電池知識
鋰離子、磷酸鐵鋰、錳酸鋰、新能源
電池知識
鋰離子、磷酸鐵鋰、錳酸鋰、新能源
[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重影響著整車性能。由于鋰離子要求體積小、比能量高、循環壽命長，因此要怎么樣嚴格把控電池發熱及電池本身結構適應復雜行駛工況，成為了眾多設計者關心的問題。有限元仿真作為研發必不可少的手段之一，在動力電池的研發設計中起著至關緊要的作用，而隨著國內新能源汽車范疇的不斷成熟，國標GBT31467.3-2015的不斷完善，要怎么樣將復雜冗長的試驗與仿真相結合，成為了每家新能源電池廠家關注的問題。本文中以ANSYS為仿真平臺，結合國標GBT31467.3-2015，對動力電池的仿真進行了深入探討，以利于設計者進行完整的分解流程。
前言
此前，梅賽德斯·奔馳慎重宣布，將在2022年之前將旗下整個汽車產品線全部實現電動化，傳統燃油車型全面停產停售。沃爾沃也宣布將在2019年之前將產品線全部改造成電氣化。各大廠商將目光投向新能源汽車范疇，此舉是為了應對當前各國越來越嚴格的排放標準。截至當前，全球已有6個國家公開發表表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年后只準許零排放汽車上路，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入全面加速階段。
隨著新能源汽車成為汽車行業的發展趨勢，各大汽車廠商紛紛加大力度支持新能源汽車技術研發。在轉型升級研發加工中，各新能源車企逐漸認識到電池作為電動車的核心部件之一，由于其綜合性能和壽命嚴重影響整車性能，已經成為了制約電動車發展的瓶頸之一，也是反應技術實力的關鍵所在，汽車動力電池技術的短板，續航里程短、充電時間長等問題，妨礙著電動車大量普及。為處理電池儲能、續航、快充等多方面的問題，越來越多的科研院所和汽車企業加入汽車動力電池研發，力圖沖破瓶頸，創造更長續航里程。今年以來，國內外先后有報道稱寶馬、福特和捷豹、路虎三家車企將聯合建立電動車用電池加工廠，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，而包括上汽、北汽、奇瑞、力帆在內的一大批國內整車企業也通過各種方式，不同程度的將業務延伸至動力電池范疇。市場快速擴張，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范疇，動力電池市場格局迎來變數。與此同時，基于動力電池體積小、比能量高、循環壽命長等特點和要求，導致眾多車企在動力電池的設計研發過程中面臨諸多問題，而其中最主要的挑戰包括以下幾個方面：
①費用：電池、電機、電控系統作為新能源最關鍵的三大部件，成本占據了新能源汽車的百分之60以上，因此在保證性能的前提下，要怎么樣節省制造成本，成為了首當其沖的問題；
②性能：考慮空間布局的限制，導致電池體積小，同時考慮續航要求，要求電池比能量高，電池的發熱性能及使用穩定性成為了設計者需要重點考慮的問題；
③耐用性和使用壽命：汽車行駛工況復雜，需要對動力電池進行各種復雜工況下的試驗，例如隨機振動、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，在保證電池組自身使用性能的前提下，考慮惡劣環境下的安全性也是不可忽視的一個因素，例如戒備高溫燃燒等發熱問題是眾多車企關注的問題。
綜上所述，動力電池的設計是一個復雜的、多尺度的問題，涉及到材料學、電化學、結構設計、散熱設計等諸多方面。電動車用電池安全性，此前一直根據兩個相關行業標準，2015年5月15日，由全國汽車標準化技術委員會組織起草的電動車用鋰離子動力蓄電池組和系統國家標準GBT31467.3-2015正式發布。該標準對動力電池的試驗項目進行了具體的規定，而目前在多數動力電池廠家，針對動力電池的設計辦法通常為從設計到試驗再到修改設計，通常需要進行多輪修正，帶來了設計和試驗周期長、試驗成本高等問題，筆直導致產品上市時間不短拖延，從而在如今競爭猛烈的電池范疇錯失良機。
因此本文擬通過仿真手段，將相關標準和仿真平臺相結合使用于動力電池設計研發流程中，幫助企業在設計初期即介入產品研發，通過仿真尋找產品設計最佳參數的組合，設計出綜合性能最佳的產品，實現精益加工，把控產品質量，從而加強企業競爭力。
ANSYS仿真平臺在動力電池范疇的處理方案
依據前述，由于動力電池設計的復雜性，會帶來強度、疲勞、發熱、電化學等不同尺度、不同層級的問題，因此需要進行多范疇、多級別的仿真工作，因此仿真數據的協同性變得異常緊要。
Figure.1ANSYS針對動力電池不同尺度仿真能力
ANSYS作為世界領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，實現了數據共享、協同仿真，可以十分方便的對動力電池進行不同尺度的仿真工作。（如圖所示）。
其中以電池組的設計為例，在GBT31467.3-2015中對其結構性能要求進行了完整的規定，通常進行一次完整的試驗，周期長，如果試驗失敗，還需修改，重新試驗，因此可以基于ANSYS平臺，對規范中規定的試驗工況進行仿真模擬，找生產品薄弱點，進行優化分解，可以大量節省周期和成本，如下表中對于規范中的主要試驗工況和對應的仿真類型總結。
序號
試驗名稱
試驗辦法概述
仿真分解類型
1
振動
在振動臺上對電池組進行三個方向的振動探測，一定之間后觀察是不是破壞
隨機振動
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
3
跌落
沿著最可能跌落的方向，從1m自由落體
顯式動力學
4
碰撞
按照規定的脈沖對X、Y軸施加沖擊
顯式動力學
5
擠壓
擠壓板沿X、Y方向擠壓電池組，擠壓力達到20t或擠壓變形達到指定值時停止
靜力學
ANSYS在電池仿真范疇使用案例
電池組隨機振動仿真案例
針對某型號電池組進行隨機振動分解，查看電池組結構性能。該電池組幾何模型如下所示，仿真工作進行前，使用ANSYS模型修復工具Spaceclaim進行模型修復和簡化，在不影響精度的前提下減少計算量。通過對該電池組進行模態分解、隨機振動分解，查看該產品在1sigma概率下的應力狀態，滿足規范要求。
電池組跌落分解
針對某型號動力電池，考察跌落工況，跌落分解一般采用顯式動力學分解辦法，本次分解中使用ExplicitStr模塊進行分解，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力、變形情況。
結論
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行全面的仿真工作。同時該辦法具備以下優勢：
（1）ANSYSWorkbench具備協同仿真環境，避免數據異構問題，處理了仿真環境統一性的要求；
（2）使用仿真手段進行電池組各項性能分解，能夠極大縮短產品研發周期、降低試驗成本；
（3）對于新產品的開發，缺乏經驗的前提下，可以依賴仿真手段進行多方案對比，并形成最優方案踐行。
[參考文獻]
電動車用鋰離子動力蓄電池組和系統第3部分：安全性要求和探測辦法
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