基于虛擬仿真的鋰離子電池實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)
——評(píng)《ANSYS電池仿真與實(shí)例詳解——結(jié)構(gòu)篇》

陳 丹,王 歡

(貴州師范大學(xué)教育學(xué)院,貴州 貴陽 550025)

一系列關(guān)于新能源電池的標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái),對(duì)電池企業(yè)的設(shè)計(jì)能力提出了越來越高的要求。更重要的是,激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)使得電池設(shè)計(jì)周期變短,傳統(tǒng)的試驗(yàn)測(cè)試方法不僅耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng),而且成本投入高,因此,越來越多的電池企業(yè)將仿真技術(shù)應(yīng)用于電池設(shè)計(jì)流程之中。通用機(jī)械分析軟件ANSYS Mechanical因強(qiáng)大的功能和良好的應(yīng)用性,在全球各大電池廠家均有深度應(yīng)用。

張寅等編寫的《ANSYS電池仿真與實(shí)例詳解——結(jié)構(gòu)篇》一書,詳細(xì)介紹了ANSYS軟件在新能源電池包行業(yè)結(jié)構(gòu)仿真方面的案例應(yīng)用。全書共分4章:第1章為有限元仿真分析理論;第2章為電池包結(jié)構(gòu)分析前處理;第3章為電池包結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仿真計(jì)算;第4章為電池包結(jié)構(gòu)疲勞仿真計(jì)算。

1 有限元仿真分析理論

有限元分析是用數(shù)學(xué)近似的方法對(duì)真實(shí)的物理系統(tǒng)進(jìn)行模擬,用簡(jiǎn)單的問題代替復(fù)雜的問題后再求解的一種方法。有限元仿真分析不僅幫助企業(yè)或研究機(jī)構(gòu)降低成本,還可以減少產(chǎn)品或流程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的原型測(cè)試次數(shù),提高產(chǎn)品或流程設(shè)計(jì)運(yùn)行的效率,幫助工程師們產(chǎn)出新的設(shè)計(jì)方案。近年來,有限元分析軟件的應(yīng)用范圍越來越廣泛,已經(jīng)從大型企業(yè)和工程師的培訓(xùn)機(jī)構(gòu),擴(kuò)展到各行各業(yè)的中小型企業(yè)和涉及各個(gè)學(xué)科的研究型機(jī)構(gòu)中。

有限元分析常用的軟件有 ANSYS、SDRC/I-DEAS等。ANSYS軟件因強(qiáng)大的功能和高效簡(jiǎn)潔的操作,目前已成為國(guó)際上較流行的有限元分析軟件,原因是ANSYS可將結(jié)構(gòu)、傳熱、磁場(chǎng)、電氣和流體等多個(gè)場(chǎng)組合起來進(jìn)行高級(jí)仿真。當(dāng)前我國(guó)理工類高等院校主要采用ANSYS作為標(biāo)準(zhǔn)教學(xué)軟件,進(jìn)行有限元分析。基本分析流程通常包括前處理、分析計(jì)算和后處理等3個(gè)步驟。

①前處理:主要是根據(jù)實(shí)際問題定義求解模型,含實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分。實(shí)體建模通常使用自頂向下的建模方法,涉及的命令少,能較大幅度提升建模的效率。網(wǎng)格劃分主要是單元類型的選擇、網(wǎng)格密度的確定及物理模型構(gòu)造等。

②分析計(jì)算:將單元總裝成整個(gè)離散域的總矩陣方程。分析計(jì)算模塊包括流體動(dòng)力學(xué)分析、壓電分析、聲場(chǎng)分析、電磁場(chǎng)分析、結(jié)構(gòu)分析(可進(jìn)行線性分析、非線性分析和高度非線性分析),以及多物理場(chǎng)的耦合分析等。有限元模型的加載相對(duì)簡(jiǎn)單,但當(dāng)施加邊界條件的面比較多時(shí),為保證正確性,需要使用選擇命令將這些面全部選出。

③后處理:根據(jù)有關(guān)準(zhǔn)則,對(duì)所求出的解進(jìn)行評(píng)價(jià)分析。后處理模塊可將計(jì)算結(jié)果以彩色等值線、立體切片、梯度、粒子流跡、矢量、透明和半透明等圖形方式顯示出來。

2 電池包結(jié)構(gòu)仿真分析

ANSYS公司旗下眾多軟件可解決電池行業(yè)不同維度的仿真問題,該書主要以Mechanical為主體,闡述電池包結(jié)構(gòu)仿真的思路以及具體實(shí)施過程。

計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期(概念設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)階段),通過引入仿真技術(shù),即可進(jìn)行評(píng)估設(shè)計(jì)方案的合理性、優(yōu)化產(chǎn)品的性能等。在設(shè)計(jì)初期修改設(shè)計(jì)參數(shù),對(duì)設(shè)計(jì)的成本和周期的影響相對(duì)較小。就電池包的結(jié)構(gòu)仿真分析而言,ANSYS Mechanical針對(duì)電池包具體使用過程中的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析、疲勞分析、跌落分析、擠壓分析、振動(dòng)性能分析和沖擊分析等一系列國(guó)標(biāo)中要求的測(cè)試,均有對(duì)應(yīng)的仿真方案(見圖1)。

圖1 電池包結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中常關(guān)注的問題

新能源電池包結(jié)構(gòu)仿真分析的關(guān)鍵是要有一套高質(zhì)量的網(wǎng)格,網(wǎng)格好壞對(duì)數(shù)值求解結(jié)果影響極大,而前處理的好壞又對(duì)網(wǎng)格劃分起決定性作用。

電池包前處理難點(diǎn)體現(xiàn)在3個(gè)方面:①結(jié)構(gòu)復(fù)雜,通常一個(gè)電池包由模組組成,而每個(gè)模組包括電芯、絕熱墊、導(dǎo)熱硅膠、極耳、母線(busbar)和外殼等部件組成;②數(shù)量眾多,一個(gè)電池包少則幾只到幾十只,多則成百上千只電芯,比如特斯拉的圓柱形電芯,整個(gè)電池包有幾千只電芯;③尺寸跨度較大,電芯的極耳、busbar和導(dǎo)熱墊等厚度尺寸較小,電芯、箱體和水冷板等尺寸較大。

電池包前處理時(shí),在不影響計(jì)算精度的前提下,為減少工作量,可忽略一些尺寸較小的倒角、圓角和工藝孔等結(jié)構(gòu),以建立電池包有限元模型。結(jié)構(gòu)有限元分析中邊界條件約束的準(zhǔn)確性,對(duì)計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性起到?jīng)Q定性作用,應(yīng)予以高度重視。前處理還取決于設(shè)計(jì)的不同階段、項(xiàng)目的時(shí)間約束、計(jì)算硬件資料等因素,模擬精細(xì)度越高越好。如果受時(shí)間、硬件等因素的影響,也可以對(duì)模型進(jìn)一步進(jìn)行簡(jiǎn)化,比如去掉極耳等細(xì)節(jié)部件。

3 鋰離子電池結(jié)構(gòu)仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)

鋰離子電池具有質(zhì)量小、容量大、無污染、無記憶效應(yīng)和使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。我國(guó)非常重視擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的鋰離子電池的研究和開發(fā)。在此背景下,相關(guān)專業(yè)的人才培養(yǎng)也受到了重視,高校利用當(dāng)前的數(shù)字仿真技術(shù)深化理論教學(xué),與實(shí)踐教學(xué)有機(jī)融合,提高鋰離子電池人才的綜合素質(zhì)。目前市場(chǎng)占比高的鋰離子電池主要有三元正極材料鋰離子電池和磷酸鐵鋰正極鋰離子電池兩類,由于三元正極材料鋰離子電池在同體積和質(zhì)量下,相比于磷酸鐵鋰正極鋰離子電池的能量更高,容量更大,目前在市面上多數(shù)電動(dòng)汽車中得到應(yīng)用。該書的仿真實(shí)驗(yàn)也以三元正極材料鋰離子電池為研究對(duì)象。

高?；谌龢O材料鋰離子電池專業(yè)理論課的學(xué)習(xí),通過虛擬仿真技術(shù),引導(dǎo)學(xué)生深入認(rèn)知所學(xué)電池相關(guān)生產(chǎn)工藝?yán)碚撝R(shí)。同時(shí),基于虛擬仿真技術(shù)搭建教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái),以更低的實(shí)驗(yàn)成本和更安全的方式,讓學(xué)生突破時(shí)空限制,完成三元正極材料鋰離子電池的電極制備及組裝工藝仿真,掌握電池的應(yīng)用場(chǎng)景、裝配工藝和設(shè)備操作等;同時(shí),借助教學(xué)平臺(tái)提供的裝配環(huán)境,探究新材料開發(fā)和新技術(shù)引入對(duì)電池性能等的影響。該實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的搭建使實(shí)踐教學(xué)的落地更為高效。

虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)的教學(xué)目標(biāo)主要包括以下幾個(gè)方面:①通過平臺(tái)營(yíng)造的虛擬仿真場(chǎng)景,清晰展示三元正極材料鋰離子電池的結(jié)構(gòu)和原理,使抽象的知識(shí)具象化、生動(dòng)化,進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)抽象的專業(yè)理論知識(shí)的理解和學(xué)習(xí);②通過實(shí)操練習(xí),讓學(xué)生真正掌握三元正極材料鋰離子電池的電極制備、組裝全過程、質(zhì)量檢測(cè)和場(chǎng)景化應(yīng)用等,培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用實(shí)踐素養(yǎng);③提供不限制時(shí)間和空間的教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái),使課堂更具趣味性;④突破傳統(tǒng)的教學(xué)模式,最終實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造性的學(xué)習(xí),改進(jìn)傳統(tǒng)體驗(yàn)式教學(xué),提高教學(xué)效果。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)主要包含理論認(rèn)知、實(shí)操練習(xí)和習(xí)題考核等3大塊內(nèi)容。

仿真課程從以下3個(gè)方面對(duì)學(xué)生進(jìn)行全面課程教學(xué):①鋰離子電池及應(yīng)用背景,包括電池的特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)、工作原理和在新能源等領(lǐng)域的應(yīng)用等;②鋰離子電池生產(chǎn)裝配工藝,包括總體工藝及每一步的詳細(xì)流程、對(duì)應(yīng)知識(shí)點(diǎn)、配套設(shè)備、工藝控制參數(shù)和注意事項(xiàng)等;③鋰離子電池生產(chǎn)設(shè)備操作,包括設(shè)備功能、運(yùn)行原理、操作過程和參數(shù)調(diào)節(jié)等。

習(xí)題考核則是通過測(cè)試考察學(xué)生的學(xué)習(xí)效果,并輸出學(xué)習(xí)報(bào)告進(jìn)行反饋,學(xué)生可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)自己的薄弱和不足,教師也能及時(shí)獲取教學(xué)效果,并能根據(jù)整體的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行針對(duì)性的查漏補(bǔ)缺。

理論認(rèn)知板塊的設(shè)計(jì),主要是以視頻或圖片的形式清晰呈現(xiàn)三元正極材料鋰離子電池的基本原理及電池構(gòu)造。學(xué)生可以在該板塊完成基礎(chǔ)理論的相關(guān)學(xué)習(xí)。

電極制備板塊是正式的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)交互實(shí)操環(huán)節(jié)。制造時(shí),先將三元素(鎳鈷錳或鎳鈷鋁)的溶液陳化煅燒,制成三元前驅(qū)體,再與鋰化合物混合煅燒,制成鎳鈷錳酸鋰或鎳鈷鋁酸鋰正極納米顆粒。具體制造鋰離子電池電芯時(shí),需要將正極粉末與黏結(jié)劑混合后,均勻涂覆在鋁箔上,以便后期卷繞成型。

鋰離子電池生產(chǎn)工藝和流程可劃分為前、中、后等3個(gè)階段。前段工序的目的是將原材料加工成為極片,核心工序?yàn)橥扛?中段工藝的目的是將極片加工成為未激活電芯,核心工序是卷繞或疊片;后段工序的目的是激活電芯、檢測(cè)等級(jí)容量,核心工序是化成和分容。電池生產(chǎn)工藝流程的參數(shù)控制及注意事項(xiàng)都可以通過虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)完成,對(duì)應(yīng)各生產(chǎn)工序,所需生產(chǎn)設(shè)備同樣可以劃分為前段設(shè)備、中段設(shè)備和后段設(shè)備。前段設(shè)備包括攪拌機(jī)、涂布機(jī)、輥壓機(jī)和分切機(jī)等;中段設(shè)備包括卷繞機(jī)、疊片機(jī)和注液機(jī)等;后段設(shè)備包括分容、化成和檢測(cè)等設(shè)備。在虛擬仿真平臺(tái)中,學(xué)生可以通過虛擬操作熟練設(shè)備操作,深入理解運(yùn)行原理。

4 結(jié)語

《ANSYS電池仿真與實(shí)例詳解——結(jié)構(gòu)篇》一書從理論和應(yīng)用兩方面著手,詳細(xì)而系統(tǒng)地闡述鋰離子電池仿真模擬解決方案。書中案例對(duì)網(wǎng)格劃分、參數(shù)設(shè)置和后處理等,都進(jìn)行了系統(tǒng)性講解,可幫助讀者掌握整個(gè)電池仿真模型的建立過程和技巧,有助于從業(yè)者仿真能力的提升,是一本實(shí)用的工具書,具有較好的指導(dǎo)意義。該書適用于從事新能源電池行業(yè)的工程技術(shù)人員以及工科相關(guān)專業(yè)的高年級(jí)本科生、研究生,同時(shí)可以作為學(xué)習(xí)ANSYS軟件分析應(yīng)用的相關(guān)人員的參考教材。

書名:ANSYS電池仿真與實(shí)例詳解——結(jié)構(gòu)篇

作者:張寅井文明宋述軍編著

ISBN:9787111687764

出版社:機(jī)械工業(yè)出版社

出版時(shí)間:2021-10

定價(jià):￥99.00元