动力电池包仿真分析概述

随着国家对新能源汽车的扶持和推广力度不断加大，行业规范也越来越完善，一些不符合要求的电池包厂也逐渐被淘汰。未来要想在新能源汽车领域有所斩获，必须了解并适应国家对此行业的发展规划和发展方向。根据国家对新能源电池行业规范条件，电池包要进行公告申报，只有通过公告的电动汽车电池厂家，才能够进行电池的生产。

首先，这是十分必要的：

1）、这是对工厂的产能及实力的要求，《规范条件》对企业产能提出了量化的要求，锂离子动力蓄电池单体企业年产能力不得低于2亿瓦时，金属氢化物镍动力蓄电池单体企业年产能力不得低于1千万瓦时，超级电容器单体企业年产能力不得低于5百万瓦时。系统企业年产能力不得低于10000套或2亿瓦时。生产多种类型的动力蓄电池单体企业、系统企业，其年产能力需分别满足上述要求。

2）、为推动企业的技术进步，《规范条件》对企业研发机构、人员、设计规范文件体系和具体的设计研发能力提出了要求，企业应建立产品设计研发机构，应配备占企业员工总数比例不得少于10%或总数不得少于100人的研究开发人员，应建立与汽车研发相适应的产品设计开发流程和技术管理体系，建立汽车动力蓄电池产品设计规范，建立产品开发信息数据库。

3）、为保证企业产品的安全性和一致性，《规范条件》对企业产品和质量保证能力提出了要求，企业应通过IATF：16949质量体系认证，应建立从原材料、部件到成品出厂完整的检验和可追溯体系。

4）、为推动新能源汽车市场的形成和发展，对动力蓄电池产品提供质量保证等售后服务，《规范条件》要求企业应建立完善的售后服务体系，会同汽车整车企业研究制定可操作的废旧动力蓄电池回收处理、再利用的方案。而根据2017年3月1日，工业和信息化部发展改革委科技部财政部关于印发《促进汽车动力电池产业发展行动方案》的通知:

1）、产品性能大幅提升。到2020年，新型锂离子动力电池单体比能量超过300瓦时/公斤；系统比能量力争达到260瓦时/公斤、成本降至1元/瓦时以下，使用环境达-30℃到55℃，可具备3C充电能力。到2025年，新体系动力电池技术取得突破性进展，单体比能量达500瓦时/公斤。

2）、鼓励动力电池龙头企业协同上下游优势资源，集中力量突破材料及零部件、电池单体和系统关键技术，大幅度提升动力电池产品性能和安全性，力争实现单体350瓦时/公斤、系统260瓦时/公斤的新型锂离子产品产业化和整车应用。

其次，也是对产品的要求，工信部于2017年1月6日发布《新能源汽车生产企业及产品准入管理规定》，自2017年7月1日起施行。通过审查的新能源汽车生产企业及产品，由工信部通过《道路机动车辆生产企业及产品公告》（以下简称《公告》）发布。根据准入新规，申请准入的新能源汽车产品，应符合《新能源汽车产品专项检验项目及依据标准》。

不难看出，国家相关部门十分重视新能源行业电池包厂家产能、设计和分析技术能力，以及产品性能尤其是安全方面的性能，各大电池厂家只有加快和加大在产品研发方面的技术投入，从提升自身产品性能出发，才能满足日益严苛的产品应用需求以及国家的相关规范，才能在未来的市场竞争中占据有利地位。

目前新能源汽车产业发展主要集中在混合动力汽车、纯电动汽车和燃料电池汽车上。作为电动汽车的“心脏”，动力电池一直是新能源汽车产业发展的关键。就像内燃机车对发动机有各种要求，新能源汽车对电池组也有着苛刻的性能要求，包括安全性、稳定性、成本、充放电效率、比功率、比能量等，这些直接关系到新能源车在电动驱动上的表现。

为了能在最短周期内研制出高质量、可靠稳定的新能源汽车，工程师在研发环节引入先进的CAE仿真技术，来替代传统的反复使用物理样机验证方法。CAE技术可以在车用电池包设计过程中对电池包的结构和性能做出预估，从而大大降低电动汽车电池包开发风险，降低开发费用，从而提高电池包的设计质量和效率。目前国内外相关厂商机构，如比亚迪等都在积极地进行新能源汽车及其零部件的研发，因此，积极探索CAE技术在新能源汽车电池包设计、研发、制造中的应用是十分有意义的。

利用CAE技术对动力电池组进行仿真分析主要包括以下几个方面：

（1）电池组热管理，可以建立虚拟的电池组和散热通道的三维模型，在此基础上分析散热效果并对不同方案进行对比和优化，取代了试验方法，大大提高了设计效率；

（2）电池的机械性能分析，仿真模拟碰撞，碾压，针刺对电池的影响；

（3）电池的电性能分析，可研究过充/过放，大电流，充/放，外部短路对电池的影响；

（4）电池的结构力学分析，可研究电池组的振动、耐久性和疲劳寿命。

通过对电池进行静态分析，动态分析，CFD分析（热、电、磁），提高产品质量可靠性，有效降低产品总成本和研发周期，提高研发人员的设计水平和设计效率。

一、热分析。热分析主要是分析电池的温度，根据分析结果提供合理的热管理方案，延长电池包使用寿命，最大限度提高电动驱动系统的安全性、经济性。

（1）根据电池种类和PACK形式、电池热特性、使用量和使用环境等因素，确定其许用工作温度范围；

（2）分析不同环境条件（高温、低温）和各种使用工况（巡航、怠速、上坡、加速、充放电过程等）下的温度，并根据温度分布选择合理的热管理方案；

（3）构建初步的热管理方案；

（4）构建精细的热管理方案。目前，电池热管理的标准还未完全建立，一般都是根据不同类型电池的工作温度（温度高低和温度均匀性）指标进行分析和设计的。热分析内容也需要根据客户目标进行调整，常规的可参考TESLA MODEL S系列的热管理方案、日产的LEAF、BMW的i3等等。国内车企的热管理方案也是五花八门，既有模仿国外车企，也有各大电池商或整车厂自主设计的热管理系统。

二、电池包机械性能分析。机械性能分析主要用于仿真模拟碰撞、挤压、碾压以及针刺都工况对电池的影响，参考已颁布的测试规范，利用结构分析软件完成指定工况的校核。

三、电池包的电性能分析。电性能分析可研究过充/过放，大电流，充/放，外部短路对电池的影响；

四、动力学分析。利用动力学分析可以研究电池组的振动、耐久性和疲劳寿命等。比如，电池包在车辆行驶过程中发生随机振动，研究随机振动对电池包的疲劳寿命的影响具有重要意义。

对电池包完成仿真分析，一般需要提供以下信息：

1）电池型号；

2）电池类型（如磷酸铁锂、三元）；

3）充放电倍率；

4）液冷or风冷；

5）最高温度指标、环境温度；

6）整体均温指标、单体均温指标；

7）液冷系统自循环还是整车提供；

8）风冷是车载空调还是自带风扇；

9）电池包模型初步结构方案；

10）电池包工作状态描述；

11）分析对应规范；

12）其他特殊要求等。

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