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一文读懂达索系统SIMULIA在新能源汽车动力电池仿真应用
前言
作为新能源汽车的“心脏”，电动汽车对动力电池有着苛刻的性能要求，如安全性、稳定性、成本、充放电效率、比功率、比能量等。因此，如何有效管理动力电池系统是当今新能源汽车行业所面临的主要技术难点。电池系统管理（BMS）主要包括：
- 电气管理：如充、放电过程的管理和系统电路的设计等等；
- 热管理：如动力电池在充、放电过程中的热管理以及采用不同冷却方式对电池温度分布的影响等等；
- 机械管理：主要是保证电池在受各种极限载荷工况（如振动冲击、跌落、挤压等）作用下，确保动力电池的有效工作，满足其安全性、完整性的要求。
针对电池系统涉及的仿真问题，达索系统SIMULIA具备全方位的模拟能力，包括电磁、结构、流体、优化、多体等学科领域。
- 仿真软件Abaqus解决问题的范围从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题；
- 仿真软件fe-safe采用其先进的疲劳分析技术可准确预测出疲劳位置和疲劳寿命次数；
- 仿真软件Isight提供了一个可视化灵活的仿真流程搭建平台，可进行仿真分析流程自动化和多学科多目标的参数优化；
- 仿真软件Tosca是一个灵活的、模块化的、非参数化的优化工具，能提供拓扑、外形、尺寸和起筋等类型的优化；
- 仿真软件CST可对线路设计、电池充电特性、电机启动、刹车性能、汽车无线充电、电池阻抗等问题进行仿真；
- 仿真软件PowerFLOW可对动力电池的热管理问题进行瞬态精确模拟；
- 仿真软件Simpack可用来模拟新能源车整车工程的操控性能。
达索系统SIMULIA在BMS的仿真应用主要包括以下几个方面：
01电芯工程
锂离子电池作为可充电的能量存储设备，其性能在很大程度上取决于反复充电和放电循环的影响，导致电池容量随时间的推移而退化，这一现象可利用Abaqus的Newman模型进行电化学特性模拟。业内多采用1D仿真进行锂电池的电化学仿真，计算效率高但是精度有限，尤其是对于未来具有颠覆性新型电池、超大尺寸电池的研发，3D电化学仿真具极其重要的意义。
Abaqus新版本基于扩展的三维多孔电极理论 Porous Electrode Theory（PET） Newman本构模型，利用热-电化学-结构多场耦合对电芯3D模型的热电化学结构特性提供定量的仿真模拟，在精度上更具优势，是目前市面上唯一可以进行电芯3D电化学的专业仿真工具。热电损耗采用电-热-结构三场耦合分析来准确预测电芯的温度、电流、变形之间的耦合效应，避免电芯变形过大造成内部短路，引起安全事故发生。
强度、刚度、疲劳、安全性问题主要是模拟在极限载荷作用下，确保电芯的完整性以及安全性。降阶建模主要是考虑把电芯的各项异性材料及复杂的几何结构如何简化为材料各项同性、几何结构单一的模型，从而减小模组及电池包的模型规模，提高计算效率。以上问题可用Abaqus、isight来进行模拟分析。
02电池模组工程
振动和冲击分析、跌落分析、穿刺分析、随机疲劳寿命预测等工况主要是考虑模组在极限载荷工况作用下，确保模组的完整性以及安全性。通过热管理分析，可为冷却通道与冷却方式的方案设计提供理论依据。
03电池包工程
除振动和冲击分析、跌落分析、穿刺分析、随机疲劳寿命、热管理分析等工况外，还包括挤压分析。挤压分析主要是考虑在使用过程中，电池包受挤压作用下是否能确保模组的安全性，防止变形过大导致安全事故发生。
04整车工程
如电池包装车后整车的操控性能分析、整车碰撞分析、穿刺分析、托底工况分析、随机振动疲劳寿命预测、热管理分析等等。碰撞、托底、穿刺工况主要是考虑新能源车整车的安全性能，确保电池包的刚度、强度，以免造成电芯变形过大或者电池泄露引起的火灾问题。热管理分析主要是综合考虑电池包装车后的性能，在不同路况、使用气候环境、充放电策略等等因素，从而影响动力电池的续航性能。
