中國儲能網(wǎng)訊：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，應用范圍非常廣泛，可以說“無處不在”。為了詳細了解仿真技術(shù)在動力電池研發(fā)設計中的應用，e-works記者于2017年5月5日采訪了惠州億緯鋰能公司副總裁袁中直博士。
圖1 惠州億緯鋰能副總裁袁中直博士
踐行綠色，矢志不渝
億緯鋰能創(chuàng)立于2001年，2009年在深圳創(chuàng)業(yè)板上市，作為中國鋰電池行業(yè)的領先企業(yè)之一，目前已形成鋰原電池、鋰離子電池、動力系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)等核心業(yè)務。在鋰原電池行業(yè)，億緯鋰能取得了絕對的競爭優(yōu)勢，是中國最大、世界前三的高能鋰一次電池供應商，主要應用在智能表計、智能交通、智能安防等領域。億緯鋰能是第一家以鋰離子電池為主業(yè)在國內(nèi)上市的企業(yè)。致力于綠色能源事業(yè)，億緯鋰能成功推出新能源汽車電源系統(tǒng)、通信儲能系統(tǒng)、家用儲能系統(tǒng)、智能微網(wǎng)儲能系統(tǒng)等一系列綠色能源產(chǎn)品和方案。
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)，應用領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。目前，公司總占地面積約50萬平方米，在廣東惠州、湖北荊門設有4大生產(chǎn)基地，在香港、臺灣、美國、歐洲等國內(nèi)外多地設分公司及辦事處。未來，億緯鋰能將秉承“鋰電池-驅(qū)動萬物互聯(lián)”的理念，用科技和創(chuàng)新讓更多的國家和人民享受綠色生活，為地球存儲綠色未來。
圖2 惠州億緯鋰能股份有限公司
“動力”十足，“儲”見成效
智能制造時代，億緯鋰能的布局策略是：用世界上最先進的成套裝備、管理方式來制造動力電池。具體來說，通過高端的自動化設備+控制系統(tǒng)，包括MES系統(tǒng)、SAP系統(tǒng)、評審系統(tǒng)，從而保證產(chǎn)品品質(zhì)的一致性。
關(guān)于智能制造，袁中直副總裁感觸很深，他說道：“從開始決定制造動力電池，我們就走的高端制造路線，而非簡單的自動化生產(chǎn)。要做世界一流水平的動力電池，有三大密集：技術(shù)密集、資金密集和管理密集。資金密集、技術(shù)密集是行業(yè)人士最常提出的兩個密集，但其實鋰電行業(yè)更是一個管理密集的行業(yè)。公司已配備改善品質(zhì)的全員生產(chǎn)維護的TPM（Total Productive Maintenance）制度和保證制程水平不斷提高的技師制度等多項管理制度。”
經(jīng)過智能制造的高效管理，億緯鋰能動力電池生產(chǎn)線效率獲得顯著提升。最明顯的表現(xiàn)是：人均產(chǎn)量提升4倍、用工人數(shù)減少70%、制程縮短一半、優(yōu)率提升到95%、容量一致性提升67%、電池內(nèi)阻降到傳統(tǒng)模式的30%。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。
安全問題，不容小覷
近幾年，在推動新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的過程中，企業(yè)認識到電池包作為電動汽車的核心部件之一，是“木桶中最短的那根木頭”，已成為制約電動汽車市場化的瓶頸。如圖4為增程式電動客車電源系統(tǒng)的制造流程。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，更會導致鋰電池的正極材料脫落分解、負極與電解液反應、薄膜刺穿等嚴重安全隱患。
圖3 增程式電動客車電源系統(tǒng)制造流程
袁總介紹到，傳統(tǒng)消費類的鋰離子電池的研發(fā)設計方法已不再適用。在研究動力電池熱安全問題時，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)品進行散熱設計與優(yōu)化，確保大容量電池Pack包實現(xiàn)可靠的熱設計，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計等等。
縝密選型，選中ANSYS
關(guān)于仿真軟件選型，袁總這樣說到，我們考慮的因素主要有兩點也是最重要的兩點，一是要滿足我們的需求，二是軟件在行業(yè)內(nèi)中有一定的普及度。對同行業(yè)CAE軟件了解后，我們對ANSYS軟件留下了深刻的印象，之后與ANSYS代理商廣州陽普科技聯(lián)系，從售前深入的交流到軟件采購再到軟件售后培訓，ANSYS和陽普科技都給予了我們很大幫助。
袁總繼續(xù)解釋道，ANSYS是一款融熱、結(jié)構(gòu)、流體、磁場等分析于一體的大型通用有限元分析軟件，且在新能源電池行業(yè)應用也很多，工程師可以在同一個軟件環(huán)境中，完成對動力電池pack包的熱流體分析，模態(tài)、跌落等結(jié)構(gòu)分析，可以輕松地滿足我們的仿真需求。最后，我們采購了從建模（SpaceClaim）到熱流體（Fluent）再到結(jié)構(gòu)（Mechanical）的三大模塊，用來全面解決動力電池包面臨的散熱、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和熱結(jié)構(gòu)耦合問題。
智造時代，智能研發(fā)
目前，CAE分析已成為億緯鋰能動力電池產(chǎn)品研發(fā)必不可少的環(huán)節(jié)，公司成立了專門的仿真小組對單體電芯，模組，電池包進行結(jié)構(gòu)及熱仿真分析。圖4所示為動力電池項目開發(fā)流程。
圖4 動力電池項目開發(fā)流程
應用ANSYS Fluent仿真工具，通過建立有限元模型，進行熱流耦合分析求解，獲得完整的鋰離子動力電池的熱分布和流場分布，通過分析多種方案的模擬結(jié)果，對電池的排布方式及電池熱管理方案起到很大的指導作用。圖5所示為電池包熱流耦合分析結(jié)果。
圖5 電池包熱流耦合分析
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上滿足足夠的強度，在薄弱的部位進行重點防護。除了靜強度分析，還需要進行模態(tài)分析，得出電池箱結(jié)構(gòu)的固有頻率，在有效的有限元模型基礎上，通過反復的結(jié)構(gòu)修改、仿真分析、結(jié)果評價，使改進后的電池箱在振動試驗中不出現(xiàn)斷裂、變形較大等結(jié)構(gòu)破壞現(xiàn)象。在保證強度、模態(tài)特性及抗振動沖擊性能的前提下，還要最大限度地減輕電池箱重量。圖6所示為電池箱體的結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果。
圖6 電池箱體的結(jié)構(gòu)仿真
袁總介紹到，目前企業(yè)的磷酸鐵鋰電池通過提升正極材料比容量、電芯優(yōu)化設計和電池包輕量化設計，使系統(tǒng)能量密度達到了123Wh/kg，符合國家1.2倍補貼標準(115Wh/kg)。18650-2.6Ah三元電池單體比能量達到200Wh/kg以上，系統(tǒng)能量密度高達130Wh/kg，符合1.1倍補貼標準。
最后，袁中直副總裁對ANSYS軟件給予了高度肯定，他這樣說到，通過部署易用的分析工具和適當?shù)呐嘤?，ANSYS及代理商陽普科技在智能研發(fā)，構(gòu)建研發(fā)團隊上給予了幫助，在設計早期使用CAE軟件可以明顯提升動力電池的可靠性、安全性，縮短開發(fā)周期，同時可以將仿真結(jié)果用于產(chǎn)品營銷環(huán)節(jié)，增加銷售機會。
后記
“無處不在的仿真”，可以幫助企業(yè)滿足動力電池苛刻的標準要求，為動力電池的智能研發(fā)提供一條捷徑。未來，無論是前期設計還是后期校核，仿真技術(shù)都將發(fā)揮重大價值。采訪結(jié)束后，在企業(yè)工作人員陪同下參觀了18650動力電池智能生產(chǎn)線，此生產(chǎn)線以松下電池作為標桿，年產(chǎn)能1GWh，不愧為“國內(nèi)目前自動化程度最高的動力圓柱鋰離子電池生產(chǎn)線”。
