行业应用方案 | 新能源电池

Ansys 行业应用方案连载（20） | 新能源电池

随着化石能源的日益消耗和对环保的逐渐重视，利用电能取代化石能源作为动力的电动汽车受到了世界各国的关注和大力研发。电池技术作为电动汽车的核心和瓶颈，是电动汽车研究的重点和热点方向，也是关系到新能源汽车成本、续航里程、安全性及使用寿命的关键。

目前的电池研发方向，主要有四种技术路线：锂离子电池、燃料电池、超级电容和铝空气电池，其中前三者得到了广泛应用，后者尚在实验室研究阶段。整体来看，锂离子电池和燃料电池在未来相当长时间内是主要发展趋势。

由于电池研发的特殊性，其设计涵盖电、电化学、热、流动、结构，甚至电磁干扰等多个学科，并且上述几个学科性能紧密相关，客户在设计电池时，必须使用多物理场的方法来进行。

目前对于新能源电池的仿真研发主要在于电池反应研究以及热管理研究两大方面，Ansys对这两大方面的研究均有较成熟的解决方案。

由于电池研究过程中的物理现象具有差距非常大的时间和空间维度，Ansys为此提供了MSMD的解决方法；还针对电池使用过程中可能遇到的问题，如短路、热失控等等提供了相应的模型和解决方案。

除此之外，Ansys还可以通过CFD的计算结果提取出电池的ROM降阶模型，可近乎实时得到精度非常高的结果，并可将此ROM降阶模型用于系统仿真中。

最后，Ansys针对电池具体使用过程中的结构强度、振动性能、疲劳分析、跌落分析、挤压分析、冲击分析、碰撞分析等一系列国标中要求的测试均有对应的仿真方案。

• 固体氧化物传热传质仿真分析

• PEMFC 电池组模拟

• 反应湿度对PEMFC性能影响

• PEMFC 水管理

• PEMFC 电解仿真

• 基于MSMD方法的电池单体热仿真
  

• 电池单体倍率性能分析

• 电池单体热失控仿真

• 电池**或内外部短路分析

• 基于Fluent/Icepak的电池包CHT传热分析
  

• 电池PACK散热分析

• 基于MSMD方法的电池包整体热仿真

• 基于MSMD方法的电池包短路仿真

• 电池PACK串并联特性分析

• 基于LTI-ROM降阶模型的电池包热仿真
  

• 基于SVD-ROM降阶模型的电池包热仿真

• 电池单体强度分析
  

• 电池单体跌落分析

• 电池PACK强度分析

• 电池PACK振动性能分析

• 电池PACK跌落性能分析

• 电池PACK振动疲劳分析

• 电池PACK挤压仿真分析

• 电池PACK冲击仿真分析

• 电池PACK碰撞仿真分析

• 电池PACK温度冲击仿真分析

Ansys新能源电池解决方案从电池工作的天然多物理场特性出发，分别从流体、电化学、传热、结构强度以及系统仿真角度来解决客户的研发设计问题。

• Ansys CFD：Ansys Fluent内置了MSMD模块，专门用于进行锂电池的流体仿真工作，具体包括电池的热管理、冷却传热、电化学反应计算，还有专门的热失控模块来仿真锂电池的极端热扩散现象。Ansys Fluent内置了PEMFC和SOFC模块，专门用于燃料电池的研发仿真工作，其中PEMFC模块用于质子交换膜燃料电池的电化学、热、流动等仿真，其中的SOFC模块用于高温氧化物燃料电池的仿真工作。

• Ansys Mechanical：业界最先进的结构强度仿真模块，可针对电池研发中的结构强度、应力应变、振动模态、疲劳寿命、拓扑优化等方向进行仿真设计。其中LS-dyna已经是整个行业内的黄金软件，广泛应用于电池包/模组的**、碰撞、挤压、冲击等仿真。

• Ansys Twin Builder：凭借强大的系统仿真能力和模型库，Twin Builder可针对电池仿真中的电性能仿真进行快速建模，搭建ECM或NTGK电化学模型模型，并且Twin Builder可配合Ansys Fluent一起进行LTI和SVD降阶，在Twin Builder界面内实现电热耦合仿真，以近乎实时的仿真速度来实现接近3D CFD的仿真精度。