[摘要]動力電池作為新能源汽車的核心部件，其使用性能和壽命嚴(yán)重影響著整車性能。由于鋰離子要求體積小、比能量高、循環(huán)壽命長，因此如何嚴(yán)格把控電池發(fā)熱及電池本身結(jié)構(gòu)適應(yīng)復(fù)雜行駛工況，成為了眾多設(shè)計者關(guān)心的問題。有限元仿真作為研發(fā)必不可少的手段之一，在動力電池的研發(fā)設(shè)計中起著至關(guān)重要的作用，而隨著國內(nèi)新能源汽車領(lǐng)域的不斷成熟，國標(biāo)GBT31467.3-2015的不斷完善，如何將復(fù)雜冗長的實驗與仿真相結(jié)合，成為了每家新能源電池廠家關(guān)注的問題。本文中以ANSYS為仿真平臺，結(jié)合國標(biāo)GBT31467.3-2015，對動力電池的仿真進(jìn)行了深入探討，以利于設(shè)計者進(jìn)行完整的分析流程。

前言

此前，梅賽德斯·奔馳鄭重宣布，將在2022年之前將旗下整個汽車產(chǎn)品線全部實現(xiàn)電動化，傳統(tǒng)燃油車型全面停產(chǎn)停售。沃爾沃也宣布將在2019年之前將產(chǎn)品線全部改造成電氣化。各大廠商將目光投向新能源汽車領(lǐng)域，此舉是為了應(yīng)對當(dāng)前各國越來越嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)。截至當(dāng)前，全球已有6個國家公開發(fā)表聲明將全面禁止純汽油車和柴油車。荷蘭和挪威提出2025年之后禁售燃油車，德國提出2030年后只允許零排放汽車上路，英國提出2040年起全面禁售汽油和柴油汽車，印度計劃在2030年全面禁售燃油車。各國新政讓新能源汽車行情將進(jìn)入全面加速階段。

隨著新能源汽車成為汽車行業(yè)的發(fā)展趨勢，各大汽車廠商紛紛加大力度支持新能源汽車技術(shù)研發(fā)。在轉(zhuǎn)型升級研發(fā)生產(chǎn)中，各新能源車企逐漸認(rèn)識到電池作為電動汽車的核心部件之一，由于其綜合性能和壽命嚴(yán)重影響整車性能，已經(jīng)成為了制約電動汽車發(fā)展的瓶頸之一，也是反應(yīng)技術(shù)實力的關(guān)鍵所在，汽車動力電池技術(shù)的短板，續(xù)航里程短、充電時間長等問題，阻礙著電動汽車大量普及。為解決電池儲能、續(xù)航、快充等多方面的問題，越來越多的科研院所和汽車企業(yè)加入汽車動力電池研發(fā)，力圖突破瓶頸，創(chuàng)造更長續(xù)航里程。今年以來，國內(nèi)外先后有報道稱寶馬、福特和捷豹、路虎三家車企將聯(lián)合建立電動車用電池生產(chǎn)廠，此外有此計劃的還有德國大眾。另外，特斯拉投資50億美元的超級電池工廠即將投產(chǎn)，而包括上汽、北汽、奇瑞、力帆在內(nèi)的一大批國內(nèi)整車企業(yè)也通過各種方式，不同程度的將業(yè)務(wù)延伸至動力電池領(lǐng)域。市場快速擴(kuò)張，眾多車企在加快推出新能源汽車的同時，逐步開始布局動力電池領(lǐng)域，動力電池市場格局迎來變數(shù)。與此同時，基于動力電池體積小、比能量高、循環(huán)壽命長等特點和要求，導(dǎo)致眾多車企在動力電池的設(shè)計研發(fā)過程中面臨諸多問題，而其中最主要的挑戰(zhàn)包括以下幾個方面：

①費用：電池、電機(jī)、電控系統(tǒng)作為新能源最關(guān)鍵的三大部件，成本占據(jù)了新能源汽車的百分之60以上，因此在保證性能的前提下，如何節(jié)省制造成本，成為了首當(dāng)其沖的問題；

②性能：考慮空間布局的限制，導(dǎo)致電池體積小，同時考慮續(xù)航要求，要求電池比能量高，電池的發(fā)熱性能及使用穩(wěn)定性成為了設(shè)計者需要重點考慮的問題；

③耐用性和使用壽命：汽車行駛工況復(fù)雜，需要對動力電池進(jìn)行各種復(fù)雜工況下的實驗，例如隨機(jī)振動、疲勞耐久等，從而保障汽車能夠滿足整體使用壽命；

④安全性：汽車作為為人類出行的主要工具，在保證電池包自身使用性能的前提下，考慮惡劣環(huán)境下的安全性也是不可忽視的一個因素，例如防止高溫燃燒等發(fā)熱問題是眾多車企關(guān)注的問題。

綜上所述，動力電池的設(shè)計是一個復(fù)雜的、多尺度的問題，涉及到材料學(xué)、電化學(xué)、結(jié)構(gòu)設(shè)計、散熱設(shè)計等諸多方面。電動汽車用電池安全性，此前一直依據(jù)兩個相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，2015年5月15日，由全國汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會組織起草的電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統(tǒng)國家標(biāo)準(zhǔn)GBT31467.3-2015正式發(fā)布。該標(biāo)準(zhǔn)對動力電池的實驗項目進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)定，而目前在多數(shù)動力電池廠家，針對動力電池的設(shè)計方法通常為從設(shè)計到實驗再到修改設(shè)計，通常需要進(jìn)行多輪修正，帶來了設(shè)計和實驗周期長、實驗成本高等問題，直接導(dǎo)致產(chǎn)品上市時間不短拖延，從而在如今競爭激烈的電池領(lǐng)域錯失良機(jī)。

因此本文擬通過仿真手段，將相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和仿真平臺相結(jié)合應(yīng)用于動力電池設(shè)計研發(fā)流程中，幫助企業(yè)在設(shè)計初期即介入產(chǎn)品研發(fā)，通過仿真尋找產(chǎn)品設(shè)計最佳參數(shù)的組合，設(shè)計出綜合性能最佳的產(chǎn)品，實現(xiàn)精益生產(chǎn)，把控產(chǎn)品質(zhì)量，從而增強企業(yè)競爭力。

ANSYS仿真平臺在動力電池領(lǐng)域的解決方案

根據(jù)前述，由于動力電池設(shè)計的復(fù)雜性，會帶來強度、疲勞、發(fā)熱、電化學(xué)等不同尺度、不同層級的問題，因此需要進(jìn)行多領(lǐng)域、多級別的仿真工作，因此仿真數(shù)據(jù)的協(xié)同性變得異常重要。

Figure.1ANSYS針對動力電池不同尺度仿真能力

ANSYS作為世界領(lǐng)先的多物理場仿真工具，以Workbench為多物理場仿真平臺，建立了仿真體系，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享、協(xié)同仿真，可以十分方便的對動力電池進(jìn)行不同尺度的仿真工作。（如圖所示）。

其中以電池包的設(shè)計為例，在GBT31467.3-2015中對其結(jié)構(gòu)性能要求進(jìn)行了完整的規(guī)定，通常進(jìn)行一次完整的實驗，周期長，如果實驗失敗，還需修改，重新實驗，因此可以基于ANSYS平臺，對規(guī)范中規(guī)定的實驗工況進(jìn)行仿真模擬，找出產(chǎn)品薄弱點，進(jìn)行優(yōu)化分析，可以大量節(jié)省周期和成本，如下表中對于規(guī)范中的主要實驗工況和對應(yīng)的仿真類型總結(jié)。

序號

實驗名稱

實驗方法概述

仿真分析類型

1

振動

在振動臺上對電池包進(jìn)行三個方向的振動測試，一定之間后觀察是否破壞

隨機(jī)振動

振動疲勞

2

沖擊

施加25g，15ms的半正弦沖擊波，Z方向沖擊3次

顯式動力學(xué)

3

跌落

沿著最可能跌落的方向，從1m自由落體

顯式動力學(xué)

4

碰撞

按照規(guī)定的脈沖對X、Y軸施加沖擊

顯式動力學(xué)

5

擠壓

擠壓板沿X、Y方向擠壓電池包，擠壓力達(dá)到20t或擠壓變形達(dá)到指定值時停止

靜力學(xué)

ANSYS在電池仿真領(lǐng)域應(yīng)用案例

電池包隨機(jī)振動仿真案例

針對某型號電池包進(jìn)行隨機(jī)振動分析，查看電池包結(jié)構(gòu)性能。該電池包幾何模型如下所示，仿真工作進(jìn)行前，使用ANSYS模型修復(fù)工具Spaceclaim進(jìn)行模型修復(fù)和簡化，在不影響精度的前提下減少計算量。通過對該電池包進(jìn)行模態(tài)分析、隨機(jī)振動分析，查看該產(chǎn)品在1sigma概率下的應(yīng)力狀態(tài)，滿足規(guī)范要求。

電池包跌落分析

針對某型號動力電池，考察跌落工況，跌落分析一般采用顯式動力學(xué)分析方法，本次分析中使用ExplicitStr模塊進(jìn)行分析，考慮不同高度、不同角度跌落，最終得到動力電池在不同工況下跌落的應(yīng)力、變形情況。

結(jié)論

通過以ANSYSWorkbench平臺為依托的多物理場、多尺度的仿真，能夠針對電池各類性能進(jìn)行全面的仿真工作。同時該方法具備以下優(yōu)點：

（1）ANSYSWorkbench具備協(xié)同仿真環(huán)境，避免數(shù)據(jù)異構(gòu)問題，解決了仿真環(huán)境統(tǒng)一性的要求；

（2）使用仿真手段進(jìn)行電池包各項性能分析，能夠極大縮短產(chǎn)品研發(fā)周期、降低實驗成本；

（3）對于新產(chǎn)品的開發(fā)，缺乏經(jīng)驗的前提下，可以依靠仿真手段進(jìn)行多方案對比，并形成最優(yōu)方案實踐。

[參考文獻(xiàn)]

電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統(tǒng)第3部分：安全性要求和測試方法