電池開發設計的案例
電池系統開發設計解析
4.相關規范標準要求
標準
名稱
GB/T 31484-2015
電動汽車用動力蓄電池循環壽命要求及試驗方法
GB/T 31485-2015
電動汽車用動力蓄電池安全要求及試驗方法
GB/T 31486-2015
電動汽車用動力蓄電池電性能要求及試驗方法
GB/T 31467.1-2015
電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統第1部分：高功率應用測試規程
GB/T 31467.2-2015
電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統第2部分：高能量應用測試規程
GB/T 31467.3-2015
電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統第3部分：安全性要求與測試方法
GB/T 18384.1-2015
電動汽車 安全要求 第1部分：車載可充電儲能系統
GB/T 18384.2-2015
電動汽車 安全要求 第2部分：操作安全和故障防護
GB/T 18384.3-2015
電動汽車 安全要求 第3部分:人員觸電防護
GB 4208-2008
外殼防護等級（IP代碼）
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展開 新能源電池產業熱點聚焦：PLM產品開發、電池碳管理及設計仿真一體化介紹【內含主題研討會】
全球市場新格局下，電池產業亟待加速新技術/新產品的開發管理、高效的設計/仿真一體化能力、以及更精準的碳排放/ESG碳管理等，達索系統致力于推動全球可持續發展的應用和實踐，一直以來，與電池行業先鋒客戶通過數字化手段，幫助企業實現快速發展和快速創新，共同推動電池產業成果的產業化進程。
達索系統憑借動力電池和新能源方面的專業知識及強大虛擬孿生技術，耕耘新能源行業，在電池技術的發展和應用解決方案的數字化提供諸多方案，賦能多樣化的能源應用場景。達索2024探索之旅第二季10.15日研討會 聚焦 新能源電池產業可持續發展 及 新技術引入 等熱門話題，并將針對 動力電池全產業鏈進行技術拆解與實例分享 為您帶來兩大主題直播，上方掃碼或文末預約。
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新電池產業鏈PLM產品開發
PLM，即產品生命周期，是一種系統的方法，用于管理產品從概念到退役的整個生命周期。在電池行業，PLM的應用尤為重要，因為電池產品的開發、生產、使用和回收涉及多個環節和復雜的技術，PLM在電池行業的應用可以在整個產品開發過程中提供不小的助力。
目前電池行業面對這技術快速發展、嚴格的法規要求、市場需求的多樣化以及環境保護的壓力等一系列挑戰，PLM在電池行業的應用可以幫助企業應對上述挑戰，并提高競爭力。
PLM在電池行業中的具體應用：
產品開發與設計：PLM系統可以集成產品開發過程中的各個環節，從市場需求分析、概念設計到詳細設計和原型測試。通過PLM系統，企業可以實現跨部門協作，縮短產品開發周期，提高產品質量。
數據管理：PLM系統可以集中管理產品相關的數據，包括設計圖紙、物料清單（BOM）、測試數據等。這有助于確保數據的一致性和完整性，避免因數據不一致而導致的生產問題。
展開 基于達索平臺BIOVIA、Abaqus模塊實操講解，新電池產業鏈PLM產品開發及碳管理&電池仿真設計一體化【10月15直播】
Part 2：電池設計仿真一體化
隨著電池技術應用場景的拓展和新能源產品的普及，電池行業的發展及其消費市場均對新產品的開發、新技術的引入提出了更高的要求，廣泛地應用建模仿真技術加速研發迭代已成為行業共識，也涌現出豐富的解決方案；然而，由于電池產品自身屬性及開發流程的復雜性，如何將設計與仿真高度融合并且指導產品正向研發仍然是業界關注的核心領域。
如何基于工程實踐，高度集成設計、建模、多學科跨尺度仿真技術、研發管理、數據科學等核心工程能力？
如何打破電池產品設計與仿真流程間的壁壘，簡化研發流程數據管理？
如何引入前沿AI技術，賦能企業加速轉型、正向研發，實現可持續創新？
講師介紹
彭剛柔
達索系統大中華區汽車和電池新能源行業咨詢顧問，多年電池領域工程經驗，從事負責電池產品開發、建模仿真、新技術預研等工作。對于汽車行業、電池及新能源行業的解決方案、產品管理、研發CAD/CAE等，有較深入的研究和實踐。
達索系統憑借動力電池和新能源方面的專業知識及強大虛擬孿生技術，耕耘新能源行業，在電池技術的發展和應用解決方案的數字化提供諸多方案，賦能多樣化的能源應用場景。
更多精彩，直播將啟，誠待君至
10月15日，掃描海報預約！
END
技術鄰簡介:
技術鄰專注于工科技術社區，從最早的CAE技術社區（中國CAE聯盟）發展而來，在CAE領域有20年的教學和咨詢服務經驗。
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如何實現高質量產品研發和創新，是當下電池儲能企業的重要議題。作為業界優秀的產品設計軟件，NX一直致力于為電池儲能行業提供強大的設計支持。
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展開 
【汽車設計】自動化電池組設計
“ 今天復雜的系統和產品需要解決方案涵蓋所有物理場和學科領域
系統級仿真助力電動汽車電池的虛擬原型構建過程
20 世紀90 年代初期作為商用技術推出以來，鋰離子電池就逐漸成為便攜式電子產品和電動汽車市場中最受歡迎的可充電能量存儲設備。包含電極的輕量型鋰化合物與其它類型的電池相比，能實現更高的比能（瓦特- 小時/ 千克）。少量電池單元對手機或筆記本電腦來說或許夠用，但是要想驅動電動汽車，就必須將成百上千個電池單元連接在一起，作為大得多的電池組系統提供電力。
通用汽車電動車電池生產
汽車制造商及其供應商在美國能源部（DOE）汽車技術辦公室的支持下共同努力，旨在進一步提高電動汽車（EV）電池的比能，同時減小電池系統的總體尺寸和重量，并保持安全工作條件，從而攻克EV Everywhere（電動車普及藍圖）中提出的多項重大挑戰。EVEverywhere 中的宏大目標包括在2022年以前將能源成本降低至125 美元/ 千瓦時，因此，利用仿真工具設計電池系統并精確預測性能就成為研發戰略中的關鍵一環。
從2012 年開始，通用汽車公司領導的一支團隊參與由DOE 國家可再生能源實驗室管理的一個項目，即電動汽車電池計算機輔助工程（CAEBAT）項目。該團隊由GM 研究人員和工程師、ANSYS 軟件開發人員和應用工程師以及ESimLLC 的員工組成。GM CAEBAT項目的目標之一就是開發電池組設計工具，包括利用和擴展系統級仿真套件的功能。
展開 設計仿真 | 基于Digimat的電化學模擬解決方案加速新電池設計
工作流程
電池材料屬性可以由Digimat的通用材料屬性庫提供，也可以使用海克斯康的材料數據庫平臺MaterialCenter或材料數據管理軟件Materials Connect進行擴展。電池微觀結構可以使用VGSTUDIO MAX從CT掃描分析結果中導入，也可以直接在Digimat中創建。
圖1. 電池微觀結構：CT掃描建模（左圖）和Digimat建模（右圖）
在獲得電池微觀結構模型及性能后，電池設計團隊可以應用此模型來進一步研究電池結構的機械性能。宏觀尺度的材料行為可以使用代表性體積元素（RVE）進行評估，通過將簡化的Digimat材料模型嵌入相關的力學分析軟件中，擴展了模型對單元進行結構分析的能力。通過這種方式，機械工程師可以評估圓柱卷繞式封裝電池的機械性能，以基于準確的材料特性優化電池的機械設計和安全性。
圖2.電池性能分析工作流程
總 結
由于材料與電化學設計、機械設計和制造工藝之間的復雜權衡關系，電池的設計和開發面臨著重大挑戰。傳統研究方法只能依賴于嘗試不同的設計方案，需要花費大量的時間和實驗成本。海克斯康聯合弗勞恩霍夫應用研究院（Fraunhofer ITWM），構建電池結構仿真分析的新解決方案，能夠模擬常見鋰離子電池、鋅電池和鈉電池的組成微觀結構、電解質、隔膜、活性材料、粘合劑和集電器的電化學性能，幫助用戶在電池設計過程中更好的理解其中的多物理場相互作用，從而更快地推動新電池的創新。
展開 元王二次開發丨新能源汽車電池包CAE有限元仿真分析
是續航能力，是電池！
節能環保的理念深入人心，國家大力推行，新能源汽車已是大勢所趨，新能源汽車各方面技術已經漸漸趨于成熟，但是電池技術還有待突破，電池設計的進展就是新能源汽車進步的核心，所以新能源汽車電池包的設計開發是重中之重！
如今很多廠商已經采用仿真軟件實現設計過程中的模擬測試，但是效率可能并未有質的飛躍，如何快速將仿真效率提升50%以上，不妨試試元王電池包自動化CAE平臺！
電池包自動化CAE平臺就是元王針對電池包產品定制化二次開發的CAE仿真平臺。不可否認，原有仿真軟件功能強大，通用性強，但大家都是這么用，仿真效率卻很難再有突破。而元王不改變現有仿真軟件系統內核，針對電池包進行定制化修改和功能擴展。“針對性”“定制化”就是效率升級的關鍵。
元王電池包自動化CAE平臺，經企業實際應用，前處理建模時間平均縮短50%，后處理周期平均縮短70%，那元王電池包二次開發仿真軟件到底是如何實現效率提升的呢？
1. 前處理界面流程化導航
2. 網格自動劃分及質量調整
3.
展開 研究人員開發出新型可充電電池 儲存電量為當前電池的6倍
不過就目前而言，他們開發的工作原型可能仍適用于小型日常電子產品，如助聽器或遙控器。對于消費電子產品或電動汽車，在設計電池結構、增加能量密度、擴大電池規模和增加循環次數方面還有很多工作要做。
-END-
以色列Phinergy公司開發鋁空氣電池 不需要充電且續航為鋰電池四倍
蓋世汽車訊 據外媒報道，以色列清潔能源初創公司Phinergy和印度能源巨頭印度石油公司(IOC)共同擁有的IOP公司，致力于將鋁空氣電池投入商用。他們將與印度兩家領先汽車制造商Ashok Leland和Maruti Suzuki合作，以測試Phinergy開發的鋁空氣電池，評估其商業用途。
（圖片來源：timesofindia）
目前，已開發出由25個鋁空氣電芯構成的電池原型，將在Maruti Suzuki的電動汽車，及Ashok Leland的電動卡車中進行測試。鋁空氣電池的技術原理很簡單，從空氣中吸入氧，與電芯中的水和鋁反應生成電能。其優勢在于，一旦鋁被完全腐蝕，可以為電池更換新的負極（鋁板）和電解質。對于消費者而言，只需將用過的電池換成新電池。
研究人員表示，鋁空氣電池的能量密度能達到8kWh/kg，而鋰電池為1-1.5kWh/kg。因此，使用領先鋰離子電池的電動汽車,單次充電續航里程僅達到100-150公里；而使用鋁，即使只有一半的能量密度，仍可實現四倍的續航里程。
鋁空氣技術更加環保。首先，這是因為鋁空氣電池不必充電，不需要使用電力；其次，廢舊電池中產生的氫氧化鋁溶液，可以送入回收裝置，實現100%鋁回收。
鋁空氣技術具有更高的安全性。因為只使用無毒水基電解質，溫度操作范圍廣泛。相比之下，鋰離子技術使用高度易燃和有毒的有機電解質。
相對于鋰來說，鋁的供應量更加豐富。此外，鋁是一種輕質金屬，比起更重的鋰離子電池，不會因電池重量而產生能量損耗。
目前唯一的問題在于，鋁空氣技術的功率密度較低。
展開 斯坦福團隊開發新鈉基電池，成本不到相同容量鋰基電池的 80%
斯坦福大學團隊開發了一種新型鈉離子電池，可以儲存和目前市場上最先進鋰離子電池一樣多的容量，但成本僅不到鋰離子電池的 80%，畢竟鹽很豐富，鋰較稀有。不過，鈉基電池能否取代鋰離子電池很難說，畢竟鈉離子電池的表現很難被超越、成本在逐年下降，更重要的是有大量資金涌入鋰礦開采和鋰電池制造廠。
（來源：斯坦福大學）
該團隊并非開發鈉離子電池的先驅，但他們相信，這款鈉基電池在價格與性能方面將具有更大的優勢。研究人員使用具有帶正電荷的鈉離子與負電荷的肌醇離子構成鈉陰極和磷陽極，其中，肌醇是一種可以在嬰兒配方奶粉中發現的有機化合物，也容易從米糠、碾磨玉米的過程中取得。
研究人員表示，當改用鈉離子和肌醇離子電極使電子流動的效率提升時，也明顯提高這種鈉離子電池的性能，使電池能以更低的成本產出與鋰離子電池相當的效率。此外，團隊也優化了電池的充電周期，目前正在進一步改善磷陽極，這代表比以前的鈉電池具更長的壽命和更大的電量，雖然這款鈉離子電池若想投入消費市場，還有很長一段路要走。
鈉離子電池的最大優點是成本降低，鋰每公噸成本為 15,000 美元，但是鈉每公噸成本僅約為 150 美元，加上強大的汽車制造商都在關注新電池技術，雖然斯坦福大學的鈉離子電池尚在開發階段，但研究人員有自信他們的鈉離子電池可以成為鋰離子電池的成本性替代品。
或許 50 年后，氫燃料電池、石墨烯超級電容器、太陽能電池等技術有機會減少人類對鋰原料的依賴，但就現在而言，鋰甚至有機會成為“下一個原油”。
展開 刀片電池系統的拆解2 電池管理系統設計
7月份寫了這篇文章《刀片電池系統的拆解1 電子電氣設計》，今天接著梳理一下電池管理系統。我盡量客觀地分享，歡迎大家在留言區暢所欲言。
一、刀片電池系統的采樣線路
（1）從整體的基本線路連接來看，刀片電池系統設計的出發點，是在電芯層面提高集成效率，也正是這樣，比亞迪似乎把CMU這個部件當導線來用，如下圖所示。
圖1 EV的刀片系統在采樣系統環節省略了采樣線
這個電池系統由于長度很長，用了大量的PCB來實現連接的功能（每塊CMU有22個采樣點，可實現11節電池的采樣），由于刀片電池是多節串聯，所以使用的CMU是根據總電量和串數進行調節的。
圖2 CMU的情況
（2）CMU的設計
下面有一張圖，CMU通過激光焊接的方式固定在了電芯的輸出極上面，也達到了把CMU支撐起來的效果。整塊板主要包含AFE和菊花鏈的芯片。在這里最重要的是，比亞迪把均衡電路給干掉了，沒有放電電阻、沒有控制放電電阻的三極管。只保留輸入的濾波電路和通信電路。這個CMU的設計，有幾點特殊的地方：
均衡電路的設計
似乎也沒有電芯溫度的采樣，只靠AFE的板載溫度傳感器來替代
備注：這個可以大家一起來討論下，從長期的演進來看，BMS不帶均衡可以么？比亞迪在三元版本的產品中還是帶著均衡電路的，到了刀片電池的版本
圖3 刀片電池系統的CMU
二、主控電路
我目前找到的資料顯示，刀片電池系統主要分兩個版本，分別為3連接器和4連接器。兩個版本相同的部分是：CMU通信電路接口、對外通信控制接口、兩個繼電器控制和電流Shunt的接口三部分。
展開 
鋰電池極片設計基礎、常見缺陷和對電池性能的影響
來源：鋰電前沿
一、極片設計基礎篇
鋰電池電極是一種顆粒組成的涂層，均勻的涂敷在金屬集流體上。鋰離子電池極片涂層可看成一種復合材料，主要由三部分組成：
(1)活性物質顆粒；
(2)導電劑和黏結劑相互混合的組成相(碳膠相)；
(3)孔隙，填滿電解液。
各相的體積關系表示為：
孔隙率 + 活物質體積分數 + 碳膠相體積分數=1
鋰電池極片的設計是非常重要的，現針對鋰電池極片設計基礎知識進行簡單介紹。
(1)電極材料的理論容量
電極材料理論容量，即假定材料中鋰離子全部參與電化學反應所能夠提供的容量，其值通過下式計算：
例如，LiFePO4摩爾質量157.756 g/mol，其理論容量為：
這計算值只是理論的克容量，為保證材料結構可逆，實際鋰離子脫嵌系數小于1，實際的材料的克容量為：
材料實際克容量=鋰離子脫嵌系數 × 理論容量
(2)電池設計容量與極片面密度
電池設計容量可以通過下式計算：
電池設計容量=涂層面密度×活物質比例×活物質克容量×極片涂層面積
其中，涂層的面密度是一個關鍵的設計參數，壓實密度不變時，涂層面密度增加意味著極片厚度增加，電子傳輸距離增大，電子電阻增加，但是增加程度有限。厚極片中，鋰離子在電解液中的遷移阻抗增加是影響倍率特性的主要原因，考慮到孔隙率和孔隙的曲折連同，離子在孔隙內的遷移距離比極片厚度多出很多倍。
展開 怎樣利用CAE來研發電動車電池？
1 前言
CAE（計算機輔助工程）用于電池開發設計是非常有效的方法。
將CAE用于電池開發設計的事例，其中含未發表的部分列于表1。CAE（計算機輔助工程設計）適用于流體、鑄造、塑性加工等多種復雜的領域。本文介紹的是研討拓展CAE的適用范圍，將其用于可靠性高的固定型VRLA電池的結構設計的應用事例，是有關為提高36V—VRLA電池的性能，采用CAE研究電槽形狀的實例報告。
2 事例（1）：固定型VRLA電池
2.1 分析的目的
固定型VRLA電池一般要求壽命性能在10年以上，特別是用于備用電源用途的電池，在使用期間必須確保電池性能。因此，這種類型的電池要求可靠性更高。眾所周知，備用電源用蓄電池長時間的涓流充電，導致電池內部正板柵逐漸氧化腐蝕，隨著氧化體積增大，極板本身膨脹變形。因此，在長期使用期間，為了維持電池的性能，有必要將極板膨脹以某種形式吸收，避免電池槽變形及破碎的現象出現。電池內部吸收時也能引起匯流排變形、破損，難以維持電池性能。
在設計VRLA電池時，重要之處是對使用期間可預測到的問題進行定量預測、采取對策。在此研討了采取CAE（計算機輔助工程）設計對電池強度進行分析，試圖預測使用中有可能出現的現象，要求進一步地提高電池的可靠性。
2.2 分析方法
經分析的VRLA電池有限影響要素模式示于圖1。正極群進行了3層次模型化分析。模型化分析后進行裝槽。板極膨脹是依據極板的膨脹率給與假定的溫度，通過熱膨脹表現極板的膨脹。分析是基于有限影響要素的分析程序。
分析所用的物性數據是采用圖2所示的各種實驗進行的，測定了構成電池各部位材料的強度。
2.3 分析結果
極群膨脹時的電池與電池內極群的應力分布示于圖3。應力是集中在極柱樹脂封口部分和與此接近的電池槽、蓋部分。
展開 電池設計 | 如何利用仿真提高電動汽車電池工藝制造效率
利用仿真優化電池生產流程
不過好消息是，全球領先的金融機構高盛集團（Goldman Sachs）認為，隨著供應趕超，整體需求降溫，鎳和鋰等電動汽車電池常用原材料的熊市即將來臨。因此，明年電動汽車價格很可能會開始下降。
從現在到2025年，電池價格預計下跌40%，而其中還有另一個原因。為進一步降低成本，制造商正在通過簡化封裝來降低復雜性。他們也在選擇更優的材料（例如硅），這種材料能同時縮短充電時間并提高能量密度，從而在相同重量下提供更多能量。
但是，如果采用更傳統的工藝方法來實現這些想法，會限制效率和可持續性。如果沒有實質性的改變，他們很可能仍會在優化生產流程、識別節省成本的機會和有效解決可持續性問題方面困難重重。
由于缺乏明確的方法來改進流程，制造商發現自己陷入了漫長的構建-實驗-廢棄-重復周期。而仿真可提供所需的洞察，來解決工藝流程和生產線開發各個階段的問題，從而減少這些成本高昂的試錯實驗并延長正常運行時間。如果沒有仿真提供的數據洞察，想要解決這種復雜性幾乎是不可能的。
在整個電動汽車電池市場中，電池制造商正在利用虛擬環境應對眾多技術工程挑戰。他們依靠仿真來滿足客戶規范、降低成本、保持質量、確保安全性和合規性，以及解決勞動力短缺問題、改進電池報廢處理和回收，并已取得了積極成果。
Mandloi表示：“更多的電池制造商正在生產過程中利用基于物理的仿真和安全性分析來獲得寶貴的洞察信息。Ansys的仿真工具和求解器使他們能夠優化電池設計，并在工廠車間確定合適的設備和工作流程，從而提高流程中的可擴展性、質量和可持續性。”
Ansys的客戶——英國電池工業化中心（UKBIC），是一家國家級電池工藝制造規模化設施，其依托仿真為不斷發展的電池行業提供技術。該設施在使用Ansys多物理場軟件開發電池技術和技能方面發揮著關鍵作用，以助力英國實現電氣化目標。
展開 豐田的動力電池的供應和開發
最近豐田有加速對動力電池的投資節奏的跡象，目前是放出話來，在2030年前將投資逾135億美元用于電池開發。
豐田計劃是通過改進電池使用的材料和電池結構，將電池成本削減30%以上。對此，豐田首席技術官Masahiko Maeda做了《Toward Carbon Neutrality Toyota’s Battery Development and Supply》的介紹。
備注：有傳言豐田自己開發的電池采購價格在1.5元/Wh以上，這個數據大概是國內采購價格的2倍以上
圖1 2021年1-7月掛豐田牌的PHEV和BEV的量在6717和1632臺
一、豐田的電池開發理念
我的理解，豐田對于動力電池的要求還是按照非常苛刻的要求來做的，貴肯定有貴的理由，不是電池供應商降本沒降成。
如下圖所示，目前豐田的重心還在混合動力，所以整體的HEV電池的開發目標是提高倍率，把HEV的功率提升上去。從PHEV和BEV這個組別來看，豐田分為傳統鋰電演化電池和新鋰電子電池（這個是豐田想要做的黑科技）
圖2 豐田的動力電池分類
從當前的要求來看，豐田的要求是相當高的，也就是在bZ4X上做長壽命電芯，按照下面這個圖的做法是10年衰減10%（可能伴隨10-15萬的續航）。
圖3 豐田定義的下面的正式的bZ4X的壽命要求非常高
延長電池壽命的辦法主要是負極的表面處理，在電池材料端的濕度控制，電池的冷卻結構和電池管理系統的合理控制。
圖4 豐田電池的長壽命設計
在質量層面，采用內卷的異物控制，充分發揮質量控制的潛力來控制異物。
圖5 豐田的電芯質量控制
核心還是一句話，豐田想要使用自己在HEV時代開發的經驗來延續在BEV的開發上面。我很好奇這款bZ4X會不會像之前的C-HR和IZOA一樣。
展開 