鉅大LARGE | 點擊量：570次 | 2021年11月27日
新能源這么火，如何把好動力鋰電池安全關(guān)？
動力鋰離子電池作為新能源汽車的核心部件，其使用性能和壽命嚴(yán)重影響著其產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。鋰離子電池以其體積小、比能量高、循環(huán)壽命長、環(huán)境污染小和安全性高等優(yōu)點成為電動汽年的首選電源。其超高的能量密度雖然可以緩解續(xù)航里程短的缺點，但由于動力鋰離子電池發(fā)熱帶來的安全問題卻非常嚴(yán)重，各大動力鋰離子電池生產(chǎn)公司都在竭力尋找解決此問題的捷徑，有限元仿真技術(shù)便是捷徑之一。仿真技術(shù)作為智能研發(fā)必不可少的一種使能工具，應(yīng)用范圍非常廣泛，可以說“無處不在”。為了詳細(xì)了解仿真技術(shù)在動力鋰離子電池研發(fā)設(shè)計中的應(yīng)用，e-works記者于2017年五月五日采訪了惠州億緯鋰能公司副總裁袁中直博士。
圖1惠州億緯鋰能副總裁袁中直博士
踐行綠色，矢志不渝
億緯鋰能創(chuàng)立于2001年，2009年在深圳創(chuàng)業(yè)板上市，作為我國鋰離子電池行業(yè)的領(lǐng)先公司之一，目前已形成鋰原電池、鋰離子電池、動力系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)等核心業(yè)務(wù)。在鋰原電池行業(yè)，億緯鋰能取得了絕對的競爭優(yōu)勢，是我國最大、世界前三的高能鋰一次電池供應(yīng)商，重要應(yīng)用在智能表計、智能交通、智能安防等領(lǐng)域。億緯鋰能是第一家以鋰離子電池為主業(yè)在國內(nèi)上市的公司。致力于綠色能源事業(yè)，億緯鋰能成功推出新能源汽車電源系統(tǒng)、通信儲能系統(tǒng)、家用儲能系統(tǒng)、智能微網(wǎng)儲能系統(tǒng)等一系列綠色能源產(chǎn)品和方法。
近幾年，隨著新能源汽車爆發(fā)性的發(fā)展，億緯鋰能把握機遇，成功推出新能源汽車動力系統(tǒng)，擁有電芯、模組、電池管理系統(tǒng)、Pack結(jié)構(gòu)等全產(chǎn)業(yè)鏈核心技術(shù)，應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋增程式電動客車、純電動客車和物流車、專用車、純電動乘用車等。目前，公司總占地面積約50萬平方米，在廣東惠州、湖北荊門設(shè)有4大生產(chǎn)基地，在香港、、美國、歐洲等國內(nèi)外多地設(shè)分公司及辦事處。未來，億緯鋰能將秉承“鋰離子電池-驅(qū)動萬物互聯(lián)”的理念，用科技和創(chuàng)新讓更多的國家和人民享受綠色生活，為地球存儲綠色未來。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
圖2惠州億緯鋰能股份有限公司
“動力”十足，“儲”見成效
智能制造時代，億緯鋰能的布局策略是：用世界上最先進的成套裝備、管理方式來制造動力鋰離子電池。具體來說，通過高端的自動化設(shè)備+控制系統(tǒng)，包括MES系統(tǒng)、SAP系統(tǒng)、評審系統(tǒng)，從而保證產(chǎn)品品質(zhì)的一致性。
有關(guān)智能制造，袁中直副總裁感觸很深，他說道：“從開始決定制造動力鋰離子電池，我們就走的高端制造路線，而非簡單的自動化生產(chǎn)。要做世界一流水平的動力鋰離子電池，有三大密集：技術(shù)密集、資金密集和管理密集。資金密集、技術(shù)密集是行業(yè)人士最常提出的兩個密集，但其實鋰電行業(yè)更是一個管理密集的行業(yè)。公司已配備改善品質(zhì)的全員生產(chǎn)維護的TPM（TotalProductiveMaintenance）制度和保證制程水平不斷提高的技師制度等多項管理制度。”
經(jīng)過智能制造的高效管理，億緯鋰能動力鋰離子電池生產(chǎn)線效率獲得顯著提升。最明顯的表現(xiàn)是：人均產(chǎn)量提升4倍、用工人數(shù)減少70%、制程縮短一半、優(yōu)率提升到95%、容量一致性提升67%、電池內(nèi)阻降到傳統(tǒng)模式的30%。億緯鋰能動力鋰離子電池產(chǎn)品覆蓋方形磷酸鐵鋰、圓柱三元和軟包疊片，現(xiàn)有產(chǎn)量5.8GWh，圓柱三元3.5GWh，方形磷酸鐵鋰2.3GWh。
安全問題，不容小覷
近幾年，在推動新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的過程中，公司認(rèn)識到電池包作為電動汽車的核心部件之一，是“木桶中最短的那根木頭”，已成為制約電動汽車市場化的瓶頸。如圖4為增程式電動客車電源系統(tǒng)的制造流程。動力鋰離子電池是由成千甚至上萬個電芯組成的一個龐大的電源系統(tǒng)，重量從幾百公斤到1-2噸不等。如此龐大的電源系統(tǒng)，其安全性不容忽視，而動力鋰離子電池最大的安全問題就是發(fā)熱，過高的溫度不僅會影響電池的壽命，更會導(dǎo)致鋰離子電池的正極材料脫落分解、負(fù)極與電解液反應(yīng)、薄膜刺穿等嚴(yán)重安全隱患。
圖3增程式電動客車電源系統(tǒng)制造流程
袁總介紹到，傳統(tǒng)消費類的鋰離子電池的研發(fā)設(shè)計方法已不再適用。在研究動力鋰離子電池?zé)岚踩珕栴}時，傳統(tǒng)的熱成像技術(shù)只能采集到單體電池表面狀態(tài)，植埋熱電偶溫度采集的方法受結(jié)構(gòu)限制又無法得到完整的熱分布信息。通過實驗的方法都會浪費大量的人力、物力和財力。面對如此困境，我們意識到有限元仿真的優(yōu)勢，排除萬難，急切要利用仿真技術(shù)對汽車電池包Pack產(chǎn)品進行散熱設(shè)計與優(yōu)化，確保大容量電池Pack包實現(xiàn)可靠的熱設(shè)計，保障產(chǎn)品的熱安全性能。除了熱分析外，還要對電池包Pack進行模態(tài)分析、動態(tài)分析、疲勞分析、跌落分析和輕量化設(shè)計等等。
縝密選型，選中ANSYS
有關(guān)仿真軟件選型，袁總這樣說到，我們考慮的因素重要有兩點也是最重要的兩點，一是要滿足我們的需求，二是軟件在行業(yè)內(nèi)中有一定的普及度。對同行業(yè)CAE軟件了解后，我們對ANSYS軟件留下了深刻的印象，之后與ANSYS代理商廣州陽普科技聯(lián)系，從售前深入的交流到軟件采購再到軟件售后培訓(xùn)，ANSYS和陽普科技都給予了我們很大幫助。
袁總繼續(xù)解釋道，ANSYS是一款融熱、結(jié)構(gòu)、流體、磁場等分析于一體的大型通用有限元分析軟件，且在新能源電池行業(yè)應(yīng)用也很多，工程師可以在同一個軟件環(huán)境中，完成對動力鋰離子電池pack包的熱流體分析，模態(tài)、跌落等結(jié)構(gòu)分析，可以輕松地滿足我們的仿真需求。最后，我們采購了從建模（SpaceClaim）到熱流體（Fluent）再到結(jié)構(gòu)（Mechanical）的三大模塊，用來全面解決動力鋰離子電池包面對的散熱、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和熱結(jié)構(gòu)耦合問題。
智造時代，智能研發(fā)
目前，CAE分析已成為億緯鋰能動力鋰離子電池產(chǎn)品研發(fā)必不可少的環(huán)節(jié)，公司成立了專門的仿真小組對單體電芯，模組，電池包進行結(jié)構(gòu)及熱仿真分析。圖4所示為動力鋰離子電池項目開發(fā)流程。
圖4動力鋰離子電池項目開發(fā)流程
應(yīng)用ANSYSFluent仿真工具，通過建立有限元模型，進行熱流耦合分析求解，獲得完整的鋰離子動力鋰離子電池的熱分布和流場分布，通過分析多種方法的模擬結(jié)果，對電池的排布方式及電池?zé)峁芾矸椒ㄆ鸬胶艽蟮闹笇?dǎo)用途。圖5所示為電池包熱流耦合分析結(jié)果。
圖5電池包熱流耦合分析
電池箱的功能即容納和保護電池組，所以其結(jié)構(gòu)必須保證保留最大的容納空間基礎(chǔ)上滿足足夠的強度，在薄弱的部位進行重點防護。除了靜強度分析，還要進行模態(tài)分析，得出電池箱結(jié)構(gòu)的固有頻率，在有效的有限元模型基礎(chǔ)上，通過反復(fù)的結(jié)構(gòu)修改、仿真分析、結(jié)果評價，使改進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。在保證強度、模態(tài)特性及抗振動沖擊性能的前提下，還要最大限度地減輕電池箱重量。圖6所示為電池箱體的結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果。
圖6電池箱體的結(jié)構(gòu)仿真
袁總介紹到，目前公司的磷酸鐵鋰離子電池通過提升正極材料比容量、電芯優(yōu)化設(shè)計和電池包輕量化設(shè)計，使系統(tǒng)能量密度達(dá)到了123Wh/kg，符合國家1.2倍補貼標(biāo)準(zhǔn)(115Wh/kg)。18650-2.6Ah三元電池單體比能量達(dá)到200Wh/kg以上，系統(tǒng)能量密度高達(dá)130Wh/kg，符合1.1倍補貼標(biāo)準(zhǔn)。
最后，袁中直副總裁對ANSYS軟件給予了高度肯定，他這樣說到，通過部署易用的分析工具和適當(dāng)?shù)呐嘤?xùn)，ANSYS及代理商陽普科技在智能研發(fā)，構(gòu)建研發(fā)團隊上給予了幫助，在設(shè)計早期使用CAE軟件可以明顯提升動力鋰離子電池的可靠性、安全性，縮短開發(fā)周期，同時可以將仿真結(jié)果用于產(chǎn)品營銷環(huán)節(jié)，新增銷售機會。
后記
“無處不在的仿真”，可以幫助公司滿足動力鋰離子電池苛刻的標(biāo)準(zhǔn)要求，為動力鋰離子電池的智能研發(fā)供應(yīng)一條捷徑。未來，無論是前期設(shè)計還是后期校核，仿真技術(shù)都將發(fā)揮重大價值。采訪結(jié)束后，在公司工作人員陪同下參觀了18650動力鋰離子電池智能生產(chǎn)線，此生產(chǎn)線以松下電池作為標(biāo)桿，年產(chǎn)量1GWh，不愧為“國內(nèi)目前自動化程度最高的動力圓柱鋰離子電池生產(chǎn)線”。
