“安全是新能源汽車(chē)最關(guān)鍵的指標(biāo)”，續(xù)航是電動(dòng)汽車(chē)的命門(mén)，電動(dòng)車(chē)市場(chǎng)之所以依賴(lài)政策在財(cái)政和路權(quán)上的持續(xù)支持，正是因?yàn)槔m(xù)航短板難以滿(mǎn)足市場(chǎng)需求。而提升續(xù)航的主要手段則是提升動(dòng)力電池的能量密度。

能量密度是一項(xiàng)評(píng)價(jià)電池在單位重量下存儲(chǔ)電量的指標(biāo)，能量密度越高，意味著可以在同樣重量體積下，搭載更多的電量。特斯拉Model 3之所以作為A型轎車(chē)能夠?qū)崿F(xiàn)590公里的續(xù)航，正是搭載了能量密度達(dá)到300Wh/kg的21700電池。而蔚來(lái)去年12月發(fā)布的ES6也因?yàn)榇钶d單體能量密度超過(guò)260Wh/kg的NCM811電池，得以實(shí)現(xiàn)NECD工況法510公里續(xù)航里程。

中國(guó)和國(guó)外的汽車(chē)品牌都已經(jīng)把精力從概念炒作轉(zhuǎn)為了電池技術(shù)的深度開(kāi)發(fā)。前不久，中俄科學(xué)家在俄羅斯圣彼得大帝理工學(xué)院科技實(shí)驗(yàn)室合作實(shí)現(xiàn)了將現(xiàn)有鋰電池容量增加了15%；日本在這方面也不甘寂寞，推出了日本鋰電池改進(jìn)方案。日本嘗試改變現(xiàn)有碳材料的組合，找到了更適合電子流動(dòng)的結(jié)構(gòu)，擴(kuò)大了電池正極的通道，使電子流通率比過(guò)去高了10倍。同時(shí)他們還將電池的負(fù)極注入了氧化硅，使電池儲(chǔ)存電子的數(shù)量增加了2倍，使原有的鋰電池增加了接近3倍的續(xù)航能力。

新能源汽車(chē)終究會(huì)成為主流，雖然目前受限于技術(shù)水平，無(wú)法大范圍推廣，但是在未來(lái)五年內(nèi)，新能源汽車(chē)將會(huì)迎來(lái)強(qiáng)勢(shì)期，引領(lǐng)汽車(chē)行業(yè)的潮流。目前新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展主要集中在混合動(dòng)力汽車(chē)、純電動(dòng)汽車(chē)和燃料電池汽車(chē)上。作為電動(dòng)汽車(chē)的“心臟”，動(dòng)力電池一直是新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。就像內(nèi)燃機(jī)車(chē)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)有各種要求，新能源汽車(chē)對(duì)電池組也有著苛刻的性能要求，包括安全性、穩(wěn)定性、成本、充放電效率、比功率、比能量等，這些直接關(guān)系到新能源車(chē)在電動(dòng)驅(qū)動(dòng)上的表現(xiàn)。

一顆電芯是如何誕生的？

單個(gè)的電芯是不能使用的，只有將眾多電芯組合在一起，再加上保護(hù)電路和保護(hù)殼，才能直接使用，這就是所謂的電池模組。
電池模組(module)是由眾多電芯組成的。需要通過(guò)嚴(yán)格篩選，將一致性好的電芯按照精密設(shè)計(jì)組裝成為模塊化的電池模組，并加裝單體電池監(jiān)控與管理裝置。另外，每一個(gè)模組都有自己固定的識(shí)別碼，出現(xiàn)問(wèn)題可以實(shí)現(xiàn)全過(guò)程的追溯。

圖|電池模組

從簡(jiǎn)單的一顆電芯到電池包的生產(chǎn)過(guò)程也是相當(dāng)復(fù)雜，需要多道工序，一點(diǎn)不比電芯的制造過(guò)程簡(jiǎn)單。

（1）上料

將電芯傳送到制定位置，機(jī)械手自動(dòng)抓取送入模組裝配線(xiàn)。
（2）給電芯洗個(gè)澡——等離子清洗工序

對(duì)每個(gè)電芯表面進(jìn)行清洗。這里采用離子清潔，保證在過(guò)程中的污染物不附著在電芯底部。為什么要采用等離子清洗技術(shù)？原因在于，等離子清洗技術(shù)是清洗方法中最為徹底的剝離式清洗方式，其最大優(yōu)勢(shì)在于清洗后無(wú)廢液，最大特點(diǎn)是對(duì)金屬、半導(dǎo)體、氧化物和大多數(shù)高分子材料等都能很好地處理，可實(shí)現(xiàn)整體和局部以及復(fù)雜結(jié)構(gòu)的清洗。

（3）將電芯組合起來(lái)——電芯涂膠

電芯組裝前，需要表面涂膠，涂膠的作用除了固定作用之外，還能起到絕緣和散熱的目的。高精度的涂膠設(shè)備以及機(jī)械手協(xié)作，可以以設(shè)定軌跡涂膠，同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)控涂膠質(zhì)量，確保涂膠品質(zhì)，進(jìn)一步提升了每組不同電池模組的一致性。

（4）給電芯建個(gè)家——端版與側(cè)板的焊接

電池模組多采用鋁制端板和側(cè)板焊接而成，通過(guò)機(jī)器人進(jìn)行層壓和端板、側(cè)板焊接處理。

（5）線(xiàn)束隔離板裝配

焊接監(jiān)測(cè)系統(tǒng)準(zhǔn)確定位焊接位置后，綁定線(xiàn)束隔離板物料條碼至MES生產(chǎn)調(diào)度管理系統(tǒng)，生成單獨(dú)的編碼以便追溯。打碼后通過(guò)機(jī)械手將線(xiàn)束隔離板自動(dòng)裝入模組。

（6）完成電池的串并聯(lián)——激光焊接

通過(guò)自動(dòng)激光焊接，完成極柱與連接片的連接，實(shí)現(xiàn)電池串并聯(lián)。

（7）下線(xiàn)前的重要一關(guān)——下線(xiàn)測(cè)試

下線(xiàn)前對(duì)模組全性能檢查，包括模組電壓/電阻、電池單體電壓、耐壓測(cè)試、絕緣電阻測(cè)試。標(biāo)準(zhǔn)化的模組設(shè)計(jì)原理可以定制化匹配不同車(chē)型，每個(gè)模塊還能夠安裝在車(chē)內(nèi)最佳適合空間和預(yù)定位置。

每個(gè)電池包包含了若干電池單元，與連接器、控制器和冷卻系統(tǒng)集成到一起，外覆鋁殼包裝。通過(guò)螺栓自動(dòng)固緊，由電氣連接器相連，即使發(fā)生故障，僅需更換單獨(dú)的模組即可，不必更換整個(gè)電池組，維修工作量和危險(xiǎn)性大大降低，更換模組僅需把冷卻系統(tǒng)拆解，并不涉及其他構(gòu)件。

為什么要做CAE分析？

CAE,計(jì)算機(jī)輔助工程，利用計(jì)算機(jī)對(duì)工程中的多個(gè)過(guò)程進(jìn)行仿真優(yōu)化。人們借助計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的運(yùn)算能力，模擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的環(huán)境和受力狀態(tài)，預(yù)測(cè)當(dāng)前設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)，設(shè)計(jì)調(diào)整優(yōu)化的周期急劇縮減。配合以這兩年正在走向成熟的3D打印技術(shù)，一個(gè)理想的樣機(jī)生產(chǎn)程序已經(jīng)成型，初步結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)——CAE仿真驗(yàn)證——設(shè)計(jì)優(yōu)化——CAE再驗(yàn)證——3D模型樣機(jī)。

電池包安裝在車(chē)輛上，需要滿(mǎn)足汽車(chē)運(yùn)營(yíng)條件下的苛刻力學(xué)環(huán)境的要求。制作樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到結(jié)果以后再進(jìn)行調(diào)整修改，再次打樣。這種傳統(tǒng)做法，周期長(zhǎng)，成本高。另一個(gè)重要問(wèn)題，即使出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)失效，由于影響因素比較多，并不能非常準(zhǔn)確的得到結(jié)論。有可能出現(xiàn)，這次的試驗(yàn)失效在這里，加強(qiáng)以后再試，旁邊的結(jié)構(gòu)又出現(xiàn)新的問(wèn)題。工程系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜的今天，一兩次單純依靠經(jīng)驗(yàn)的測(cè)試調(diào)整，已經(jīng)無(wú)法真正解決產(chǎn)品問(wèn)題。

為了能在最短周期內(nèi)研制出高質(zhì)量、可靠穩(wěn)定的新能源汽車(chē)，工程師在研發(fā)環(huán)節(jié)引入先進(jìn)的CAE仿真技術(shù)，來(lái)替代傳統(tǒng)的反復(fù)使用物理樣機(jī)驗(yàn)證方法。CAE技術(shù)可以在車(chē)用電池包設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)電池包的結(jié)構(gòu)和性能做出預(yù)估，從而大大降低電動(dòng)汽車(chē)電池包開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，降低開(kāi)發(fā)費(fèi)用，從而提高電池包的設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率。目前國(guó)內(nèi)外相關(guān)廠商機(jī)構(gòu)，如比亞迪等都在積極地進(jìn)行新能源汽車(chē)及其零部件的研發(fā)，因此，積極探索CAE技術(shù)在新能源汽車(chē)電池包設(shè)計(jì)、研發(fā)、制造中的應(yīng)用是十分有意義的。

1.利用CAE技術(shù)對(duì)動(dòng)力電池組進(jìn)行仿真分析主要包括以下幾個(gè)方面：

（1）熱分析。熱分析主要是分析電池的溫度，根據(jù)分析結(jié)果提供合理的熱管理方案，延長(zhǎng)電池包使用壽命，最大限度提高電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的安全性、經(jīng)濟(jì)性。

圖|Comsol鋰離子電池散熱模擬

① 根據(jù)電池種類(lèi)和PACK形式、電池?zé)崽匦浴⑹褂昧亢褪褂铆h(huán)境等因素，確定其許用工作溫度范圍；

②分析不同環(huán)境條件（高溫、低溫）和各種使用工況（巡航、怠速、上坡、加速、充放電過(guò)程等）下的溫度，并根據(jù)溫度分布選擇合理的熱管理方案；

③構(gòu)建初步的熱管理方案；

④構(gòu)建精細(xì)的熱管理方案。目前，電池?zé)峁芾淼臉?biāo)準(zhǔn)還未完全建立，一般都是根據(jù)不同類(lèi)型電池的工作溫度（溫度高低和溫度均勻性）指標(biāo)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)的。熱分析內(nèi)容也需要根據(jù)客戶(hù)目標(biāo)進(jìn)行調(diào)整，常規(guī)的可參考TESLA MODELS系列的熱管理方案、日產(chǎn)的LEAF、BMW的i3等等。國(guó)內(nèi)車(chē)企的熱管理方案也是五花八門(mén)，既有模仿國(guó)外車(chē)企，也有各大電池商或整車(chē)廠自主設(shè)計(jì)的熱管理系統(tǒng)。

（3）電池包的電性能分析。電性能分析可研究過(guò)充/過(guò)放，大電流，充/放，外部短路對(duì)電池的影響；

（4）動(dòng)力學(xué)分析。利用動(dòng)力學(xué)分析可以研究電池組的振動(dòng)、耐久性和疲勞壽命等。比如，電池包在車(chē)輛行駛過(guò)程中發(fā)生隨機(jī)振動(dòng)，研究隨機(jī)振動(dòng)對(duì)電池包的疲勞壽命的影響具有重要意義。

2.對(duì)電池包完成仿真分析，一般需要提供以下信息：

（1）電池型號(hào)；

（2）電池類(lèi)型（如磷酸鐵鋰、三元）；

（3）充放電倍率；

（4）液冷or風(fēng)冷；

（5）最高溫度指標(biāo)、環(huán)境溫度；

（6）整體均溫指標(biāo)、單體均溫指標(biāo)；

（7）液冷系統(tǒng)自循環(huán)還是整車(chē)提供；

（8）風(fēng)冷是車(chē)載空調(diào)還是自帶風(fēng)扇；

（9）電池包模型初步結(jié)構(gòu)方案；

（10）電池包工作狀態(tài)描述；

（11）分析對(duì)應(yīng)規(guī)范；

（12）其他特殊要求等。

3.電池包整體結(jié)構(gòu)CAE仿真流程如下：

（1）使用3D軟件建模；

（2）將數(shù)模導(dǎo)入HyperMesh，單元格劃分，設(shè)置單元格材料屬性和單元其他性能參數(shù)；

（3）確定工況，包括工況具體參數(shù)和邊界條件；

（4）將邊界條件設(shè)置在有限元模型上，包括載荷、約束和位移；

（5）求解計(jì)算；

（6）檢查計(jì)算結(jié)果，是否在項(xiàng)目參數(shù)要求范圍以?xún)?nèi)，比如應(yīng)力極限等；如果結(jié)果滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求，則進(jìn)行后處理，整理用于報(bào)告的材料圖形；如果數(shù)據(jù)不滿(mǎn)足要求，則修改3d數(shù)模結(jié)構(gòu)，從頭開(kāi)始進(jìn)行前面的流程。

為了采用最接近真實(shí)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真，CAE軟件與常見(jiàn)的CAD軟件(CATIA、Pro/ENGINEER、UG等)有數(shù)模導(dǎo)入接口。

常見(jiàn)的應(yīng)用軟件：ABAQUS、SolidworksSimulation、ADINA、ALGOR、ANSYS、MSC、Fluent、ADAMS、HyperMesh、Nastran等。