新能源动力电池仿真
目前新能源汽车产业发展主要集中在混合动力汽车、纯电动汽车和燃料电池汽车上。作为电动汽车的“心脏”,动力电池一直是新能源汽车产业发展的关键。就像内燃机车对发动机有各种要求,新能源汽车对电池组也有着苛刻的性能要求,包括安全性、稳定性、成本、充放电效率、比功率、比能量等,这些直接关系到新能源车在电动驱动上的表现。
为了能在最短周期内研制出高质量、可靠稳定的新能源汽车,工程师在研发环节引入先进的CAE仿真技术,来替代传统的反复使用物理样机验证方法。CAE技术可以在车用电池包设计过程中对电池包的结构和性能做出预估,从而大大降低电动汽车电池包开发风险,降低开发费用,从而提高电池包的设计质量和效率。目前国内外相关厂商机构,如比亚迪等都在积极地进行新能源汽车及其零部件的研发,因此,积极探索CAE技术在新能源汽车电池包设计、研发、制造中的应用是十分有意义的。
利用CAE技术对动力电池组进行仿真分析主要包括以下几个方面:
(1)电池组热管理,可以建立虚拟的电池组和散热通道的三维模型,在此基础上分析散热效果并对不同方案进行对比和优化,取代了试验方法,大大提高了设计效率;
(2)电池的机械性能分析,仿真模拟碰撞,碾压,针刺对电池的影响;
(3)电池的电性能分析,可研究过充/过放,大电流,充/放,外部短路对电池的影响;
(4)电池的结构力学分析,可研究电池组的振动、耐久性和疲劳寿命。
通过对电池进行静态分析,动态分析,CFD分析(热、电、磁),提高产品质量可靠性,有效降低产品总成本和研发周期,提高研发人员的设计水平和设计效率。
一、热分析。热分析主要是分析电池的温度,根据分析结果提供合理的热管理方案,延长电池包使用寿命,最大限度提高电动驱动系统的安全性、经济性。
(1)根据电池种类和PACK形式、电池热特性、使用量和使用环境等因素,确定其许用工作温度范围;
(2)分析不同环境条件(高温、低温)和各种使用工况(巡航、怠速、上坡、加速、充放电过程等)下的温度,并根据温度分布选择合理的热管理方案;
(3)构建初步的热管理方案;
(4)构建精细的热管理方案。
目前,电池热管理的标准还未完全建立,一般都是根据不同类型电池的工作温度(温度高低和温度均匀性)指标进行分析和设计的。热分析内容也需要根据客户目标进行调整。
储能PACK瞬态热仿真
PACK热模型 0.5C充电结束时温度场
0.5C充电结束时BUSBAR温度曲线
冷却液压强图 冷却液速度云图
冷却液进出口压降曲线
冷却液温度曲线(△T=1.93℃)
二、电池包机械性能分析。机械性能分析主要用于仿真模拟碰撞、挤压、碾压以及针刺都工况对电池的影响,参考已颁布的测试规范,利用结构分析软件完成指定工况的校核。
三、电池包的电性能分析。电性能分析可研究过充/过放,大电流,充/放,外部短路对电池的影响;
四、动力学分析。利用动力学分析可以研究电池组的振动、耐久性和疲劳寿命等。比如,电池包在车辆行驶过程中发生随机振动,研究随机振动对电池包的疲劳寿命的影响具有重要意义。
对电池包完成仿真分析,一般需要提供以下信息:
1)电池型号;
2)电池类型(如磷酸铁锂、三元);
3)充放电倍率;
4)液冷or风冷;
5)最高温度指标、环境温度;
6)整体均温指标、单体均温指标;
7)液冷系统自循环还是整车提供;
8)风冷是车载空调还是自带风扇;
9)电池包模型初步结构方案;
10)电池包工作状态描述;
11)分析对应规范;
12)其他特殊要求等。
备注:实际操作中,并非需要提供所有数据,具体需求根据分析校核内容不同而定。