本文重點：

1.對比中國和美國在EV電池研發(fā)、應(yīng)用方面：政府法規(guī)、研發(fā)瓶頸、消費者現(xiàn)狀、消費者認知的一致和偏差。以全球視角討論電動汽車市場現(xiàn)階段的問題。

2.軟包電池的優(yōu)勢-加強對電池的保護、提高包裝效率

3.電動汽車電池的老化和短路危害

4.電動汽車電池在續(xù)航與載重之間的平衡

5.無需超級計算機的電池方陣和均質(zhì)化電池建模

6.ESI與Farasis在電池研發(fā)中取得的技術(shù)創(chuàng)新-Zero Prototype

7.數(shù)字樣機帶來的技術(shù)突破-順利通過嚴苛法規(guī)


電動汽車電池

根據(jù)國際能源署 (International Energy Agency) 最近的一份報告，2018年，電動汽車和混合動力汽車的數(shù)量超過了500萬輛，預(yù)計到2030年將達到4400萬輛。中國的電動汽車市場急速增長(45%) ，歐洲以24%排在第二位，美國以22%排在第三位。然而，電動汽車保有量沒有更大的主要原因是在簡單的成本層面。

負責(zé)ESI電動汽車電池仿真解決方案開發(fā)的丁沛然博士解釋說：電動汽車的電池是其最昂貴的組件。例如，雪佛蘭Bolt的鋰離子電池包的成本估計為1.5萬美元。特斯拉的Model S 的60千瓦時電池在2017年的售價估計為3.5萬美元，相當于該車標價的40%以上。雖然在特斯拉建立了自己的電池生產(chǎn)廠后，價格已經(jīng)下降，但成本仍然很高。

顯然，我們需要更經(jīng)濟的電池，這樣電動車才能被更廣泛地使用。

軟包電池

很多電池的設(shè)計都是硬殼結(jié)構(gòu)。相比之下，軟包電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單，重量更輕，材料更少，達到90%到95%的包裝效率。

在美國銷售的大多數(shù)電動汽車的電池都有8年的保修期，電動汽車公司對確保電池續(xù)航時間非常關(guān)注，這樣他們就不必提前更換電池了。



保險公司也關(guān)注電動汽車鋰電池的可靠性，在意外事故中責(zé)任的判定，何方支付更換成本，以及電動汽車偶發(fā)起火造成的傷害、財產(chǎn)損失的成本和對生命安全的威脅。

雖然起火事件在電動汽車中并不多見，但一旦發(fā)生，便會引起媒體的廣泛關(guān)注，給電動汽車蒙上一層不夠成熟的陰影。具有諷刺意味的是，僅在美國，汽油動力汽車平均每天失火167次。盡管如此，根據(jù)最近的研究，31%的普通民眾擔心電動汽車的安全性。


電池老化和短路可能導(dǎo)致火災(zāi)，將乘客的生命置于危險之中——更換電池的主要原因是電池老化或短路導(dǎo)致熱失控


鋰離子電池放電，隔膜 (圖片由OSHA提供）

鋰電池依靠鋰離子在正極和負極之間通過隔膜移動來工作。隔膜是一種薄的聚合物板，它可以防止正極材料與負極材料直接接觸。然而，這種分離器對液體電解質(zhì)是多孔的，它允許鋰離子在電池充電和放電時來回傳遞。

當隔膜發(fā)生故障，陰極和陽極直接接觸時，就會發(fā)生短路。這會產(chǎn)生足夠的熱量在電池單體里導(dǎo)致起火。一個電池單體著火會損壞相鄰電池單體的隔板，導(dǎo)致熱失控。


電動汽車電池?zé)崾Э貙?dǎo)致的煙霧起火和爆炸 (圖片由清華大學(xué)提供）

隔膜失效可能發(fā)生在撞車之后。隔膜可能會因過度變形而撕裂，比如撞車或道路事故造成的機械損傷。

隔膜也可以被電芯的枝晶刺穿。枝晶是極微小的鋰晶體，細如頭發(fā)，尖如針，在鋰離子電池過度充電時從陽極生長出來。

過高的溫度，如火災(zāi)，會使隔膜熔化或坍塌。所有這些失效機制將導(dǎo)致熱失控，導(dǎo)致冒煙、起火甚至爆炸。

車身電池的安全性與重量—惡性循環(huán)

顯然，電池和汽車制造商需要策略來提高電動汽車的安全性，并減輕購車者的擔憂。丁博士認為，采用三管齊下的方法:

·  鋰電池材料的固有安全性可以通過改善材料來提高。

·  采用診斷算法可以警告司機即將發(fā)生的故障。例如，電池管理系統(tǒng)BMS檢測到電池的快速過充或過放電。

·  可以啟動對策來減少或降低火災(zāi)危險。

為了保護消費者，政府機構(gòu)規(guī)定了電動汽車電池單體、電池組、電池包和整車的最低安全標準，包括外部短路、異常充電、強制放電、沖擊和振動以及溫度循環(huán)等幾個測試標準。 根據(jù)管理機構(gòu) (UN、IEC或ISO) 的不同，可能會對撞擊、擠壓、加熱、跌落等有額外的標準。

電動汽車的電池占據(jù)很大重量，特斯拉Model S型車重4800磅 (2200公斤) 。相比之下，一輛奔馳E350僅重3800磅。 兩者之間的差異幾乎完全在1200磅的電池重量。特斯拉Model S型車電池懸掛在車身下方，重量增加了它的穩(wěn)定性。但必須安裝一個鈦制防護罩，以保護它免受來自道路的危險。在沒有保護的情況下，巖石、路緣石或碎石片可能會穿透電池，導(dǎo)致熱失控。汽車還需要額外的結(jié)構(gòu)來吸收沖擊，重電池意味著需要將其與車身進行重載連接。這些對于電池必要的保護措施，導(dǎo)致車身更加的沉重。這是一個惡性循環(huán)！


無需超級計算機的電池仿真和均質(zhì)化電池建模

電動汽車的電池仿真可以發(fā)生在離子物理和枝晶生長這樣小的尺度上。 如果在電芯成分的尺度上研究，可通過連續(xù)介質(zhì)力學(xué)和斷裂力學(xué)予以解釋。電池單體、模組和電池包的結(jié)構(gòu)分析可以在宏觀尺度上用有限元法來完成，而整個車輛的耐撞性通常需要在一個更系統(tǒng)的規(guī)模上研究。


電池模組（圖片由Farasis提供）

電池包或模組的機械性能，如位移、應(yīng)力和應(yīng)變，取決于組成它們的電池單體的機械性能。進一步又取決于電池單體組成元件的行為 — 陽極、隔膜、陰極和塑料薄膜。然而，精確描述電池單體模型行為所需要的網(wǎng)格數(shù)量可能是數(shù)百萬。 將一個電池包或模組中內(nèi)在的所有電池單體都建模成相同大小的網(wǎng)格，結(jié)果將導(dǎo)致數(shù)億甚至數(shù)十億個網(wǎng)格單元。

“即使超級計算機也無法處理這么大的模型，”丁博士說。

為了克服這一挑戰(zhàn)，清華大學(xué)和ESI專家一直在合作開發(fā)一種均質(zhì)化電池單體建模方法，該方法將電池單體的機械性能定義為電池單體中所有組成元件的平均性能。 清華大學(xué)的研究人員用測試數(shù)據(jù)校準數(shù)值方法。均質(zhì)化電池單體建模將縮小電池包或模組有限元模型的整體尺寸，使其適合于現(xiàn)有的計算機資源。

Farasis：摒棄物理樣機，僅使用數(shù)字樣機基礎(chǔ)上的技術(shù)創(chuàng)新

中美合資的鋰離子電池開發(fā)商Farasis Energy已經(jīng)獲得了10億美元的融資，同時在廣泛的尋找客戶來驗證其電池性能。他們找到了一家德國汽車主機廠。Farasis使用ESI的虛擬性能解決方案 (VPS) 來研究電池在振動和車輛碰撞情況下的行為。在摒棄物理樣機，只使用了數(shù)字樣機的基礎(chǔ)上，他們?nèi)〉昧思夹g(shù)上的勝利，這讓主機廠商印象深刻，從而戰(zhàn)勝競爭對手一舉中標。孚能公司在德國東部建造一個價值6.6億美元的電池生產(chǎn)工廠，為這家德國汽車主機廠生產(chǎn)鋰離子電池。

Farasis Energy的高級技術(shù)研發(fā)部總監(jiān)馬特·克萊因（Matt Klein）博士說: “競標進行到一半時，德國汽車主機廠決定將物理樣機全部去除，只根據(jù)仿真模型計算結(jié)果做出決定。”

Farasis電池承受了嚴苛的碰撞測試。其中，電池和車輛必須在與圓柱桿側(cè)碰撞中幸存。他們還必須通過頻率和共振測試，以及各個方向的沖擊測試。 這些測試是各個國家政府機構(gòu)所要求的，保證電池具備實際應(yīng)用的安全性能。電池模型可以通過ESI虛擬性能解決方案在靜態(tài)、動態(tài)或振動物理領(lǐng)域進行評估，完成對電池幾何形狀，材料，接頭數(shù)量和位置的設(shè)計迭代，以確保性能更優(yōu)質(zhì)量更輕的電池產(chǎn)品。


電池模組在擠壓仿真中的位移（圖片由Farasis提供）

丁博士說: “ESI建立了一個統(tǒng)一的電池有限元模型，用于擠壓、沖擊、振動和膨脹仿真分析，從而形成了一個高效的工作流程，最終為Farasis提供了一個經(jīng)濟有效的解決方案。”

僅使用數(shù)字樣機通過電池和電動汽車的嚴格法規(guī)-技術(shù)突破

像上面Farasis例子中說明的那樣，鋰電池的仿真模型需要描述電池單體內(nèi)部的蜂窩狀結(jié)構(gòu)，該蜂窩狀結(jié)構(gòu)本質(zhì)上沿一個軸（縱向）剛性較大，而沿另一個軸剛度較弱。而金屬散熱片將熱量傳導(dǎo)到電池模塊的外部。

仿真將逐步進行到對電池模組的分析，該分析需要建立一個有限元模型，其中包含150萬個實體和殼體單元，單元尺寸從1-4毫米不等。

仿真之所以可行，是因為對一個電池單體的機械性能和材料求平均，可以得到一個規(guī)模更小，更易于管理和求解的模型（每個電池單體由10,000個實體六面體單元組成）。然后將許多這樣的電池單體模型裝入23英寸長的模組，用于模擬車輛前后方向圓柱桿測撞。

電池模組在所有方向上均受到60G，14 ms的沖擊載荷，該仿真確保電池不會從其安裝點斷裂或遭受內(nèi)部損壞。

為了應(yīng)對這一系列挑戰(zhàn)，ESI在歐盟UPSCAL（Upscaling Product development Simulation Capabilities exploiting Artificial Intelligence for Electrified Vehicles — 利用人工智能提高電動汽車的產(chǎn)品開發(fā)仿真能力）項目的框架內(nèi)，領(lǐng)導(dǎo)建立針對Crash的基于人工智能（AI）的設(shè)計平臺。 項目參與者有大眾汽車和CRF等汽車制造商，多家測試中心和大學(xué)。該項目的目標是應(yīng)用AI方法減少開發(fā)時間（20％）并提高電動汽車（EV）的性能。

根據(jù)法規(guī)中的車輛載荷工況建立實際的運動載荷數(shù)據(jù)庫，以確保合適的人工智能訓(xùn)練數(shù)據(jù)。詳細的電池單體模型將載荷工況與剛度和內(nèi)部故障風(fēng)險聯(lián)系起來。其結(jié)果可使用AI構(gòu)建電池單體的簡縮模型（Reduced Order Model）。然后，將在整車Crash仿真中驗證和使用簡縮模型。

丁博士告訴我們：ESI已在多尺度（multiscaling）方面進行了大量研究，其中將等效的材料特性應(yīng)用于較小的尺度復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。采用宏觀（Macroscale）方法是在可用時間內(nèi)解決電池模組和電池包模型問題的關(guān)鍵。經(jīng)過大量的仿真和驗證，ESI的目的是確保準確地進行多尺度仿真。他們在碰撞測試領(lǐng)域的聲譽取決于此。

ESI集團作為碰撞仿真的先驅(qū) — 大多數(shù)頭部汽車主機廠商現(xiàn)在都依賴ESI提供的虛擬樣機技術(shù)進行虛擬碰撞測試。現(xiàn)在，ESI已將其優(yōu)勢擴展到了電動汽車電池系統(tǒng)的虛擬碰撞測試，ESI愿為全球汽車工業(yè)轉(zhuǎn)型做出強有力的支持。