CFD&CAE仿真技术为动力电池PACK保驾护航
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其产业的发展。锂离子电池以其体积小、比能量高、循环寿命长、环境污染小和安全性高等优点成为电动汽年的首选电源。其超高的能量密度虽然可以缓解续航里程短的缺点，但由于动力电池发热带来的安全问题却非常严重，各大动力电池生产企业都在竭力寻找解决此问题的捷径，有限元仿真技术便是捷径之一。仿真技术作为智能研发必不可少的一种使能工具，应用范围非常广泛，可以说“无处不在”。
CFD在动力电池包中的解决方案
动力电池是由成千甚至上万个电芯组成的一个庞大的电源系统，重量从几百公斤到1-2吨不等。如此庞大的电源系统，其安全性不容忽视，而动力电池最大的安全问题就是发热，过高的温度不仅会影响电池的寿命，更会导致锂电池的正极材料脱落分解、负极与电解液反应、薄膜刺穿等严重安全隐患。运用STARCCM等热仿真软件对锂离子动力电池的热分布和流场分布进行建模仿真，得到多种方案的模拟结果，对电池的排布方式及电池热管理方案起到很大的指导作用。如下图热仿真温度云图。
动力电池热流体仿真主要包括一下方面
1电池PACK系统的高温散热分析，模拟新能源汽车在高温下工作时电芯温度情况。
2电池PACK系统的低温加热工况分析，模拟新能源汽车在低温下停车再启动前讲电池温度加热到能正常放电工况，加热效率直接影响用户体验。
3常温行车工况，模拟汽车在正常环境温度下，电芯温度变化。
4保温工况，良好的保温设计，不仅仅能够提升冷却和加热效率，同时还能大大减小热管理的能耗。
CAE在动力电池包中的解决方案
电池箱的功能即容纳和保护电池组，所以其结构必须保证保留最大的容纳空间基础上满足足够的强度，在薄弱的部位进行重点防护。电池箱体的结构分析主要有模态分析、静态分析和动态分析。
图3 CAE结构分析流程
模态分析用于确定电池箱体结构的固有频率，可以在设计时避开这些频率或者最大限度地减少对这些频率上的激励，从而消除过度振动和噪声。使用Hypermesh完成前处理，提交给abaqus进行计算，计算结果用有限元分析后处理软件HyperView 查看电池包的固有频率、重点位置的位移和应力。
静态分析的目的是确定电池包结构在静态载荷作用下的应力分布及最大应力出现的位置，以检验电池箱体结构能否承受一定的静载荷作用。
动态分析主要分析电池箱体在各种工况下工作的动态性能。由于电池模块与电池包壳体并非刚性连接而是接触连接，为了更好的模拟这种接触特性，采用具有接触非线性分析功能的有限元分析软件Abaqus 作为动态分析的求解器。
a)静强度分析。电池箱不直接承受工作载荷，汽车在不平整路面行驶时，电池模块晃动产生的惯性冲击力作用于电池箱内壁，进行有限元仿真时，把模块的冲击载荷通过动载荷系数等效为静载荷，均匀施加在电池箱内壁。载荷工况分为：颠簸行驶并转弯：根据汽车转弯常见的加速度和路面不平产生的加速度来确定作用在侧壁的载荷。颠簸行驶和刹车的载荷加载类似，但是此时载荷作用在另—侧侧壁。
b)刚度分析。主要考虑的工况为扭转和弯曲。当电池箱结构跨度较大时，容易产生形变。通过应力云图得出在扭转或玩去载荷作用下，可以得到电池箱结构容易产生破坏的地方。模态分析。通过在底部添加质量点来模拟电池模块的质量分布。模态分析目的是为了得到电池箱结构的固有频率，如果结构固有频率与定频振动测试的频率接近，则需要对结构改进，改变其固有频率，避免共振。
d)多轴向振动冲击仿真。定频振动时：包括上下、左右、前后，需要分别施加三个方向的载荷模拟试验台对电池箱施加的激励。把随着时间变化的加速度转化为相应的位移来施加振动载荷，振动载荷加在拖脚处，即给拖脚部分施加一个随着时间变化的强迫位移；扫频振动时：按照试验条件事假载荷。
e)疲劳分析。这需要整车CAE分析结果和实验数据、电池箱材料的SN(应力-寿命曲线)、材料的疲劳极限图、有效应力集中因数、尺寸因数和表面质量因数等参数。如果没有足够的实验参数支持，可以对电池箱结构进行虚拟工况下的疲劳分析，即假设电池箱在真实约束状况下受正弦交变载荷作用，分析此时的电池箱疲劳寿碰撞性能。电池箱碰撞性能也需要整车碰撞数据支持，或者根据经验值分析。
下图为电池箱体结构仿真结果：
仿真技术可以帮助企业满足动力电池苛刻的标准要求，为动力电池的智能研发提供一条捷径，为动力电池质量保驾护航。未来，无论是前期设计还是后期校核，仿真技术都将发挥重大价值。
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