRS360连接可用于确定什么级别的驱动配置文件可以实现平滑。集成的Simcenter预扫描Simcenter Amesim可以让厂商评估自主驾驶对电力驱动的影响范围和优化汽车能源效率和热管理。这些前期系统能够准确地模拟电池大小为特定配置的自动驾驶,并帮助发展需求和培育合作自治电动汽车与电池供应商。

模拟自主驾驶对电力驱动的影响范围。

引用

1. BloombergNEF。”电池组价格下跌市场加大市场2019年平均156美元/千瓦时”,2019年12月3日
2. Cleantechnica。”BloombergNEF:锂离子电池密度自2010年以来几乎增加了两倍”,2020年2月19日
3. 麦肯锡公司。”电动汽车设计趋势2017年10月,“
4. 波士顿咨询公司”,电池生产电动汽车的未来”,2020年3月4日
5. 波士顿咨询公司”,到2030年,25%的行驶里程在美国可以在共享无人驾驶电动汽车”,2017年4月10日