江丙云博士：新能源储能和充电设备的设计和仿真实战

导读：储能产品种类繁多，有电化学储能、机械储能、电磁储能、储氢和储热等类型。2020年9月中国明确提出2030年“碳达峰”与2060年“碳中和”目标。“双碳”战略的提出要求我们国家尽量减少化石能源的使用，逐步转变为以太阳能、风能为代表的清洁能源的使用。围绕新能源储能来说，主要为电化学储能，即电池Pack集装箱。围绕家庭户用和工商业储能配套的产品还有逆变器，PCS等。

一、充电桩开发设计仿真功不可没

同时，发展电动汽车是实现“双碳”目标的关键举措，它使用的动力来源可以完全来自于清洁能源，能够有效降低交通运输领域的碳足迹，同时也能促进绿色交通和智慧城市建设，提升国际竞争力，为全球气候变化贡献力量。围绕电动汽车的充电来说，主要产品为充电桩。

充电桩主要分为交流和直流充电桩。交流充电桩通过车载充电器将交流电转换为直流电，为电动汽车（EV）充电；直流充电桩则直接输出直流电，无需车载充电器转换。直流充电桩提供快速充电，能在较短时间内为电动汽车充满电；而交流充电桩充电速度较慢，适合夜间或长时间停车充电。

直流充电桩

交流充电桩

无论是储能，还是充电产品，都可当成电子器件柜来进行开发设计，但在设计过程中，产品的性能如何进行预测评估，目前采用经验和仿真的方法相结合，仿真占据了重要的角色，特别针对新开的产品。

二、储能与充电产品的仿真类型

储能和充电产品的性能包括多种学科，比如热学、力学、声学、光学、流体以及工艺等。其中常要求的性能有热学和力学方面，对于这两方面的仿真，随着近5年的技术进步，我们的仿真方法越来越形成行业标杆。

热学：针对电动汽车超充桩桩体、充电枪线等关键结构，基于能量守恒、质量守恒和动量守恒等基本原理，综合考虑环境温度、桩体结构、材料特性、充电功率以及冷却液粘度、比热、进出口温度、进出口压力等的影响，建立超充桩热学仿真模型。结合实验测试，对超充桩的温度进行对标，校正仿真模型。

力学：相较于新能源汽车慢充桩，超充桩体积、质量较大，在整桩运输、安装、抗自然灾害等方面对其力学性能都有较高的要求，因此超充桩在设计时，需要保证桩体结构在各种工况下具有足够的刚、强度，同时还要控制成本，保证足够的市场竞争力。这其中涉及到材料的选型、结构的造型设计、零部件的连接方式等内容。如何给出优秀的结构设计方案，通常采用有限元仿真的方法，对整桩结构进行力学性能评估、优化，以获得在满足所有工况力学性能的条件下，成本较低的方案。

行业案例举例

力学

三、新能源设备开发中的优化设计实践

虽然目前的多学科分开来求解，已经很成熟，但如何多学科集成仿真设计，依旧是个难题。需要基于已建立的热学、力学、声学仿真模型，综合采用神经网络算法、拉丁超立方算法等，分别以超充桩几何结构、材料属性、热源分布、风扇转速等多种热、力、声学关键参数作为输入变量，设计仿真方案，驱动仿真模型计算，分析、预测不同工况下设备的热、力、声学特性，形成仿真性能输入输出数据集。

具体的分析，还请来直播间一同探讨，我将于2025年1月5日20时，笔者将在成都市航空航天学会主办，仿真秀承办的2024结构优化与智能制造行业应用专题报告会做《新能源设备开发中的优化设计实践》线上公开课。

分享新能源设备开发中的优化设计实践，特别是在储能和充电领域。针对新能源储能和充电系统及其设备，分享如何通过仿真评估这些设备的性能，确保其高效运行；介绍智能预测技术在储充设备性能评估中的应用，提前识别并解决问题；以期与大家一起深入讨论储充设备的优化设计和制造过程，以及这一领域的未来趋势和挑战。

以下是直播具体安排

2024结构优化与智能制造（五）：新能源设备开发中的优化设计实践（储能和充电）-仿真秀直播