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ANSYS在新能源電池仿真設計中的應用探討
上海湃睿信息科技有限公司 CAE事業部
[ 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，因此如何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重要的作用，而隨著國內新能源汽車領域的不斷成熟，國標GBT31467.3-2015的不斷完善，如何將復雜冗長的實驗與仿真相結合，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析流程。
[ 關鍵詞 ] 動力電池 ANSYS仿真平臺 結構性能 發熱性能
1 前言
近日，梅賽德斯·奔馳鄭重宣布，將在2022年之前將旗下整個汽車產品線全部實現電動化，傳統燃油車型全面停產停售，此前，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領域，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。在轉型升級研發生產中，各新能源車企逐漸認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重影響整車性能，已經成為了制約電動汽車發展的瓶頸之一，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，阻礙著電動汽車大量普及。為解決電池儲能、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，力圖突破瓶頸，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生產廠，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領域。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領域，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，如何節省制造成本，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實驗，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，在保證電池包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，例如防止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。電動汽車用電池安全性，此前一直依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汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統國家標準GBT31467.3-2015正式發布。該標準對動力電池的實驗項目進行了詳細的規定，而目前在多數動力電池廠家，針對動力電池的設計方法通常為從設計到實驗再到修改設計，通常需要進行多輪修正，帶來了設計和實驗周期長、實驗成本高等問題，直接導致產品上市時間不短拖延，從而在如今競爭激烈的電池領域錯失良機。
因此本文擬通過仿真手段，將相關標準和仿真平臺相結合應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，實現精益生產，把控產品質量，從而增強企業競爭力。
2 ANSYS仿真平臺在動力電池領域的解決方案
根據前述，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，因此需要進行多領域、多級別的仿真工作，因此仿真數據的協同性變得異常重要。
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。（如下圖所示）。
Figure.1 ANSYS針對動力電池不同尺度仿真能力
其中以電池包的設計為例，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，對規范中規定的實驗工況進行仿真模擬，找出產品薄弱點，進行優化分析，可以大量節省周期和成本，如下表中對于規范中的主要實驗工況和對應的仿真類型總結。
3 ANSYS在電池仿真領域應用案例
一、電池包隨機振動仿真案例
針對某型號電池包進行隨機振動分析，查看電池包結構性能。該電池包幾何模型如下所示，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。通過對該電池包進行模態分析、隨機振動分析，查看該產品在1sigma概率下的應力狀態，滿足規范要求。
二、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分析方法，本次分析中使用Explicit Str模塊進行分析，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力、變形情況。
4 結論
通過以ANSYS Workbench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。同時該方法具備以下優點：
（1）ANSYS Workbench具備協同仿真環境，避免數據異構問題，解決了仿真環境統一性的要求；
（2）使用仿真手段進行電池包各項性能分析，能夠極大縮短產品研發周期、降低實驗成本；
（3）對于新產品的開發，缺乏經驗的前提下，可以依靠仿真手段進行多方案對比，并形成最優方案實踐。
[參考文獻]
[1]電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統 第3部分：安全性要求和測試方法
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