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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(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重影響著(zhù)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(cháng)，因此如何嚴格把控電池發(fā)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(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)設計中起著(zhù)至關(guān)重要的作用，而隨著(zhù)國內新能源汽車(chē)領(lǐng)域的不斷成熟，國標GBT31467.3-2015的不斷完善，如何將復雜冗長(cháng)的實(shí)驗與仿真相結合，成為了每家新能源電池廠(chǎng)家關(guān)注的問(wèn)題。本文中以ANSYS為仿真平臺，結合國標GBT31467.3-2015，對動(dòng)力電池的仿真進(jìn)行了深入探討，以利于設計者進(jìn)行完整的分析流程。 [ 關(guān)鍵詞 ] 動(dòng)力電池 ANSYS仿真平臺 結構性能 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(xiàn)全部實(shí)現電動(dòng)化，傳統燃油車(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(xiàn)全部改造成電氣化。各大廠(chǎng)商將目光投向新能源汽車(chē)領(lǐng)域，此舉是為了應對當前各國越來(lái)越嚴格的排放標準。截至當前，全球已有6個(gè)國家公開(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)，德國提出2030年后只允許零排放汽車(chē)上路，英國提出2040年起全面禁售汽油和柴油汽車(chē)，印度計劃在2030年全面禁售燃油車(chē)。各國新政讓新能源汽車(chē)行情將進(jìn)入全面加速階段。 隨著(zhù)新能源汽車(chē)成為汽車(chē)行業(yè)的發(fā)展趨勢，各大汽車(chē)廠(chǎng)商紛紛加大力度支持新能源汽車(chē)技術(shù)研發(fā)。在轉型升級研發(fā)生產(chǎn)中，各新能源車(chē)企逐漸認識到電池作為電動(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，續航里程短、充電時(shí)間長(cháng)等問(wèn)題，阻礙著(zhù)電動(dòng)汽車(chē)大量普及。為解決電池儲能、續航、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(cháng)續航里程。今年以來(lái)，國內外先后有報道稱(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(chǎng)，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(chǎng)即將投產(chǎn)，而包括上汽、北汽、奇瑞、力帆在內的一大批國內整車(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。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(cháng)等特點(diǎn)和要求，導致眾多車(chē)企在動(dòng)力電池的設計研發(fā)過(guò)程中面臨諸多問(wèn)題，而其中最主要的挑戰包括以下幾個(gè)方面： ①費用：電池、電機、電控系統作為新能源最關(guān)鍵的三大部件，成本占據了新能源汽車(chē)的百分之60以上，因此在保證性能的前提下，如何節省制造成本，成為了首當其沖的問(wèn)題； ②性能：考慮空間布局的限制，導致電池體積小，同時(shí)考慮續航要求，要求電池比能量高，電池的發(fā)熱性能及使用穩定性成為了設計者需要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題； ③耐用性和使用壽命：汽車(chē)行駛工況復雜，需要對動(dòng)力電池進(jìn)行各種復雜工況下的實(shí)驗，例如隨機振動(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)力電池的設計是一個(gè)復雜的、多尺度的問(wèn)題，涉及到材料學(xué)、電化學(xué)、結構設計、散熱設計等諸多方面。電動(dòng)汽車(chē)用電池安全性，此前一直依據兩個(gè)相關(guān)行業(yè)標準，2015年5月15日，由全國汽車(chē)標準化技術(shù)委員會(huì )組織起草的電動(dòng)汽車(chē)用鋰離子動(dòng)力蓄電池包和系統國家標準GBT31467.3-2015正式發(fā)布。該標準對動(dòng)力電池的實(shí)驗項目進(jìn)行了詳細的規定，而目前在多數動(dòng)力電池廠(chǎng)家，針對動(dòng)力電池的設計方法通常為從設計到實(shí)驗再到修改設計，通常需要進(jìn)行多輪修正，帶來(lái)了設計和實(shí)驗周期長(cháng)、實(shí)驗成本高等問(wèn)題，直接導致產(chǎn)品上市時(shí)間不短拖延，從而在如今競爭激烈的電池領(lǐng)域錯失良機。 因此本文擬通過(guò)仿真手段，將相關(guān)標準和仿真平臺相結合應用于動(dòng)力電池設計研發(fā)流程中，幫助企業(yè)在設計初期即介入產(chǎn)品研發(fā)，通過(guò)仿真尋找產(chǎn)品設計最佳參數的組合，設計出綜合性能最佳的產(chǎn)品，實(shí)現精益生產(chǎn)，把控產(chǎn)品質(zhì)量，從而增強企業(yè)競爭力。 2 ANSYS仿真平臺在動(dòng)力電池領(lǐng)域的解決方案 根據前述，由于動(dòng)力電池設計的復雜性，會(huì )帶來(lái)強度、疲勞、發(fā)熱、電化學(xué)等不同尺度、不同層級的問(wèn)題，因此需要進(jìn)行多領(lǐng)域、多級別的仿真工作，因此仿真數據的協(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，建立了仿真體系，實(shí)現了數據共享、協(xié)同仿真，可以十分方便的對動(dòng)力電池進(jìn)行不同尺度的仿真工作。（如下圖所示）。 Figure.1 ANSYS針對動(dòng)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(jìn)行了完整的規定，通常進(jìn)行一次完整的實(shí)驗，周期長(cháng)，如果實(shí)驗失敗，還需修改，重新實(shí)驗，因此可以基于A(yíng)NSYS平臺，對規范中規定的實(shí)驗工況進(jìn)行仿真模擬，找出產(chǎn)品薄弱點(diǎn)，進(jìn)行優(yōu)化分析，可以大量節省周期和成本，如下表中對于規范中的主要實(shí)驗工況和對應的仿真類(lèi)型總結。 3 ANSYS在電池仿真領(lǐng)域應用案例 一、電池包隨機振動(dòng)仿真案例 針對某型號電池包進(jìn)行隨機振動(dòng)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(jìn)行前，使用ANSYS模型修復工具Spaceclaim進(jìn)行模型修復和簡(jiǎn)化，在不影響精度的前提下減少計算量。通過(guò)對該電池包進(jìn)行模態(tài)分析、隨機振動(dòng)分析，查看該產(chǎn)品在1sigma概率下的應力狀態(tài)，滿(mǎn)足規范要求。 二、電池包跌落分析 針對某型號動(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力、變形情況。 4 結論 通過(guò)以ANSYS Workbench平臺為依托的多物理場(chǎng)、多尺度的仿真，能夠針對電池各類(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，避免數據異構問(wèn)題，解決了仿真環(huán)境統一性的要求； （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(shí)驗成本； （3）對于新產(chǎn)品的開(kāi)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(shí)踐。 [參考文獻] [1]電動(dòng)汽車(chē)用鋰離子動(dòng)力蓄電池包和系統 第3部分：安全性要求和測試方法 |
