基于虚拟仿真的锂离子电池实验教学平台设计——评《ANSYS电池仿真与实例详解——结构篇》

陈 丹,王 欢

(贵州师范大学教育学院,贵州 贵阳 550025)

一系列关于新能源电池的标准的出台,对电池企业的设计能力提出了越来越高的要求。更重要的是,激烈的市场竞争使得电池设计周期变短,传统的试验测试方法不仅耗费时间长,而且成本投入高,因此,越来越多的电池企业将仿真技术应用于电池设计流程之中。通用机械分析软件ANSYS Mechanical因强大的功能和良好的应用性,在全球各大电池厂家均有深度应用。

张寅等编写的《ANSYS电池仿真与实例详解——结构篇》一书,详细介绍了ANSYS软件在新能源电池包行业结构仿真方面的案例应用。全书共分4章:第1章为有限元仿真分析理论;第2章为电池包结构分析前处理;第3章为电池包结构强度仿真计算;第4章为电池包结构疲劳仿真计算。

1 有限元仿真分析理论

有限元分析是用数学近似的方法对真实的物理系统进行模拟,用简单的问题代替复杂的问题后再求解的一种方法。有限元仿真分析不仅帮助企业或研究机构降低成本,还可以减少产品或流程设计环节的原型测试次数,提高产品或流程设计运行的效率,帮助工程师们产出新的设计方案。近年来,有限元分析软件的应用范围越来越广泛,已经从大型企业和工程师的培训机构,扩展到各行各业的中小型企业和涉及各个学科的研究型机构中。

有限元分析常用的软件有 ANSYS、SDRC/I-DEAS等。ANSYS软件因强大的功能和高效简洁的操作,目前已成为国际上较流行的有限元分析软件,原因是ANSYS可将结构、传热、磁场、电气和流体等多个场组合起来进行高级仿真。当前我国理工类高等院校主要采用ANSYS作为标准教学软件,进行有限元分析。基本分析流程通常包括前处理、分析计算和后处理等3个步骤。

①前处理:主要是根据实际问题定义求解模型,含实体建模及网格划分。实体建模通常使用自顶向下的建模方法,涉及的命令少,能较大幅度提升建模的效率。网格划分主要是单元类型的选择、网格密度的确定及物理模型构造等。

②分析计算:将单元总装成整个离散域的总矩阵方程。分析计算模块包括流体动力学分析、压电分析、声场分析、电磁场分析、结构分析(可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析),以及多物理场的耦合分析等。有限元模型的加载相对简单,但当施加边界条件的面比较多时,为保证正确性,需要使用选择命令将这些面全部选出。

③后处理:根据有关准则,对所求出的解进行评价分析。后处理模块可将计算结果以彩色等值线、立体切片、梯度、粒子流迹、矢量、透明和半透明等图形方式显示出来。

2 电池包结构仿真分析

ANSYS公司旗下众多软件可解决电池行业不同维度的仿真问题,该书主要以Mechanical为主体,阐述电池包结构仿真的思路以及具体实施过程。

计算机辅助工程(CAE)在产品设计初期(概念设计、详细设计阶段),通过引入仿真技术,即可进行评估设计方案的合理性、优化产品的性能等。在设计初期修改设计参数,对设计的成本和周期的影响相对较小。就电池包的结构仿真分析而言,ANSYS Mechanical针对电池包具体使用过程中的结构强度分析、疲劳分析、跌落分析、挤压分析、振动性能分析和冲击分析等一系列国标中要求的测试,均有对应的仿真方案(见图1)。

图1 电池包结构设计中常关注的问题

新能源电池包结构仿真分析的关键是要有一套高质量的网格,网格好坏对数值求解结果影响极大,而前处理的好坏又对网格划分起决定性作用。

电池包前处理难点体现在3个方面:①结构复杂,通常一个电池包由模组组成,而每个模组包括电芯、绝热垫、导热硅胶、极耳、母线(busbar)和外壳等部件组成;②数量众多,一个电池包少则几只到几十只,多则成百上千只电芯,比如特斯拉的圆柱形电芯,整个电池包有几千只电芯;③尺寸跨度较大,电芯的极耳、busbar和导热垫等厚度尺寸较小,电芯、箱体和水冷板等尺寸较大。

电池包前处理时,在不影响计算精度的前提下,为减少工作量,可忽略一些尺寸较小的倒角、圆角和工艺孔等结构,以建立电池包有限元模型。结构有限元分析中边界条件约束的准确性,对计算结果的准确性起到决定性作用,应予以高度重视。前处理还取决于设计的不同阶段、项目的时间约束、计算硬件资料等因素,模拟精细度越高越好。如果受时间、硬件等因素的影响,也可以对模型进一步进行简化,比如去掉极耳等细节部件。

3 锂离子电池结构仿真实验教学平台设计

锂离子电池具有质量小、容量大、无污染、无记忆效应和使用寿命长等优点。我国非常重视拥有自主知识产权的锂离子电池的研究和开发。在此背景下,相关专业的人才培养也受到了重视,高校利用当前的数字仿真技术深化理论教学,与实践教学有机融合,提高锂离子电池人才的综合素质。目前市场占比高的锂离子电池主要有三元正极材料锂离子电池和磷酸铁锂正极锂离子电池两类,由于三元正极材料锂离子电池在同体积和质量下,相比于磷酸铁锂正极锂离子电池的能量更高,容量更大,目前在市面上多数电动汽车中得到应用。该书的仿真实验也以三元正极材料锂离子电池为研究对象。

高校基于三元正极材料锂离子电池专业理论课的学习,通过虚拟仿真技术,引导学生深入认知所学电池相关生产工艺理论知识。同时,基于虚拟仿真技术搭建教学实验平台,以更低的实验成本和更安全的方式,让学生突破时空限制,完成三元正极材料锂离子电池的电极制备及组装工艺仿真,掌握电池的应用场景、装配工艺和设备操作等;同时,借助教学平台提供的装配环境,探究新材料开发和新技术引入对电池性能等的影响。该实验教学平台的搭建使实践教学的落地更为高效。

虚拟仿真教学实验平台设计的教学目标主要包括以下几个方面:①通过平台营造的虚拟仿真场景,清晰展示三元正极材料锂离子电池的结构和原理,使抽象的知识具象化、生动化,进一步加深学生对抽象的专业理论知识的理解和学习;②通过实操练习,让学生真正掌握三元正极材料锂离子电池的电极制备、组装全过程、质量检测和场景化应用等,培养学生的应用实践素养;③提供不限制时间和空间的教学实验平台,使课堂更具趣味性;④突破传统的教学模式,最终实现创造性的学习,改进传统体验式教学,提高教学效果。

虚拟仿真实验平台设计主要包含理论认知、实操练习和习题考核等3大块内容。

仿真课程从以下3个方面对学生进行全面课程教学:①锂离子电池及应用背景,包括电池的特点、结构、工作原理和在新能源等领域的应用等;②锂离子电池生产装配工艺,包括总体工艺及每一步的详细流程、对应知识点、配套设备、工艺控制参数和注意事项等;③锂离子电池生产设备操作,包括设备功能、运行原理、操作过程和参数调节等。

习题考核则是通过测试考察学生的学习效果,并输出学习报告进行反馈,学生可以及时发现自己的薄弱和不足,教师也能及时获取教学效果,并能根据整体的学习情况进行针对性的查漏补缺。

理论认知板块的设计,主要是以视频或图片的形式清晰呈现三元正极材料锂离子电池的基本原理及电池构造。学生可以在该板块完成基础理论的相关学习。

电极制备板块是正式的虚拟仿真实验交互实操环节。制造时,先将三元素(镍钴锰或镍钴铝)的溶液陈化煅烧,制成三元前驱体,再与锂化合物混合煅烧,制成镍钴锰酸锂或镍钴铝酸锂正极纳米颗粒。具体制造锂离子电池电芯时,需要将正极粉末与黏结剂混合后,均匀涂覆在铝箔上,以便后期卷绕成型。

锂离子电池生产工艺和流程可划分为前、中、后等3个阶段。前段工序的目的是将原材料加工成为极片,核心工序为涂覆;中段工艺的目的是将极片加工成为未激活电芯,核心工序是卷绕或叠片;后段工序的目的是激活电芯、检测等级容量,核心工序是化成和分容。电池生产工艺流程的参数控制及注意事项都可以通过虚拟仿真教学实验平台完成,对应各生产工序,所需生产设备同样可以划分为前段设备、中段设备和后段设备。前段设备包括搅拌机、涂布机、辊压机和分切机等;中段设备包括卷绕机、叠片机和注液机等;后段设备包括分容、化成和检测等设备。在虚拟仿真平台中,学生可以通过虚拟操作熟练设备操作,深入理解运行原理。

4 结语

《ANSYS电池仿真与实例详解——结构篇》一书从理论和应用两方面着手,详细而系统地阐述锂离子电池仿真模拟解决方案。书中案例对网格划分、参数设置和后处理等,都进行了系统性讲解,可帮助读者掌握整个电池仿真模型的建立过程和技巧,有助于从业者仿真能力的提升,是一本实用的工具书,具有较好的指导意义。该书适用于从事新能源电池行业的工程技术人员以及工科相关专业的高年级本科生、研究生,同时可以作为学习ANSYS软件分析应用的相关人员的参考教材。

书名:ANSYS电池仿真与实例详解——结构篇

作者:张寅井文明宋述军编著

ISBN:9787111687764

出版社:机械工业出版社

出版时间:2021-10

定价:¥99.00元