新能源这么火，如何把好动力电池安全关？

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”。为了详细了解仿真技术在动力电池研发设计中的应用，e-works记者于2017年5月5日采访了惠州亿纬锂能公司副总裁袁中直博士。

图1 惠州亿纬锂能副总裁袁中直博士

    亿纬锂能创立于2001年，2009年在深圳创业板上市，作为中国锂电池行业的领先企业之一，目前已形成锂原电池、锂离子电池、动力系统、储能系统等核心业务。在锂原电池行业，亿纬锂能取得了绝对的竞争优势，是中国最大、世界前三的高能锂一次电池供应商，主要应用在智能表计、智能交通、智能安防等领域。亿纬锂能是第一家以锂离子电池为主业在国内上市的企业。致力于绿色能源事业，亿纬锂能成功推出新能源汽车电源系统、通信储能系统、家用储能系统、智能微网储能系统等一系列绿色能源产品和方案。

    近几年，随着新能源汽车爆发性的发展，亿纬锂能把握机遇，成功推出新能源汽车动力系统，拥有电芯、模组、电池管理系统、Pack结构等全产业链核心技术，应用领域涵盖增程式电动客车、纯电动客车和物流车、专用车、纯电动乘用车等。目前，公司总占地面积约50万平方米，在广东惠州、湖北荆门设有4大生产基地，在香港、台湾、美国、欧洲等国内外多地设分公司及办事处。未来，亿纬锂能将秉承“锂电池-驱动万物互联”的理念，用科技和创新让更多的国家和人民享受绿色生活，为地球存储绿色未来。

图2 惠州亿纬锂能股份有限公司

    智能制造时代，亿纬锂能的布局策略是：用世界上最先进的成套装备、管理方式来制造动力电池。具体来说，通过高端的自动化设备 控制系统，包括MES系统、SAP系统、评审系统，从而保证产品品质的一致性。

    关于智能制造，袁中直副总裁感触很深，他说道：“从开始决定制造动力电池，我们就走的高端制造路线，而非简单的自动化生产。要做世界一流水平的动力电池，有三大密集：技术密集、资金密集和管理密集。资金密集、技术密集是行业人士最常提出的两个密集，但其实锂电行业更是一个管理密集的行业。公司已配备改善品质的全员生产维护的TPM（Total Productive Maintenance）制度和保证制程水平不断提高的技师制度等多项管理制度。”

    经过智能制造的高效管理，亿纬锂能动力电池生产线效率获得显著提升。最明显的表现是：人均产量提升4倍、用工人数减少70%、制程缩短一半、优率提升到95%、容量一致性提升67%、电池内阻降到传统模式的30%。亿纬锂能动力电池产品覆盖方形磷酸铁锂、圆柱三元和软包叠片，现有产能5.8GWh，圆柱三元3.5GWh，方形磷酸铁锂2.3GWh。

    近几年，在推动新能源汽车产业发展的过程中，企业认识到电池包作为电动汽车的核心部件之一，是“木桶中最短的那根木头”，已成为制约电动汽车市场化的瓶颈。如图4为增程式电动客车电源系统的制造流程。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。

图3 增程式电动客车电源系统制造流程

    袁总介绍到，传统消费类的锂离子电池的研发设计方法已不再适用。在研究动力电池热安全问题时，传统的热成像技术只能采集到单体电池表面状态，植埋热电偶温度采集的方法受结构限制又无法得到完整的热分布信息。通过实验的方法都会浪费大量的人力、物力和财力。面对如此困境，我们意识到有限元仿真的优势，排除万难，急切需要利用仿真技术对汽车电池包Pack产品进行散热设计与优化，确保大容量电池Pack包实现可靠的热设计，保障产品的热安全性能。除了热分析外，还需要对电池包Pack进行模态分析、动态分析、疲劳分析、跌落分析和轻量化设计等等。

    关于仿真软件选型，袁总这样说到，我们考虑的因素主要有两点也是最重要的两点，一是要满足我们的需求，二是软件在行业内中有一定的普及度。对同行业CAE软件了解后，我们对ANSYS软件留下了深刻的印象，之后与ANSYS代理商广州阳普科技联系，从售前深入的交流到软件采购再到软件售后培训，ANSYS和阳普科技都给予了我们很大帮助。

    袁总继续解释道，ANSYS是一款融热、结构、流体、磁场等分析于一体的大型通用有限元分析软件，且在新能源电池行业应用也很多，工程师可以在同一个软件环境中，完成对动力电池pack包的热流体分析，模态、跌落等结构分析，可以轻松地满足我们的仿真需求。最后，我们采购了从建模（SpaceClaim）到热流体（Fluent）再到结构（Mechanical）的三大模块，用来全面解决动力电池包面临的散热、结构优化和热结构耦合问题。

    目前，CAE分析已成为亿纬锂能动力电池产品研发必不可少的环节，公司成立了专门的仿真小组对单体电芯，模组，电池包进行结构及热仿真分析。图4所示为动力电池项目开发流程。

图4 动力电池项目开发流程

    应用ANSYS Fluent仿真工具，通过建立有限元模型，进行热流耦合分析求解，获得完整的锂离子动力电池的热分布和流场分布，通过分析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。图5所示为电池包热流耦合分析结果。

图5 电池包热流耦合分析

    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。除了静强度分析，还需要进行模态分析，得出电池箱结构的固有频率，在有效的有限元模型基础上，通过反复的结构修改、仿真分析、结果评价，使改进后的电池箱在振动试验中不出现断裂、变形较大等结构破坏现象。在保证强度、模态特性及抗振动冲击性能的前提下，还要最大限度地减轻电池箱重量。图6所示为电池箱体的结构仿真结果。

图6 电池箱体的结构仿真

    袁总介绍到，目前企业的磷酸铁锂电池通过提升正极材料比容量、电芯优化设计和电池包轻量化设计，使系统能量密度达到了123Wh/kg，符合国家1.2倍补贴标准(115Wh/kg)。18650-2.6Ah三元电池单体比能量达到200Wh/kg以上，系统能量密度高达130Wh/kg，符合1.1倍补贴标准。

    最后，袁中直副总裁对ANSYS软件给予了高度肯定，他这样说到，通过部署易用的分析工具和适当的培训，ANSYS及代理商阳普科技在智能研发，构建研发团队上给予了帮助，在设计早期使用CAE软件可以明显提升动力电池的可靠性、安全性，缩短开发周期，同时可以将仿真结果用于产品营销环节，增加销售机会。

    “无处不在的仿真”，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。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。采访结束后，在企业工作人员陪同下参观了18650动力电池智能生产线，此生产线以松下电池作为标杆，年产能1GWh，不愧为“国内目前自动化程度最高的动力圆柱锂离子电池生产线”。