ANSYS在新能源电池仿真设计中的应用探讨

[上海湃睿信息科技有限公司]  CAE事业部

[ 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杂行驶工况，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，以利于设计者进行完整的分析流程。

[ 关键词 ]   动力电池 ANSYS仿真平台 结构性能 发热性能

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，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年后只允许零排放汽车上路，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，各大汽车厂商纷纷加大力度支持新能源汽车技术研发。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，也是反应技术实力的关键所在，汽车动力电池技术的短板，续航里程短、充电时间长等问题，阻碍着电动汽车大量普及。为解决电池储能、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，力图突破瓶颈，创造更长续航里程。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，不同程度的将业务延伸至动力电池领域。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，考虑恶劣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，由全国汽车标准化技术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通常为从设计到实验再到修改设计，通常需要进行多轮修正，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。

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，找出产品薄弱点，进行优化分析，可以大量节省周期和成本，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。

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进行模型修复和简化，在不影响精度的前提下减少计算量。通过对该电池包进行模态分析、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、不同角度跌落，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平台为依托的多物理场、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，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对比，并形成最优方案实践。

[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