基于虛擬仿真的鋰離子電池實驗教學平臺設計
——評《ANSYS電池仿真與實例詳解——結構篇》

陳 丹,王 歡

(貴州師范大學教育學院,貴州 貴陽 550025)

一系列關于新能源電池的標準的出臺,對電池企業的設計能力提出了越來越高的要求。更重要的是,激烈的市場競爭使得電池設計周期變短,傳統的試驗測試方法不僅耗費時間長,而且成本投入高,因此,越來越多的電池企業將仿真技術應用于電池設計流程之中。通用機械分析軟件ANSYS Mechanical因強大的功能和良好的應用性,在全球各大電池廠家均有深度應用。

張寅等編寫的《ANSYS電池仿真與實例詳解——結構篇》一書,詳細介紹了ANSYS軟件在新能源電池包行業結構仿真方面的案例應用。全書共分4章:第1章為有限元仿真分析理論;第2章為電池包結構分析前處理;第3章為電池包結構強度仿真計算;第4章為電池包結構疲勞仿真計算。

1 有限元仿真分析理論

有限元分析是用數學近似的方法對真實的物理系統進行模擬,用簡單的問題代替復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或研究機構降低成本,還可以減少產品或流程設計環節的原型測試次數,提高產品或流程設計運行的效率,幫助工程師們產出新的設計方案。近年來,有限元分析軟件的應用范圍越來越廣泛,已經從大型企業和工程師的培訓機構,擴展到各行各業的中小型企業和涉及各個學科的研究型機構中。

有限元分析常用的軟件有 ANSYS、SDRC/I-DEAS等。ANSYS軟件因強大的功能和高效簡潔的操作,目前已成為國際上較流行的有限元分析軟件,原因是ANSYS可將結構、傳熱、磁場、電氣和流體等多個場組合起來進行高級仿真。當前我國理工類高等院校主要采用ANSYS作為標準教學軟件,進行有限元分析。基本分析流程通常包括前處理、分析計算和后處理等3個步驟。

①前處理:主要是根據實際問題定義求解模型,含實體建模及網格劃分。實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。網格劃分主要是單元類型的選擇、網格密度的確定及物理模型構造等。

②分析計算:將單元總裝成整個離散域的總矩陣方程。分析計算模塊包括流體動力學分析、壓電分析、聲場分析、電磁場分析、結構分析(可進行線性分析、非線性分析和高度非線性分析),以及多物理場的耦合分析等。有限元模型的加載相對簡單,但當施加邊界條件的面比較多時,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:根據有關準則,對所求出的解進行評價分析。后處理模塊可將計算結果以彩色等值線、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 電池包結構仿真分析

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

計算機輔助工程(CAE)在產品設計初期(概念設計、詳細設計階段),通過引入仿真技術,即可進行評估設計方案的合理性、優化產品的性能等。在設計初期修改設計參數,對設計的成本和周期的影響相對較小。就電池包的結構仿真分析而言,ANSYS Mechanical針對電池包具體使用過程中的結構強度分析、疲勞分析、跌落分析、擠壓分析、振動性能分析和沖擊分析等一系列國標中要求的測試,均有對應的仿真方案(見圖1)。

圖1 電池包結構設計中常關注的問題

新能源電池包結構仿真分析的關鍵是要有一套高質量的網格,網格好壞對數值求解結果影響極大,而前處理的好壞又對網格劃分起決定性作用。

電池包前處理難點體現在3個方面:①結構復雜,通常一個電池包由模組組成,而每個模組包括電芯、絕熱墊、導熱硅膠、極耳、母線(busbar)和外殼等部件組成;②數量眾多,一個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,整個電池包有幾千只電芯;③尺寸跨度較大,電芯的極耳、busbar和導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,在不影響計算精度的前提下,為減少工作量,可忽略一些尺寸較小的倒角、圓角和工藝孔等結構,以建立電池包有限元模型。結構有限元分析中邊界條件約束的準確性,對計算結果的準確性起到決定性作用,應予以高度重視。前處理還取決于設計的不同階段、項目的時間約束、計算硬件資料等因素,模擬精細度越高越好。如果受時間、硬件等因素的影響,也可以對模型進一步進行簡化,比如去掉極耳等細節部件。

3 鋰離子電池結構仿真實驗教學平臺設計

鋰離子電池具有質量小、容量大、無污染、無記憶效應和使用壽命長等優點。我國非常重視擁有自主知識產權的鋰離子電池的研究和開發。在此背景下,相關專業的人才培養也受到了重視,高校利用當前的數字仿真技術深化理論教學,與實踐教學有機融合,提高鋰離子電池人才的綜合素質。目前市場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,目前在市面上多數電動汽車中得到應用。該書的仿真實驗也以三元正極材料鋰離子電池為研究對象。

高校基于三元正極材料鋰離子電池專業理論課的學習,通過虛擬仿真技術,引導學生深入認知所學電池相關生產工藝理論知識。同時,基于虛擬仿真技術搭建教學實驗平臺,以更低的實驗成本和更安全的方式,讓學生突破時空限制,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,掌握電池的應用場景、裝配工藝和設備操作等;同時,借助教學平臺提供的裝配環境,探究新材料開發和新技術引入對電池性能等的影響。該實驗教學平臺的搭建使實踐教學的落地更為高效。

虛擬仿真教學實驗平臺設計的教學目標主要包括以下幾個方面:①通過平臺營造的虛擬仿真場景,清晰展示三元正極材料鋰離子電池的結構和原理,使抽象的知識具象化、生動化,進一步加深學生對抽象的專業理論知識的理解和學習;②通過實操練習,讓學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、質量檢測和場景化應用等,培養學生的應用實踐素養;③提供不限制時間和空間的教學實驗平臺,使課堂更具趣味性;④突破傳統的教學模式,最終實現創造性的學習,改進傳統體驗式教學,提高教學效果。

虛擬仿真實驗平臺設計主要包含理論認知、實操練習和習題考核等3大塊內容。

仿真課程從以下3個方面對學生進行全面課程教學:①鋰離子電池及應用背景,包括電池的特點、結構、工作原理和在新能源等領域的應用等;②鋰離子電池生產裝配工藝,包括總體工藝及每一步的詳細流程、對應知識點、配套設備、工藝控制參數和注意事項等;③鋰離子電池生產設備操作,包括設備功能、運行原理、操作過程和參數調節等。

習題考核則是通過測試考察學生的學習效果,并輸出學習報告進行反饋,學生可以及時發現自己的薄弱和不足,教師也能及時獲取教學效果,并能根據整體的學習情況進行針對性的查漏補缺。

理論認知板塊的設計,主要是以視頻或圖片的形式清晰呈現三元正極材料鋰離子電池的基本原理及電池構造。學生可以在該板塊完成基礎理論的相關學習。

電極制備板塊是正式的虛擬仿真實驗交互實操環節。制造時,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,需要將正極粉末與黏結劑混合后,均勻涂覆在鋁箔上,以便后期卷繞成型。

鋰離子電池生產工藝和流程可劃分為前、中、后等3個階段。前段工序的目的是將原材料加工成為極片,核心工序為涂覆;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、檢測等級容量,核心工序是化成和分容。電池生產工藝流程的參數控制及注意事項都可以通過虛擬仿真教學實驗平臺完成,對應各生產工序,所需生產設備同樣可以劃分為前段設備、中段設備和后段設備。前段設備包括攪拌機、涂布機、輥壓機和分切機等;中段設備包括卷繞機、疊片機和注液機等;后段設備包括分容、化成和檢測等設備。在虛擬仿真平臺中,學生可以通過虛擬操作熟練設備操作,深入理解運行原理。

4 結語

《ANSYS電池仿真與實例詳解——結構篇》一書從理論和應用兩方面著手,詳細而系統地闡述鋰離子電池仿真模擬解決方案。書中案例對網格劃分、參數設置和后處理等,都進行了系統性講解,可幫助讀者掌握整個電池仿真模型的建立過程和技巧,有助于從業者仿真能力的提升,是一本實用的工具書,具有較好的指導意義。該書適用于從事新能源電池行業的工程技術人員以及工科相關專業的高年級本科生、研究生,同時可以作為學習ANSYS軟件分析應用的相關人員的參考教材。

書名:ANSYS電池仿真與實例詳解——結構篇

作者:張寅井文明宋述軍編著

ISBN:9787111687764

出版社:機械工業出版社

出版時間:2021-10

定價:￥99.00元