CAE仿真技術(shù)為動力電池保駕護航
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(yán)重影響著其產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。鋰離子電池以其體積小、比能量高、循環(huán)壽命長、環(huán)境污染小和安全性高等優(yōu)點成為電動汽年的首選電源。其超高的能量密度雖然可以緩解續(xù)航里程短的缺點，但由于動力電池發(fā)熱帶來的安全問題卻非常嚴(yán)重，各大動力電池生產(chǎn)企業(yè)都在竭力尋找解決此問題的捷徑，有限元仿真技術(shù)便是捷徑之一。仿真技術(shù)作為智能研發(fā)必不可少的一種使能工具，應(yīng)用范圍非常廣泛，可以說“無處不在”。
日前，惠州億緯鋰能公司副總裁袁中直博士在接受媒體采訪時表示，近幾年，隨著新能源汽車爆發(fā)性的發(fā)展，億緯鋰能把握機遇，成功推出新能源汽車動力系統(tǒng)，擁有電芯、模組、電池管理系統(tǒng)、Pack結(jié)構(gòu)等全產(chǎn)業(yè)鏈核心技術(shù)，應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋增程式電動客車、純電動客車和物流車、專用車、純電動乘用車等。億緯鋰能動力電池產(chǎn)品覆蓋方形磷酸鐵鋰、圓柱三元和軟包疊片，現(xiàn)有產(chǎn)能5.8GWh，圓柱三元3.5GWh，方形磷酸鐵鋰2.3GWh
袁總介紹到，傳統(tǒng)消費類的鋰離子電池的研發(fā)設(shè)計方法已不再適用。在研究動力電池?zé)岚踩珕栴}時，傳統(tǒng)的熱成像技術(shù)只能采集到單體電池表面狀態(tài)，植埋熱電偶溫度采集的方法受結(jié)構(gòu)限制又無法得到完整的熱分布信息。通過實驗的方法都會浪費大量的人力、物力和財力。面對如此困境，我們意識到有限元仿真的優(yōu)勢，排除萬難，急切需要利用仿真技術(shù)對汽車電池包Pack產(chǎn)品進行散熱設(shè)計與優(yōu)化，確保大容量電池Pack包實現(xiàn)可靠的熱設(shè)計，保障產(chǎn)品的熱安全性能。除了熱分析外，還需要對電池包Pack進行模態(tài)分析、動態(tài)分析、疲勞分析、跌落分析和輕量化設(shè)計等等。
動力電池包CAE應(yīng)用解決方案
動力電池是由成千甚至上萬個電芯組成的一個龐大的電源系統(tǒng)，重量從幾百公斤到1-2噸不等。如此龐大的電源系統(tǒng)，其安全性不容忽視，而動力電池最大的安全問題就是發(fā)熱，過高的溫度不僅會影響電池的壽命，更會導(dǎo)致鋰電池的正極材料脫落分解、負(fù)極與電解液反應(yīng)、薄膜刺穿等嚴(yán)重安全隱患。運用Flotherm等熱仿真軟件對鋰離子動力電池的熱分布和流場分布
進行建模仿真，得到多種方案的模擬結(jié)果，對電池的排布方式及電池?zé)峁芾矸桨钙鸬胶艽蟮闹笇?dǎo)作用。
如圖1，2所示，為某電池模組的截面溫度分布和風(fēng)流粒子溫度分布
圖1 電池模組截面分布圖
圖2 電池模組風(fēng)流粒子溫度分布圖
電池箱的功能即容納和保護電池組，所以其結(jié)構(gòu)必須保證保留最大的容納空間基礎(chǔ)上滿足足夠的強度，在薄弱的部位進行重點防護。電池箱體的結(jié)構(gòu)分析主要有模態(tài)分析、靜態(tài)分析和動態(tài)分析。
CAE結(jié)構(gòu)分析流程
模態(tài)分析用于確定電池箱體結(jié)構(gòu)的固有頻率，可以在設(shè)計時避開這些頻率或者最大限度地減少對這些頻率上的激勵，從而消除過度振動和噪聲。使用Hypermesh完成前處理，提交給abaqus進行計算，計算結(jié)果用有限元分析后處理軟件HyperView查看電池包的固有頻率、重點位置的位移和應(yīng)力。
靜態(tài)分析的目的是確定電池包結(jié)構(gòu)在靜態(tài)載荷作用下的應(yīng)力分布及最大應(yīng)力出現(xiàn)的位置，以檢驗電池箱體結(jié)構(gòu)能否承受一定的靜載荷作用。
動態(tài)分析主要分析電池箱體在各種工況下工作的動態(tài)性能。由于電池模塊與電池包殼體并非剛性連接而是接觸連接，為了更好的模擬這種接觸特性，采用具有接觸非線性分析功能的有限元分析軟件Abaqus作為動態(tài)分析的求解器。
下圖為電池箱體結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果
仿真技術(shù)可以幫助企業(yè)滿足動力電池苛刻的標(biāo)準(zhǔn)要求，為動力電池的智能研發(fā)提供一條捷徑，為動力電池質(zhì)量保駕護航。未來，無論是前期設(shè)計還是后期校核，仿真技術(shù)都將發(fā)揮重大價值。
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