技能文章ANSYS在新能源电池仿真设计中的应用磋商

序言

此前，梅赛德斯奔驰郑重宣告，将在2022年之前将旗下全体汽车产品线全部实现电动化，传统燃油车型全面停产停售。
沃尔沃也宣告将在2019年之前将产品线全部改造成电气化。
各大厂商将目光投向新能源汽车领域，此举是为了应对当前各国越来越严格的排放标准。
截至当前，环球已有6个国家公开拓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年后只许可零排放汽车上路，英国提出2040年起全面禁售汽油和柴油汽车，印度操持在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，各大汽车厂商纷纭加大力度支持新能源汽车技能研发。
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，也是反应技能实力的关键所在，汽车动力电池技能的短板，续航里程短、充电韶光长等问题，阻碍着电动汽车大量遍及。
为办理电池储能、续航、快充等多方面的问题，越来越多的科研院所和汽车企业加入汽车动力电池研发，力争打破瓶颈，创造更长续航里程。
今年以来，国内外先后有宣布称宝马、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，此外有此操持的还有德国大众。
其余，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、力帆在内的一大批海内整车企业也通过各种办法，不同程度的将业务延伸至动力电池领域。
市场快速扩展，浩瀚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哀求，导致浩瀚车企在动力电池的设计研发过程中面临诸多问题，而个中最紧张的寻衅包括以下几个方面：

①用度：电池、电机、电控系统作为新能源最关键的三大部件，本钱霸占了新能源汽车的百分之60以上，因此在担保性能的条件下，如何节省制造本钱，成为了首当其冲的问题；

②性能：考虑空间布局的限定，导致电池体积小，同时考虑续航哀求，哀求电池比能量高，电池的发热性能及利用稳定性成为了设计者须要重点考虑的问题；

③耐用性和利用寿命：汽车行驶工况繁芜，须要对动力电池进行各种繁芜工况下的实验，例如随机振动、疲倦耐久等，从而保障汽车能够知足整体利用寿命；

④安全性：汽车作为为人类出行的紧张工具，在担保电池包自身利用性能的条件下，考虑恶劣环境下的安全性也是不可忽略的一个成分，例如防止高温燃烧等发热问题是浩瀚车企关注的问题。

综上所述，动力电池的设计是一个繁芜的、多尺度的问题，涉及到材料学、电化学、构造设计、散热设计等诸多方面。
电动汽车用电池安全性，此前一贯依据两个干系行业标准，2015年5月15日，由全国汽车标准化技能委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家标准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常日为从设计到实验再到修正设计，常日须要进行多轮改动，带来了设计和实验周期长、实验本钱高档问题，直接导致产品上市韶光不短拖延，从而在如今竞争激烈的电池领域错失落良机。

因此本文拟通过仿真手段，将干系标准和仿真平台相结合运用于动力电池设计研发流程中，帮助企业在设计初期即参与产品研发，通过仿真探求产品设计最佳参数的组合，设计出综合性能最佳的产品，实现精益生产，把控产品质量，从而增强企业竞争力。

ANSYS仿真平台在动力电池领域的办理方案

根据前述，由于动力电池设计的繁芜性，会带来强度、疲倦、发热、电化学平分歧尺度、不同层级的问题，因此须要进行多领域、多级别的仿真事情，因此仿真数据的协同性变得非常主要。

Figure.1 ANSYS针对动力电池不同尺度仿真能力

ANSYS作为天下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事情。
（如图所示）。

个中以电池包的设计为例，在GBT31467.3-2015中对其构造性能哀求进行了完全的规定，常日进行一次完全的实验，周期长，如果实验失落败，还需修正，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仿照，找出产品薄弱点，进行优化剖析，可以大量节省周期和本钱，如下表中对付规范中的紧张实验工况和对应的仿真类型总结。

序号

实验名称

实验方法概述

仿真剖析类型

1

振动

在振动台上对电池包进行三个方向的振动测试，一定之间后不雅观察是否毁坏

随机振动

振动疲倦

2

冲击

施加25g，15ms的半正弦冲击波，Z方向冲击3次

显式动力学

3

跌落

沿着最可能跌落的方向，从1m自由落体

显式动力学

4

碰撞

按照规定的脉冲对X、Y轴施加冲击

显式动力学

5

挤压

挤压板沿X、Y方向挤压电池包，挤压力达到20t或挤压 变形达到指定值时停滞

静力学

ANSYS在电池仿真领域运用案例

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剖析，查看电池包构造性能。
该电池包几何模型如下所示，仿真事情进行前，利用ANSYS模型修复工具Spaceclaim进行模型修复和简化，在不影响精度的条件下减少打算量。
通过对该电池包进行模态剖析、随机振动剖析，查看该产品在1sigma概率下的应力状态，知足规范哀求。

电池包跌落剖析

针对某型号动力电池，稽核跌落工况，跌落剖析一样平常采取显式动力学剖析方法，本次剖析中利用Explicit Str模块进行剖析，考虑不同高度、不同角度跌落，终极得到动力电池在不同工况下跌落的应力、变形情形。

结论

通过以ANSYS Workbench平台为依托的多物理场、多尺度的仿真，能够针对电池各种性能进行全面的仿真事情。
同时该方法具备以下优点：

（1）ANSYS Workbench具备协同仿真环境，避免数据异构问题，办理了仿真环境统一性的哀求；

（2）利用仿真手段进行电池包各项性能剖析，能够极大缩短产品研发周期、降落实验本钱；

（3）对付新产品的开拓，缺少履历的条件下，可以依赖仿真手段进行多方案比拟，并形成最优方案实践。

[参考文献]

电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统 第3部分：安全性哀求和测试方法