動(dòng)力鋰離子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(zhǎng)、環(huán)境污染小和安全性高等優(yōu)點(diǎn)成為電動(dòng)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(diǎn)，但由于動(dòng)力鋰離子電池發(fā)熱帶來(lái)的安全問(wèn)題卻非常嚴(yán)重，各大動(dòng)力鋰離子電池生產(chǎn)公司都在竭力尋找解決此問(wèn)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(shuō)“無(wú)處不在”。為了詳細(xì)了解仿真技術(shù)在動(dòng)力鋰離子電池研發(fā)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，e-works記者于2017年五月五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，作為我國(guó)鋰離子電池行業(yè)的領(lǐng)先公司之一，目前已形成鋰原電池、鋰離子電池、動(dòng)力系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)等核心業(yè)務(wù)。在鋰原電池行業(yè)，億緯鋰能取得了絕對(duì)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，是我國(guó)最大、世界前三的高能鋰一次電池供應(yīng)商，重要應(yīng)用在智能表計(jì)、智能交通、智能安防等領(lǐng)域。億緯鋰能是第一家以鋰離子電池為主業(yè)在國(guó)內(nèi)上市的公司。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(chǔ)能系統(tǒng)、家用儲(chǔ)能系統(tǒng)、智能微網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)等一系列綠色能源產(chǎn)品和方法。

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(jī)遇，成功推出新能源汽車動(dòng)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(dòng)客車、純電動(dòng)客車和物流車、專用車、純電動(dòng)乘用車等。目前，公司總占地面積約50萬(wàn)平方米，在廣東惠州、湖北荊門設(shè)有4大生產(chǎn)基地，在香港、、美國(guó)、歐洲等國(guó)內(nèi)外多地設(shè)分公司及辦事處。未來(lái)，億緯鋰能將秉承“鋰離子電池-驅(qū)動(dòng)萬(wàn)物互聯(lián)”的理念，用科技和創(chuàng)新讓更多的國(guó)家和人民享受綠色生活，為地球存儲(chǔ)綠色未來(lái)。

圖2惠州億緯鋰能股份有限公司

“動(dòng)力”十足，“儲(chǔ)”見(jiàn)成效

智能制造時(shí)代，億緯鋰能的布局策略是：用世界上最先進(jìn)的成套裝備、管理方式來(lái)制造動(dòng)力鋰離子電池。具體來(lái)說(shuō)，通過(guò)高端的自動(dòng)化設(shè)備+控制系統(tǒng)，包括MES系統(tǒng)、SAP系統(tǒng)、評(píng)審系統(tǒng)，從而保證產(chǎn)品品質(zhì)的一致性。

有關(guān)智能制造，袁中直副總裁感觸很深，他說(shuō)道：“從開(kāi)始決定制造動(dòng)力鋰離子電池，我們就走的高端制造路線，而非簡(jiǎn)單的自動(dòng)化生產(chǎn)。要做世界一流水平的動(dòng)力鋰離子電池，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(gè)密集，但其實(shí)鋰電行業(yè)更是一個(gè)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(hù)的TPM（TotalProductiveMaintenance）制度和保證制程水平不斷提高的技師制度等多項(xiàng)管理制度。”

經(jīng)過(guò)智能制造的高效管理，億緯鋰能動(dòng)力鋰離子電池生產(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(dòng)力鋰離子電池產(chǎn)品覆蓋方形磷酸鐵鋰、圓柱三元和軟包疊片，現(xiàn)有產(chǎn)量5.8GWh，圓柱三元3.5GWh，方形磷酸鐵鋰2.3GWh。

安全問(wèn)題，不容小覷

近幾年，在推動(dòng)新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的過(guò)程中，公司認(rèn)識(shí)到電池包作為電動(dòng)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(dòng)汽車市場(chǎng)化的瓶頸。如圖4為增程式電動(dòng)客車電源系統(tǒng)的制造流程。動(dòng)力鋰離子電池是由成千甚至上萬(wàn)個(gè)電芯組成的一個(gè)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(dòng)力鋰離子電池最大的安全問(wèn)題就是發(fā)熱，過(guò)高的溫度不僅會(huì)影響電池的壽命，更會(huì)導(dǎo)致鋰離子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。

圖3增程式電動(dòng)客車電源系統(tǒng)制造流程

袁總介紹到，傳統(tǒng)消費(fèi)類的鋰離子電池的研發(fā)設(shè)計(jì)方法已不再適用。在研究動(dòng)力鋰離子電池?zé)岚踩珕?wèn)題時(shí)，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(wú)法得到完整的熱分布信息。通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法都會(huì)浪費(fèi)大量的人力、物力和財(cái)力。面對(duì)如此困境，我們意識(shí)到有限元仿真的優(yōu)勢(shì)，排除萬(wàn)難，急切要利用仿真技術(shù)對(duì)汽車電池包Pack產(chǎn)品進(jìn)行散熱設(shè)計(jì)與優(yōu)化，確保大容量電池Pack包實(shí)現(xiàn)可靠的熱設(shè)計(jì)，保障產(chǎn)品的熱安全性能。除了熱分析外，還要對(duì)電池包Pack進(jìn)行模態(tài)分析、動(dòng)態(tài)分析、疲勞分析、跌落分析和輕量化設(shè)計(jì)等等。

縝密選型，選中ANSYS

有關(guān)仿真軟件選型，袁總這樣說(shuō)到，我們考慮的因素重要有兩點(diǎn)也是最重要的兩點(diǎn)，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(duì)同行業(yè)CAE軟件了解后，我們對(duì)ANSYS軟件留下了深刻的印象，之后與ANSYS代理商廣州陽(yáng)普科技聯(lián)系，從售前深入的交流到軟件采購(gòu)再到軟件售后培訓(xùn)，ANSYS和陽(yáng)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(chǎng)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(yīng)用也很多，工程師可以在同一個(gè)軟件環(huán)境中，完成對(duì)動(dòng)力鋰離子電池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(gòu)了從建模（SpaceClaim）到熱流體（Fluent）再到結(jié)構(gòu)（Mechanical）的三大模塊，用來(lái)全面解決動(dòng)力鋰離子電池包面對(duì)的散熱、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和熱結(jié)構(gòu)耦合問(wèn)題。

智造時(shí)代，智能研發(fā)

目前，CAE分析已成為億緯鋰能動(dòng)力鋰離子電池產(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(duì)單體電芯，模組，電池包進(jìn)行結(jié)構(gòu)及熱仿真分析。圖4所示為動(dòng)力鋰離子電池項(xiàng)目開(kāi)發(fā)流程。

圖4動(dòng)力鋰離子電池項(xiàng)目開(kāi)發(fā)流程

應(yīng)用ANSYSFluent仿真工具，通過(guò)建立有限元模型，進(jìn)行熱流耦合分析求解，獲得完整的鋰離子動(dòng)力鋰離子電池的熱分布和流場(chǎng)分布，通過(guò)分析多種方法的模擬結(jié)果，對(duì)電池的排布方式及電池?zé)峁芾矸椒ㄆ鸬胶艽蟮闹笇?dǎo)用途。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(hù)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(qiáng)度，在薄弱的部位進(jìn)行重點(diǎn)防護(hù)。除了靜強(qiáng)度分析，還要進(jìn)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(chǔ)上，通過(guò)反復(fù)的結(jié)構(gòu)修改、仿真分析、結(jié)果評(píng)價(jià)，使改進(jìn)后的電池箱在振動(dòng)試驗(yàn)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(qiáng)度、模態(tài)特性及抗振動(dòng)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，目前公司的磷酸鐵鋰離子電池通過(guò)提升正極材料比容量、電芯優(yōu)化設(shè)計(jì)和電池包輕量化設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)能量密度達(dá)到了123Wh/kg，符合國(guó)家1.2倍補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)(115Wh/kg)。18650-2.6Ah三元電池單體比能量達(dá)到200Wh/kg以上，系統(tǒng)能量密度高達(dá)130Wh/kg，符合1.1倍補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)。

最后，袁中直副總裁對(duì)ANSYS軟件給予了高度肯定，他這樣說(shuō)到，通過(guò)部署易用的分析工具和適當(dāng)?shù)呐嘤?xùn)，ANSYS及代理商陽(yáng)普科技在智能研發(fā)，構(gòu)建研發(fā)團(tuán)隊(duì)上給予了幫助，在設(shè)計(jì)早期使用CAE軟件可以明顯提升動(dòng)力鋰離子電池的可靠性、安全性，縮短開(kāi)發(fā)周期，同時(shí)可以將仿真結(jié)果用于產(chǎn)品營(yíng)銷環(huán)節(jié)，新增銷售機(jī)會(huì)。

后記

“無(wú)處不在的仿真”，可以幫助公司滿足動(dòng)力鋰離子電池苛刻的標(biāo)準(zhǔn)要求，為動(dòng)力鋰離子電池的智能研發(fā)供應(yīng)一條捷徑。未來(lái)，無(wú)論是前期設(shè)計(jì)還是后期校核，仿真技術(shù)都將發(fā)揮重大價(jià)值。采訪結(jié)束后，在公司工作人員陪同下參觀了18650動(dòng)力鋰離子電池智能生產(chǎn)線，此生產(chǎn)線以松下電池作為標(biāo)桿，年產(chǎn)量1GWh，不愧為“國(guó)內(nèi)目前自動(dòng)化程度最高的動(dòng)力圓柱鋰離子電池生產(chǎn)線”。