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能效管理

ANSYS在新能源电池仿真设计中的应用探讨

  2019年08月20日  

  摘要:动力电池作为新能源汽车的核心部件,其使用性能和寿命严重影响着整车性能。由于锂离子要求体积小、比能量高、循环寿命长,因此如何严格把控电池发热及电池本身结构适应复?#26377;?#39542;工况,成为了众多设计者关心的问题。有限元仿真作为研发必不可少的手段之一,在动力电池的研发设计中起着至关重要的作用,而随着国内新能源汽车领域的不断成熟,国标GBT31467.3-2015的不断完善,如何将复杂冗长的实验与仿真相结合,成为了每家新能源电池厂家关注的问题。本文中以ANSYS为仿真平台,结合国标GBT31467.3-2015,对动力电池的仿真进行了深入探讨,以利于设计者进?#22411;?#25972;的分析流程。

  关键词:动力电池 ANSYS仿真平台 结构性能 发热性能

1、?#25226;?/STRONG>

  此前,梅赛德斯·奔驰郑重宣布,将在2022年之前将旗下整个汽车产品线全部实现电动化,传统燃油车型全面停产停售。沃尔沃也宣布将在2019年之前将产品线全部改造成电气化。各大厂?#25506;?#30446;光?#26029;?#26032;能源汽车领域,?#21496;?#26159;为了应对当前各国越来越严格的排放标准。截至当前,全球已有6个国家公开发表声明将全面禁止纯汽油车和柴油车。荷兰和挪威提出2025年之后禁售燃油车,德国提出2030年后只?#24066;?#38646;排放汽车?#19979;罰?#33521;国提出2040年起全面禁售汽油和柴?#25512;?#36710;,印度计划在2030年全面禁售燃油车。各国新政让新能源汽车行情将进入全面加速阶段。

  随着新能源汽车成为汽车行业的发展趋势,各大汽车厂商纷?#20934;?#22823;力度支持新能源汽车?#38469;?#30740;发。在转型升级研发生产中,各新能源车企逐渐认识到电池作为电动汽车的核心部件之一,由于其综合性能和寿命严重影响整车性能,已经成为了制约电动汽车发展的瓶颈之一,也是反应?#38469;?#23454;力的关键所在,汽车动力电池?#38469;?#30340;短板,续航里程短、充电时间长等问题,阻碍着电动汽车大?#31185;?#21450;。为解决电池储能、续航、快充等多方面的问题,越来越多的科?#24615;核推?#36710;企业加入汽车动力电池研发,力图突破瓶?#20445;?#21019;造更长续航里程。今年以来,国内外先后有报道称宝马、福特和捷豹、路虎三家车企将联合建立电动车用电池生产厂,此外有此计划的还有德国大众。另外,特斯拉投资50亿美元的超级电池工厂即将投产,而包括上汽、北汽、奇瑞、力帆在内的一大批国内整车企业也通过各种方式,不同程度的将业务?#30001;?#33267;动力电池领域。市场快速扩张,众多车企在加快推出新能源汽车的同时,逐步开始布局动力电池领域,动力电池市场格局迎来变数。与此同时,基于动力电池体积小、比能量高、循环寿命长等特点和要求,导致众多车企在动力电池的设计研发过程中面临诸多问题,而其中最主要的挑战包括以下几个方面:

  ①费用:电池、电机、电控系统作为新能源最关键的三大部件,成本占据了新能源汽车的百分之60以上,因此在保证性能的前提下,如何节省制造成本,成为了首当其冲的问题;

  ②性能:考虑空间布局的限制,导致电池体积小,同时考虑续航要求,要求电池比能量高,电池的发热性能及使用稳定性成为了设计者需要重点考虑的问题;

  ③耐用性和使用寿命:汽车行驶工况复杂,需要对动力电池进行各种复杂工况下的实验,例如随机振动、疲劳耐久等,从而保障汽车能够满足整体使用寿命;

  ④安全性:汽车作为为人类出行的主要工具,在保证电池包自身使用性能的前提下,考?#23884;?#21155;环境下的安全性也是不可忽视的一个因素,例如防止高温燃烧等发热问题是众多车企关注的问题。

  综上所述,动力电池的设计是一个复杂的、多尺度的问题,涉及到材料学、电化学、结构设计、散热设计等诸多方面。电动汽车用电池安全性,此前一直依据两个相关行业标准,2015年5月15日,由全国汽车标准化?#38469;?#22996;员会组织起草的电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统国?#20918;?#20934;GBT31467.3-2015正式发布。该标准对动力电池的实验项目进行了详细的规定,而目前在多数动力电池厂家,针对动力电池的设计方法通常为从设计到实验再到修改设计,通常需要进行多?#20013;?#27491;,带来了设计和实验周期长、实验成本高等问题,直接导致产品上市时间不短拖延,从而在如今竞争激烈的电池领域错失良机。

  因此本文拟通过仿真手段,将相关标准和仿真平台相结合应用于动力电池设计研发流程中,帮助企业在设计初期即介入产品研发,通过仿真寻找产品设计最佳?#38382;?#30340;组合,设计出综合性能最佳的产品,实现精益生产,把控产品质量,从而增?#31185;?#19994;竞争力。

2、ANSYS仿真平台在动力电池领域的解决方案

  根据前述,由于动力电池设计的复杂性,会带来强度、疲劳、发热、电化学等不同尺度、不同层级的问题,因此需要进行多领域、多级别的仿真工作,因此仿真数据的协同性变得异常重要。

  ANSYS作为世界领先的多物理场仿真工具,以Workbench为多物理场仿真平台,建立了仿真体系,实现了数据共享、协同仿真,可以十分方便的对动力电池进行不同尺度的仿真工作。(如下图所示)。

  Figure.1 ANSYS针对动力电池不同尺度仿真能力

  其中以电池包的设计为例,在GBT31467.3-2015中对其结构性能要求进行了完整的规定,通常进行一次完整的实验,周期长,如果实验失败,还需修改,重新实验,因此可以基于ANSYS平台,对规范中规定的实验工况进行仿真模拟,?#39029;?#20135;品薄弱点,进行优化分析,可?#28304;?#37327;节省周期和成本,如下表中对于规范中的主要实验工况和对应的仿真类型总结。

3 、ANSYS在电池仿真领域应用案例

  一、 电池包随机振动仿真案例

  针对某型号电池包进行随机振动分析,查看电池包结构性能。该电池包几何模型如下所示,仿真工作进行前,使用ANSYS模型修复工具Spaceclaim进?#24515;?#22411;修复和简化,在不影响精度的前提下减少计算量。通过对该电池包进?#24515;?#24577;分析、随机振动分析,查看该产品在1sigma概率下的应力状态,满足规范要求。

  二、 电池包跌落分析

  针对某型号动力电池,考察跌落工况,跌落分析一般采用显式动力学分析方法,本次分析中使用Explicit Str模块进行分析,考虑不同高度、不同?#23884;?#36300;落,最终得到动力电池在不同工况下跌落的应力、变形情况。

4 、结论

  通过以ANSYS Workbench平台为?#21171;?#30340;多物理场、多尺度的仿真,能够针对电池各类性能进行全面的仿真工作。同时?#26757;?#27861;具备以下优点:

  (1)ANSYS Workbench具?#24863;?#21516;仿真环境,避免数据异构问题,解决了仿真环境统一性的要求;

  (2)使用仿真手段进行电池包各项性能分析,能够极大缩短产品研发周期、降低实验成本;

  (3)对于新产品的开发,缺乏经验的前提下,可以依靠仿真手段进行多方案?#21592;齲?#24182;形成最优方案实践。

  [参考文献]

  [1] 电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统 第3部分:安全性要求和测试方法

(上海湃睿信息科技有限公司 CAE事业部)

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