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技术文章—ANSYS在新能源电池仿真设计中的应用探讨

[ 摘要 ] 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整车性能。由于锂离子要求体积小、比能量高、循环寿命长，因此如何严格把控电池发热及电池本身结构适应复杂行驶工况，成为了众多设计者关心的问题。有限元仿真作为研发必不可少的手段之一，在动力电池的研发设计中起着至关重要的作用，而随着国内新能源汽车领域的不断成熟，国标GBT31467.3-2015的不断完善，如何将复杂冗长的实验与仿真相结合，成为了每家新能源电池厂家关注的问题。本文中以ANSYS为仿真平台，结合国标GBT31467.3-2015，对动力电池的仿真进行了深入探讨，以利于设计者进行完整的分析流程。

前言

此前，梅赛德斯·奔驰郑重宣布，将在2022年之前将旗下整个汽车产品线全部实现电动化，传统燃油车型全面停产停售。沃尔沃也宣布将在2019年之前将产品线全部改造成电气化。各大厂商将目光投向新能源汽车领域，此举是为了应对当前各国越来越严格的排放标准。截至当前，全球已有6个国家公开发表声明将全面禁止纯汽油车和柴油车。荷兰和挪威提出2025年之后禁售燃油车，德国提出2030年后只允许零排放汽车上路，英国提出2040年起全面禁售汽油和柴油汽车，印度计划在2030年全面禁售燃油车。各国新政让新能源汽车行情将进入全面加速阶段。

随着新能源汽车成为汽车行业的发展趋势，各大汽车厂商纷纷加大力度支持新能源汽车技术研发。在转型升级研发生产中，各新能源车企逐渐认识到电池作为电动汽车的核心部件之一，由于其综合性能和寿命严重影响整车性能，已经成为了制约电动汽车发展的瓶颈之一，也是反应技术实力的关键所在，汽车动力电池技术的短板，续航里程短、充电时间长等问题，阻碍着电动汽车大量普及。为解决电池储能、续航、快充等多方面的问题，越来越多的科研院所和汽车企业加入汽车动力电池研发，力图突破瓶颈，创造更长续航里程。今年以来，国内外先后有报道称宝马、福特和捷豹、路虎三家车企将联合建立电动车用电池生产厂，此外有此计划的还有德国大众。另外，特斯拉投资50亿美元的超级电池工厂即将投产，而包括上汽、北汽、奇瑞、力帆在内的一大批国内整车企业也通过各种方式，不同程度的将业务延伸至动力电池领域。市场快速扩张，众多车企在加快推出新能源汽车的同时，逐步开始布局动力电池领域，动力电池市场格局迎来变数。与此同时，基于动力电池体积小、比能量高、循环寿命长等特点和要求，导致众多车企在动力电池的设计研发过程中面临诸多问题，而其中最主要的挑战包括以下几个方面：

①费用：电池、电机、电控系统作为新能源最关键的三大部件，成本占据了新能源汽车的百分之60以上，因此在保证性能的前提下，如何节省制造成本，成为了首当其冲的问题；

②性能：考虑空间布局的限制，导致电池体积小，同时考虑续航要求，要求电池比能量高，电池的发热性能及使用稳定性成为了设计者需要重点考虑的问题；

③耐用性和使用寿命：汽车行驶工况复杂，需要对动力电池进行各种复杂工况下的实验，例如随机振动、疲劳耐久等，从而保障汽车能够满足整体使用寿命；

④安全性：汽车作为为人类出行的主要工具，在保证电池包自身使用性能的前提下，考虑恶劣环境下的安全性也是不可忽视的一个因素，例如防止高温燃烧等发热问题是众多车企关注的问题。

综上所述，动力电池的设计是一个复杂的、多尺度的问题，涉及到材料学、电化学、结构设计、散热设计等诸多方面。电动汽车用电池安全性，此前一直依据两个相关行业标准，2015年5月15日，由全国汽车标准化技术委员会组织起草的电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统国家标准GBT31467.3-2015正式发布。该标准对动力电池的实验项目进行了详细的规定，而目前在多数动力电池厂家，针对动力电池的设计方法通常为从设计到实验再到修改设计，通常需要进行多轮修正，带来了设计和实验周期长、实验成本高等问题，直接导致产品上市时间不短拖延，从而在如今竞争激烈的电池领域错失良机。

因此本文拟通过仿真手段，将相关标准和仿真平台相结合应用于动力电池设计研发流程中，帮助企业在设计初期即介入产品研发，通过仿真寻找产品设计最佳参数的组合，设计出综合性能最佳的产品，实现精益生产，把控产品质量，从而增强企业竞争力。

ANSYS仿真平台在动力电池领域的解决方案

根据前述，由于动力电池设计的复杂性，会带来强度、疲劳、发热、电化学等不同尺度、不同层级的问题，因此需要进行多领域、多级别的仿真工作，因此仿真数据的协同性变得异常重要。

Figure.1 ANSYS针对动力电池不同尺度仿真能力

ANSYS作为世界领先的多物理场仿真工具，以Workbench为多物理场仿真平台，建立了仿真体系，实现了数据共享、协同仿真，可以十分方便的对动力电池进行不同尺度的仿真工作。（如图所示）。

其中以电池包的设计为例，在GBT31467.3-2015中对其结构性能要求进行了完整的规定，通常进行一次完整的实验，周期长，如果实验失败，还需修改，重新实验，因此可以基于ANSYS平台，对规范中规定的实验工况进行仿真模拟，找出产品薄弱点，进行优化分析，可以大量节省周期和成本，如下表中对于规范中的主要实验工况和对应的仿真类型总结。

序号

实验名称

实验方法概述

仿真分析类型

振动

在振动台上对电池包进行三个方向的振动测试，一定之间后观察是否破坏

随机振动

振动疲劳

冲击

施加25g，15ms的半正弦冲击波，Z方向冲击3次

显式动力学

跌落

沿着最可能跌落的方向，从1m自由落体

显式动力学

碰撞

按照规定的脉冲对X、Y轴施加冲击

显式动力学

挤压

挤压板沿X、Y方向挤压电池包，挤压力达到20t或挤压变形达到指定值时停止

静力学

ANSYS在电池仿真领域应用案例

电池包随机振动仿真案例

针对某型号电池包进行随机振动分析，查看电池包结构性能。该电池包几何模型如下所示，仿真工作进行前，使用ANSYS模型修复工具Spaceclaim进行模型修复和简化，在不影响精度的前提下减少计算量。通过对该电池包进行模态分析、随机振动分析，查看该产品在1sigma概率下的应力状态，满足规范要求。

电池包跌落分析

针对某型号动力电池，考察跌落工况，跌落分析一般采用显式动力学分析方法，本次分析中使用Explicit Str模块进行分析，考虑不同高度、不同角度跌落，最终得到动力电池在不同工况下跌落的应力、变形情况。

结论

通过以ANSYS Workbench平台为依托的多物理场、多尺度的仿真，能够针对电池各类性能进行全面的仿真工作。同时该方法具备以下优点：

（1）ANSYS Workbench具备协同仿真环境，避免数据异构问题，解决了仿真环境统一性的要求；

（2）使用仿真手段进行电池包各项性能分析，能够极大缩短产品研发周期、降低实验成本；

（3）对于新产品的开发，缺乏经验的前提下，可以依靠仿真手段进行多方案对比，并形成最优方案实践。

[参考文献]

电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统第3部分：安全性要求和测试方法

Ansys正在通过广泛合作，改变EDA各自为战的现状

本文编译自semiwiki 作者 Daniel Nenni

电子设计自动化 (EDA) 行业曾经像一个熙熙攘攘的，涵盖了包括初创公司、主导技术领域的中型公司和大型主要供应商的集市。一年一度的DAC大会嘈杂、忙碌，而且遍布多个大型会议厅。这种多样性意味着设计人员需要将他们的芯片设计流程与来自许多软件工具供应商的点工具结合在一起。因此，设计公司都设立了专门的内部方法团队（或“CAD 团队”）来为其芯片设计团队评估、设置、集成和维护一套设计软件工具。

随着 2000 年代初期席卷 EDA 的强大整合，这一切都发生了变化。这一变化反映了半导体行业所有部门的整合，包括硅制造商、晶圆厂设备供应商和芯片设计公司本身。EDA行业现在仅有4家主要供应商，按照年销售额排名，分别为：Synopsys（$3.7B）、Cadence Design Systems（$2.7B）、Siemens EDA（~$1.8B）和 Ansys（$1.7B）。

这种整合行动的一个牺牲品是放弃了早期 EDA 公司所支持的开放、协作的商业模式。取而代之的是，一种封闭的心态接管了这里，以建立“全流量”、单一供应商、独家合同。尽管取得了一些有限的成功，但这种方法从未真正成功，尤其是在提供大部分 EDA 收入的主要半导体公司中。

这种模式失败的主要原因无非有两个：第一，客户不愿意将自己束缚在单一的供应商上，从而失去在商业谈判中的筹码。但是，抛开经济学不谈，没有一家供应商能够为主要半导体客户的全部要求提供具有竞争力的解决方案。随着摩尔定律和超越摩尔定律的快速技术演进导致设计挑战发生根本性变化，这一事实变得更加突出：

超低电压、高速硅工艺模糊了模拟和数字之间的界限——interposer上的高速互连现在通常需要详细的电磁场分析。动态电压降现在对 7nm 及以下的总路径时序分析贡献了大约 30%的工作量。

3D-IC 多芯片系统和芯粒已经模糊了 IC 和 PCB 设计技术之间的界限。

功耗已成为许多应用的首要问题，并模糊了芯片和封装设计之间的界限。处于早期布局规划阶段的 3D-IC 和小芯片设计人员现在需要担心热管理、冷却、散热器以及机械应力/翘曲可靠性问题。

最终结果是人们重新认识到芯片设计是一个极其复杂的多物理场问题，没有一家公司拥有解决所有问题的广度和深度的技术。此时，Ansys 正在通过引领行业复兴传统的 EDA 开放平台方法来接受这一现实。他们积极寻求与其他供应商的合作、伙伴关系和联合开发，以解决设计师面临的深层技术问题并创建独特的跨学科沟通解决方案。

Ansys 的合作基于其销售广泛的工程分析工具。这条道路的早期阶段始于 2017 年，当时 Ansys 和 Synopsys 合作将 Ansys RedHawk-SC 电源完整性分析本地集成到 Synopsys 的 Fusion Compiler 中。随着 Synopsys 3DIC Compiler 的发布，这种合作得到了深化，该编译器依赖于 Ansys RedHawk-SC Electrothermal 对 3D-IC 进行热分析和中介层分析。

Ansys 还与西门子 EDA 合作，在西门子的 Veloce 硬件仿真器和 Ansys PowerArtist RTL 功耗分析工具之间提供直接链接。在最近由 Ansys 主办的 IDEAS 论坛上，我们看到了是德科技技术业务负责人 Tom Lillig、Synopsys 战略和系统架构公司副总裁 Siva Yerramilli 和Altium生态系统首席副总裁 Ted Pawela 的主题演讲。来自 Cadence Design Systems 的 Gilles Lamant 还介绍了联合光学解决方案。这是史无前例的多家竞争公司同台演讲，这也证明Ansys看到了联合起来为客户解决特定问题的价值，我相信这可能预示着在建立可行的电子设计流程方面产生合作的商业趋势复兴。

Ansys 通过自己的内部重组拥抱了这一市场发展，在通用电子和半导体业务部 John Lee的领导下，其半导体部门和电子部门合并。John是提供的坚定支持者开放平台，允许最广泛的设计工具协同工作和交换数据。在他的领导下，Ansys 扩大了与 Synopsys 的关系，将自己的开发重点转向了开放平台，并与互补的工具提供商建立了联系，为 Ansys 的多元化客户群创建行业解决方案。

我认为这是一个有趣的趋势，可能会有益于整个 EDA 行业。