動力鋰離子電池作為新能源汽車的核心部件，其使用性能和壽命嚴重影響著其產業的發展。鋰離子電池以其體積小、比能量高、循環壽命長、環境污染小和安全性高等優點成為電動汽年的首選電源。其超高的能量密度雖然可以緩解續航里程短的缺點，但由于動力鋰離子電池發熱帶來的安全問題卻非常嚴重，各大動力鋰離子電池生產公司都在竭力尋找解決此問題的捷徑，有限元仿真技術便是捷徑之一。仿真技術作為智能研發必不可少的一種使能工具，應用范圍非常廣泛，可以說“無處不在”。為了詳細了解仿真技術在動力鋰離子電池研發設計中的應用，e-works記者于2017年五月五日采訪了惠州億緯鋰能公司副總裁袁中直博士。

圖1惠州億緯鋰能副總裁袁中直博士

踐行綠色，矢志不渝

億緯鋰能創立于2001年，2009年在深圳創業板上市，作為我國鋰離子電池行業的領先公司之一，目前已形成鋰原電池、鋰離子電池、動力系統、儲能系統等核心業務。在鋰原電池行業，億緯鋰能取得了絕對的競爭優勢，是我國最大、世界前三的高能鋰一次電池供應商，重要應用在智能表計、智能交通、智能安防等領域。億緯鋰能是第一家以鋰離子電池為主業在國內上市的公司。致力于綠色能源事業，億緯鋰能成功推出新能源汽車電源系統、通信儲能系統、家用儲能系統、智能微網儲能系統等一系列綠色能源產品和方法。

近幾年，隨著新能源汽車爆發性的發展，億緯鋰能把握機遇，成功推出新能源汽車動力系統，擁有電芯、模組、電池管理系統、Pack結構等全產業鏈核心技術，應用領域涵蓋增程式電動客車、純電動客車和物流車、專用車、純電動乘用車等。目前，公司總占地面積約50萬平方米，在廣東惠州、湖北荊門設有4大生產基地，在香港、、美國、歐洲等國內外多地設分公司及辦事處。未來，億緯鋰能將秉承“鋰離子電池-驅動萬物互聯”的理念，用科技和創新讓更多的國家和人民享受綠色生活，為地球存儲綠色未來。

圖2惠州億緯鋰能股份有限公司

“動力”十足，“儲”見成效

智能制造時代，億緯鋰能的布局策略是：用世界上最先進的成套裝備、管理方式來制造動力鋰離子電池。具體來說，通過高端的自動化設備+控制系統，包括MES系統、SAP系統、評審系統，從而保證產品品質的一致性。

有關智能制造，袁中直副總裁感觸很深，他說道：“從開始決定制造動力鋰離子電池，我們就走的高端制造路線，而非簡單的自動化生產。要做世界一流水平的動力鋰離子電池，有三大密集：技術密集、資金密集和管理密集。資金密集、技術密集是行業人士最常提出的兩個密集，但其實鋰電行業更是一個管理密集的行業。公司已配備改善品質的全員生產維護的TPM（TotalProductiveMaintenance）制度和保證制程水平不斷提高的技師制度等多項管理制度。”

經過智能制造的高效管理，億緯鋰能動力鋰離子電池生產線效率獲得顯著提升。最明顯的表現是：人均產量提升4倍、用工人數減少70%、制程縮短一半、優率提升到95%、容量一致性提升67%、電池內阻降到傳統模式的30%。億緯鋰能動力鋰離子電池產品覆蓋方形磷酸鐵鋰、圓柱三元和軟包疊片，現有產量5.8GWh，圓柱三元3.5GWh，方形磷酸鐵鋰2.3GWh。

安全問題，不容小覷

近幾年，在推動新能源汽車產業發展的過程中，公司認識到電池包作為電動汽車的核心部件之一，是“木桶中最短的那根木頭”，已成為制約電動汽車市場化的瓶頸。如圖4為增程式電動客車電源系統的制造流程。動力鋰離子電池是由成千甚至上萬個電芯組成的一個龐大的電源系統，重量從幾百公斤到1-2噸不等。如此龐大的電源系統，其安全性不容忽視，而動力鋰離子電池最大的安全問題就是發熱，過高的溫度不僅會影響電池的壽命，更會導致鋰離子電池的正極材料脫落分解、負極與電解液反應、薄膜刺穿等嚴重安全隱患。

圖3增程式電動客車電源系統制造流程

袁總介紹到，傳統消費類的鋰離子電池的研發設計方法已不再適用。在研究動力鋰離子電池熱安全問題時，傳統的熱成像技術只能采集到單體電池表面狀態，植埋熱電偶溫度采集的方法受結構限制又無法得到完整的熱分布信息。通過實驗的方法都會浪費大量的人力、物力和財力。面對如此困境，我們意識到有限元仿真的優勢，排除萬難，急切要利用仿真技術對汽車電池包Pack產品進行散熱設計與優化，確保大容量電池Pack包實現可靠的熱設計，保障產品的熱安全性能。除了熱分析外，還要對電池包Pack進行模態分析、動態分析、疲勞分析、跌落分析和輕量化設計等等。

縝密選型，選中ANSYS

有關仿真軟件選型，袁總這樣說到，我們考慮的因素重要有兩點也是最重要的兩點，一是要滿足我們的需求，二是軟件在行業內中有一定的普及度。對同行業CAE軟件了解后，我們對ANSYS軟件留下了深刻的印象，之后與ANSYS代理商廣州陽普科技聯系，從售前深入的交流到軟件采購再到軟件售后培訓，ANSYS和陽普科技都給予了我們很大幫助。

袁總繼續解釋道，ANSYS是一款融熱、結構、流體、磁場等分析于一體的大型通用有限元分析軟件，且在新能源電池行業應用也很多，工程師可以在同一個軟件環境中，完成對動力鋰離子電池pack包的熱流體分析，模態、跌落等結構分析，可以輕松地滿足我們的仿真需求。最后，我們采購了從建模（SpaceClaim）到熱流體（Fluent）再到結構（Mechanical）的三大模塊，用來全面解決動力鋰離子電池包面對的散熱、結構優化和熱結構耦合問題。

智造時代，智能研發

目前，CAE分析已成為億緯鋰能動力鋰離子電池產品研發必不可少的環節，公司成立了專門的仿真小組對單體電芯，模組，電池包進行結構及熱仿真分析。圖4所示為動力鋰離子電池項目開發流程。

圖4動力鋰離子電池項目開發流程

應用ANSYSFluent仿真工具，通過建立有限元模型，進行熱流耦合分析求解，獲得完整的鋰離子動力鋰離子電池的熱分布和流場分布，通過分析多種方法的模擬結果，對電池的排布方式及電池熱管理方法起到很大的指導用途。圖5所示為電池包熱流耦合分析結果。

圖5電池包熱流耦合分析

電池箱的功能即容納和保護電池組，所以其結構必須保證保留最大的容納空間基礎上滿足足夠的強度，在薄弱的部位進行重點防護。除了靜強度分析，還要進行模態分析，得出電池箱結構的固有頻率，在有效的有限元模型基礎上，通過反復的結構修改、仿真分析、結果評價，使改進后的電池箱在振動試驗中不出現斷裂、變形較大等結構破壞現象。在保證強度、模態特性及抗振動沖擊性能的前提下，還要最大限度地減輕電池箱重量。圖6所示為電池箱體的結構仿真結果。

圖6電池箱體的結構仿真

袁總介紹到，目前公司的磷酸鐵鋰離子電池通過提升正極材料比容量、電芯優化設計和電池包輕量化設計，使系統能量密度達到了123Wh/kg，符合國家1.2倍補貼標準(115Wh/kg)。18650-2.6Ah三元電池單體比能量達到200Wh/kg以上，系統能量密度高達130Wh/kg，符合1.1倍補貼標準。

最后，袁中直副總裁對ANSYS軟件給予了高度肯定，他這樣說到，通過部署易用的分析工具和適當的培訓，ANSYS及代理商陽普科技在智能研發，構建研發團隊上給予了幫助，在設計早期使用CAE軟件可以明顯提升動力鋰離子電池的可靠性、安全性，縮短開發周期，同時可以將仿真結果用于產品營銷環節，新增銷售機會。

后記

“無處不在的仿真”，可以幫助公司滿足動力鋰離子電池苛刻的標準要求，為動力鋰離子電池的智能研發供應一條捷徑。未來，無論是前期設計還是后期校核，仿真技術都將發揮重大價值。采訪結束后，在公司工作人員陪同下參觀了18650動力鋰離子電池智能生產線，此生產線以松下電池作為標桿，年產量1GWh，不愧為“國內目前自動化程度最高的動力圓柱鋰離子電池生產線”。