有限元分析在新能源電池的應(yīng)用 富士康250億項目來了
根據(jù)協(xié)議部署，富士康擬在昆山投資250億加碼向智能制造、人工智慧、新能源、智慧物聯(lián)網(wǎng)等新興領(lǐng)域進(jìn)軍，在新能源電池項目上，通過整合兩岸電池研發(fā)資源，設(shè)立新能源汽車研發(fā)中心，重點(diǎn)突破新能源汽車動力電池的核心技術(shù)，并著手推進(jìn)充電樁系統(tǒng)建設(shè)，為未來建設(shè)新能源整車研發(fā)制造基地奠定基礎(chǔ)。在解決動力電池包散熱問題、電池箱結(jié)構(gòu)問題等方面，各大動力電池生產(chǎn)企業(yè)都在竭力尋找解決捷徑，有限元仿真技術(shù)便是捷徑之一。
圖1富士康與昆山市政府簽訂戰(zhàn)略協(xié)議
當(dāng)下，新能源汽車產(chǎn)業(yè)已進(jìn)入加速模式。從上汽集團(tuán)與寧德時代強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)手成立動力電池公司；比亞迪在青海布局動力電池原材料領(lǐng)域，加大動力電池技術(shù)研發(fā)和投資等行業(yè)巨頭動作來看，動力電池技術(shù)的突破將會是新能源汽車行業(yè)競爭力提升的關(guān)鍵。
圖2動力電池性能決定因素
目前新能源動力電池各項技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀是：鋰離子電池仍是主力，錳酸鋰正極材料、三元體系正極材料、磷酸鐵鋰正極材料、復(fù)合碳負(fù)極材料、陶瓷涂層隔膜、電解質(zhì)鹽及功能電解液技術(shù)的發(fā)展支撐了電池技術(shù)的進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。電池系統(tǒng)技術(shù)包括電池成組技術(shù)（集成電池配組、熱管理、碰撞安全、電安全等）、電池管理系統(tǒng)（BMS）、電磁兼容技術(shù)、信號的精確測量（如單體電壓、電流等）技術(shù)、電池狀態(tài)精確估計、電池均衡控制技術(shù)等，仍在實際應(yīng)用中進(jìn)步，安全性和可靠性仍需提升。
正如上面所述，在解決動力電池包散熱問題、電池箱結(jié)構(gòu)問題等方面，各大動力電池生產(chǎn)企業(yè)都在竭力尋找解決捷徑，有限元仿真技術(shù)便是捷徑之一，其基本分析流程如圖3所示，它在研究新能源動力電池?zé)岱治觥⒛B(tài)分析、動態(tài)分析、疲勞分析、跌落分析和輕量化設(shè)計等方面有著獨(dú)有的優(yōu)勢。
圖3動力電池包的CAE分析流程
在熱分析方面，通過建立虛擬的電池組和散熱通道的三維模型，在此基礎(chǔ)上分析散熱效果并對不同方案進(jìn)行對比和優(yōu)化，并以此來獲得最佳的散熱結(jié)構(gòu)；另外，物理測試方法無法測量電池內(nèi)部電芯位置的溫度，但仿真是基于三維實物的真實物理系統(tǒng)的還原仿真，因此能夠獲得電池任何位置的溫度，這比傳統(tǒng)的物理測量要有很大優(yōu)勢。
在跌落、碰撞、沖擊等機(jī)械運(yùn)動分析方面，通過對電池箱體建立有限元模型，設(shè)置材料的參數(shù)，仿真各類工況下電池箱體的結(jié)構(gòu)變化，經(jīng)過反復(fù)的結(jié)構(gòu)修改、仿真分析、結(jié)果評價，使改進(jìn)后的電池箱在振動試驗中不出現(xiàn)斷裂、變形較大等結(jié)構(gòu)破壞現(xiàn)象。
在輕量化設(shè)計方面，通過有限元分析得出電池箱體結(jié)構(gòu)主要的承載部位，充分利用材料強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)剛度，對結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行合理分布；另外，在保證電池箱強(qiáng)度和剛度等各方面性能的基礎(chǔ)上，對新材料在電池箱結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用進(jìn)行探索，達(dá)到減輕箱體重量目的。
在疲勞分析方面，通過電池箱結(jié)構(gòu)在真實約束條件下受正弦交變載荷作用，分析電池箱的疲勞壽命。由于做實際的疲勞分析工作量大，耗費(fèi)的時間和人力成本高，而通過有限元分析，只需要獲取材料準(zhǔn)確的強(qiáng)度、頻率等參數(shù)，建立合理的模型就可對相關(guān)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。
簡而言之，通過計算機(jī)輔助工程分析系統(tǒng)，對電池系統(tǒng)進(jìn)行有限元仿真應(yīng)用，在指導(dǎo)設(shè)計、提高質(zhì)量、降低開發(fā)成本和縮短開發(fā)周期上發(fā)揮著日益顯著的作用，可以幫助企業(yè)滿足動力電池苛刻的標(biāo)準(zhǔn)要求，為動力電池的智能研發(fā)提供一條捷徑。
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