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ANSYS在新能源電池仿真設(shè)計(jì)中的應(yīng)用探討
上海湃睿信息科技有限公司 CAE事業(yè)部
[ 摘 要 ] 動(dòng)力電池作為新能源汽車(chē)的核心部件，其使用性能和壽命嚴(yán)重影響著整車(chē)性能。由于鋰離子要求體積小、比能量高、循環(huán)壽命長(zhǎng)，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(jì)者關(guān)心的問(wèn)題。有限元仿真作為研發(fā)必不可少的手段之一，在動(dòng)力電池的研發(fā)設(shè)計(jì)中起著至關(guān)重要的作用，而隨著國(guó)內(nèi)新能源汽車(chē)領(lǐng)域的不斷成熟，國(guó)標(biāo)GBT31467.3-2015的不斷完善，如何將復(fù)雜冗長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)與仿真相結(jié)合，成為了每家新能源電池廠家關(guān)注的問(wèn)題。本文中以ANSYS為仿真平臺(tái)，結(jié)合國(guó)標(biāo)GBT31467.3-2015，對(duì)動(dòng)力電池的仿真進(jìn)行了深入探討，以利于設(shè)計(jì)者進(jìn)行完整的分析流程。
[ 關(guān)鍵詞 ] 動(dòng)力電池 ANSYS仿真平臺(tái) 結(jié)構(gòu)性能 發(fā)熱性能
1 前言
近日，梅賽德斯·奔馳鄭重宣布，將在2022年之前將旗下整個(gè)汽車(chē)產(chǎn)品線全部實(shí)現(xiàn)電動(dòng)化，傳統(tǒng)燃油車(chē)型全面停產(chǎn)停售，此前，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(chē)領(lǐng)域，此舉是為了應(yīng)對(duì)當(dāng)前各國(guó)越來(lái)越嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)。截至當(dāng)前，全球已有6個(gè)國(guó)家公開(kāi)發(fā)表聲明將全面禁止純汽油車(chē)和柴油車(chē)。荷蘭和挪威提出2025年之后禁售燃油車(chē)，德國(guó)提出2030年后只允許零排放汽車(chē)上路，英國(guó)提出2040年起全面禁售汽油和柴油汽車(chē)，印度計(jì)劃在2030年全面禁售燃油車(chē)。各國(guó)新政讓新能源汽車(chē)行情將進(jìn)入全面加速階段。
隨著新能源汽車(chē)成為汽車(chē)行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，各大汽車(chē)廠商紛紛加大力度支持新能源汽車(chē)技術(shù)研發(fā)。在轉(zhuǎn)型升級(jí)研發(fā)生產(chǎn)中，各新能源車(chē)企逐漸認(rèn)識(shí)到電池作為電動(dòng)汽車(chē)的核心部件之一，由于其綜合性能和壽命嚴(yán)重影響整車(chē)性能，已經(jīng)成為了制約電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展的瓶頸之一，也是反應(yīng)技術(shù)實(shí)力的關(guān)鍵所在，汽車(chē)動(dòng)力電池技術(shù)的短板，續(xù)航里程短、充電時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題，阻礙著電動(dòng)汽車(chē)大量普及。為解決電池儲(chǔ)能、續(xù)航、快充等多方面的問(wèn)題，越來(lái)越多的科研院所和汽車(chē)企業(yè)加入汽車(chē)動(dòng)力電池研發(fā)，力圖突破瓶頸，創(chuàng)造更長(zhǎng)續(xù)航里程。今年以來(lái)，國(guó)內(nèi)外先后有報(bào)道稱(chēng)寶馬、福特和捷豹、路虎三家車(chē)企將聯(lián)合建立電動(dòng)車(chē)用電池生產(chǎn)廠，此外有此計(jì)劃的還有德國(guó)大眾。另外，特斯拉投資50億美元的超級(jí)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(guó)內(nèi)整車(chē)企業(yè)也通過(guò)各種方式，不同程度的將業(yè)務(wù)延伸至動(dòng)力電池領(lǐng)域。市場(chǎng)快速擴(kuò)張，眾多車(chē)企在加快推出新能源汽車(chē)的同時(shí)，逐步開(kāi)始布局動(dòng)力電池領(lǐng)域，動(dòng)力電池市場(chǎng)格局迎來(lái)變數(shù)。與此同時(shí)，基于動(dòng)力電池體積小、比能量高、循環(huán)壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)和要求，導(dǎo)致眾多車(chē)企在動(dòng)力電池的設(shè)計(jì)研發(fā)過(guò)程中面臨諸多問(wèn)題，而其中最主要的挑戰(zhàn)包括以下幾個(gè)方面：
①費(fèi)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(chē)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(wèn)題；
②性能：考慮空間布局的限制，導(dǎo)致電池體積小，同時(shí)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(jì)者需要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題；
③耐用性和使用壽命：汽車(chē)行駛工況復(fù)雜，需要對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行各種復(fù)雜工況下的實(shí)驗(yàn)，例如隨機(jī)振動(dòng)、疲勞耐久等，從而保障汽車(chē)能夠滿(mǎn)足整體使用壽命；
④安全性：汽車(chē)作為為人類(lèi)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(gè)因素，例如防止高溫燃燒等發(fā)熱問(wèn)題是眾多車(chē)企關(guān)注的問(wèn)題。
綜上所述，動(dòng)力電池的設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的、多尺度的問(wèn)題，涉及到材料學(xué)、電化學(xué)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、散熱設(shè)計(jì)等諸多方面。電動(dòng)汽車(chē)用電池安全性，此前一直依據(jù)兩個(gè)相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，2015年5月15日，由全國(guó)汽車(chē)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)組織起草的電動(dòng)汽車(chē)用鋰離子動(dòng)力蓄電池包和系統(tǒng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GBT31467.3-2015正式發(fā)布。該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)動(dòng)力電池的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)定，而目前在多數(shù)動(dòng)力電池廠家，針對(duì)動(dòng)力電池的設(shè)計(jì)方法通常為從設(shè)計(jì)到實(shí)驗(yàn)再到修改設(shè)計(jì)，通常需要進(jìn)行多輪修正，帶來(lái)了設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)、實(shí)驗(yàn)成本高等問(wèn)題，直接導(dǎo)致產(chǎn)品上市時(shí)間不短拖延，從而在如今競(jìng)爭(zhēng)激烈的電池領(lǐng)域錯(cuò)失良機(jī)。
因此本文擬通過(guò)仿真手段，將相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和仿真平臺(tái)相結(jié)合應(yīng)用于動(dòng)力電池設(shè)計(jì)研發(fā)流程中，幫助企業(yè)在設(shè)計(jì)初期即介入產(chǎn)品研發(fā)，通過(guò)仿真尋找產(chǎn)品設(shè)計(jì)最佳參數(shù)的組合，設(shè)計(jì)出綜合性能最佳的產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)精益生產(chǎn)，把控產(chǎn)品質(zhì)量，從而增強(qiáng)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。
2 ANSYS仿真平臺(tái)在動(dòng)力電池領(lǐng)域的解決方案
根據(jù)前述，由于動(dòng)力電池設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，會(huì)帶來(lái)強(qiáng)度、疲勞、發(fā)熱、電化學(xué)等不同尺度、不同層級(jí)的問(wèn)題，因此需要進(jìn)行多領(lǐng)域、多級(jí)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。
ANSYS作為世界領(lǐng)先的多物理場(chǎng)仿真工具，以Workbench為多物理場(chǎng)仿真平臺(tái)，建立了仿真體系，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享、協(xié)同仿真，可以十分方便的對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行不同尺度的仿真工作。（如下圖所示）。
Figure.1 ANSYS針對(duì)動(dòng)力電池不同尺度仿真能力
其中以電池包的設(shè)計(jì)為例，在GBT31467.3-2015中對(duì)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(shí)驗(yàn)，周期長(zhǎng)，如果實(shí)驗(yàn)失敗，還需修改，重新實(shí)驗(yàn)，因此可以基于ANSYS平臺(tái)，對(duì)規(guī)范中規(guī)定的實(shí)驗(yàn)工況進(jìn)行仿真模擬，找出產(chǎn)品薄弱點(diǎn)，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(duì)于規(guī)范中的主要實(shí)驗(yàn)工況和對(duì)應(yīng)的仿真類(lèi)型總結(jié)。
3 ANSYS在電池仿真領(lǐng)域應(yīng)用案例
一、電池包隨機(jī)振動(dòng)仿真案例
針對(duì)某型號(hào)電池包進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)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(jiǎn)化，在不影響精度的前提下減少計(jì)算量。通過(guò)對(duì)該電池包進(jìn)行模態(tài)分析、隨機(jī)振動(dòng)分析，查看該產(chǎn)品在1sigma概率下的應(yīng)力狀態(tài)，滿(mǎn)足規(guī)范要求。
二、電池包跌落分析
針對(duì)某型號(hào)動(dòng)力電池，考察跌落工況，跌落分析一般采用顯式動(dòng)力學(xué)分析方法，本次分析中使用Explicit Str模塊進(jìn)行分析，考慮不同高度、不同角度跌落，最終得到動(dòng)力電池在不同工況下跌落的應(yīng)力、變形情況。
4 結(jié)論
通過(guò)以ANSYS Workbench平臺(tái)為依托的多物理場(chǎng)、多尺度的仿真，能夠針對(duì)電池各類(lèi)性能進(jìn)行全面的仿真工作。同時(shí)該方法具備以下優(yōu)點(diǎn)：
（1）ANSYS Workbench具備協(xié)同仿真環(huán)境，避免數(shù)據(jù)異構(gòu)問(wèn)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(xiàng)性能分析，能夠極大縮短產(chǎn)品研發(fā)周期、降低實(shí)驗(yàn)成本；
（3）對(duì)于新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，缺乏經(jīng)驗(yàn)的前提下，可以依靠仿真手段進(jìn)行多方案對(duì)比，并形成最優(yōu)方案實(shí)踐。
[參考文獻(xiàn)]
[1]電動(dòng)汽車(chē)用鋰離子動(dòng)力蓄電池包和系統(tǒng) 第3部分：安全性要求和測(cè)試方法
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