據(jù)工信部公布的數(shù)據(jù)顯示，2022年中國鋰電年總產(chǎn)值首次突破萬億元，超過1.2萬億元。重點(diǎn)在消費(fèi)、動(dòng)力和儲(chǔ)能三大應(yīng)用領(lǐng)域，其中動(dòng)力電池的占比超過了70%。同時(shí)，據(jù)工信部相關(guān)負(fù)責(zé)人表示：下一步，我國將從多方面推進(jìn)新型電池產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。
近年來，電力、交通、電力等領(lǐng)域的電力和汽車產(chǎn)業(yè)技術(shù)的發(fā)展，在電池性能和突破性性能方面取得了巨大進(jìn)步，新能源汽車是通過各種新能源生成電力并以電池作為動(dòng)力源的汽車。
新能源汽車的動(dòng)力電池主要可劃分為化學(xué)電池、物理電池以及生物電池三大類?；瘜W(xué)電池即以物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)生成電能的電池，并可根據(jù)工作性質(zhì)劃分為原電池、蓄電池、燃料電池、儲(chǔ)備電池等；物理電池即借助物理能量生成電能的電池，如太陽能電池、超級電容器等；生物電池即基于生物化學(xué)反應(yīng)生成電能的電池，包括微生物電池、酶電池等。
動(dòng)力電池本身具有極高的電能以及輸出功率，完全能夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)燃油汽車的動(dòng)力裝置。
一、動(dòng)力電池的基本結(jié)構(gòu)
說起動(dòng)力電池，大家對它組成結(jié)構(gòu)知道多少呢？動(dòng)力電池上游原材料：鎳鈷、錳、鋰、石墨、硅；動(dòng)力電池主材：電池正極材料，電池負(fù)極材料，電解液，隔膜；動(dòng)力電池輔材：導(dǎo)電劑、添加劑、鋁箔、銅箔；另外還有電芯、電池模組、電池管理系統(tǒng)、電池外殼、電池包架構(gòu)。
二、動(dòng)力電池包結(jié)構(gòu)振動(dòng)仿真分析
01、動(dòng)力電池的振動(dòng)安全性要求
動(dòng)力電池袋布置在電動(dòng)汽車乘員艙的底部。在車輛行駛過程中，有必要評估電池組的振動(dòng)耐久性?？拐駝?dòng)性要求GB/t 31467.3-2015電動(dòng)汽車鋰離子電池組符合系統(tǒng)第3部分:安全要求和測試方法。
隨機(jī)振動(dòng)是一種不規(guī)則形式的隨機(jī)振動(dòng)，通常與功率譜密度PSD一起考慮，是一種測量隨機(jī)變量平均值的概率統(tǒng)計(jì)方法，通常用于隨機(jī)振動(dòng)分析。
02、電池包有限元模型的建立
對電力電池盒結(jié)構(gòu)的三維數(shù)字模型進(jìn)行有限元建模，計(jì)算軟件包括Abaqus、ANSYS。電池箱體結(jié)構(gòu)主要采用六面體、殼體、梁、彈簧單元。箱蓋和箱體之間用螺栓連接，模塊用長螺栓固定到箱體的下部梁，電池箱體底部梁與之間使用焊接連接其中，使用實(shí)體單位模擬長期螺栓，使用ACM和Reb3連接方式模擬熔接，使用seam單位模擬熔接，并且熔接位置與實(shí)際位置相同。
03、電池包模態(tài)及隨機(jī)振動(dòng)
模態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的重要方法，用于研究結(jié)構(gòu)的自振特性，預(yù)測真實(shí)的初始結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)初始階段的設(shè)計(jì)誤差，如盡量減少系統(tǒng)的共振。這樣可以大大縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，節(jié)省開發(fā)成本。
電池包的模態(tài)分析有助于確定電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的固有頻率和形狀，初步評估電池系統(tǒng)的一般特性，并基于此改進(jìn)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。
客車和儲(chǔ)能電池隨機(jī)振動(dòng)載荷的沖擊載荷通常較低，在隨機(jī)振動(dòng)載荷PSD譜中變得更小。頻率越高，相應(yīng)的振動(dòng)負(fù)荷就越低，以避免電池振動(dòng)，增加剛度，盡可能提高電池的主頻率，以避免結(jié)構(gòu)振動(dòng)故障的風(fēng)險(xiǎn)，從而降低隨機(jī)振動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。
三、SIMULIA結(jié)構(gòu)仿真是什么？
SIMULIA對結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)等多學(xué)科計(jì)算，輔助于設(shè)計(jì)方案優(yōu)化，采用數(shù)字化技術(shù)模擬產(chǎn)品性能，大幅節(jié)約試驗(yàn)和樣機(jī)迭代成本。
01、SIMULIA結(jié)構(gòu)仿真能做什么？
Ⅰ、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度計(jì)算
采用有限元方法，模擬靜力、沖擊、振動(dòng)、傳動(dòng)、疲勞、傳熱、噪聲等工況；
綜合考慮三大非線性條件：幾何、材料、邊界（接觸）；
支持大規(guī)模模型的協(xié)同建模和并行計(jì)算。
Ⅱ、多尺度多物理場耦合計(jì)算
宏觀與微觀耦合計(jì)算，在微觀層面對材料特性進(jìn)行機(jī)理性分析，與宏觀的結(jié)構(gòu)計(jì)算實(shí)時(shí)耦合；
多場實(shí)時(shí)耦合處理，如流-固耦合、聲-固耦合、熱-力耦合、熱-電-力耦合、電-化學(xué)-結(jié)構(gòu)耦合、結(jié)構(gòu)-控制耦合、結(jié)構(gòu)-機(jī)構(gòu)耦合等；
多物理場之間的數(shù)據(jù)傳遞，如壓強(qiáng)由流場向結(jié)構(gòu)傳遞，溫度由電磁場向結(jié)構(gòu)傳遞等。
Ⅲ、結(jié)構(gòu)和流場的拓?fù)鋬?yōu)化
對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，提供拓?fù)?、形狀、尺寸、起筋等?yōu)化算法，達(dá)到減重、提高剛度等目的；
對流場進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，達(dá)到降低壓降、平衡流量等目標(biāo)；
在優(yōu)化時(shí)，能夠考慮可制造性約束條件。
Ⅳ、多學(xué)科目標(biāo)優(yōu)化
在自動(dòng)執(zhí)行計(jì)算流程的基礎(chǔ)上，提供豐富的優(yōu)化算法選項(xiàng)，對設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化；
提供試驗(yàn)設(shè)計(jì)（DOE）近似建模、質(zhì)量設(shè)計(jì)、大數(shù)據(jù)分析等輔助手段；
對流程和數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)可追溯、可復(fù)用。
四、動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)仿真分析的全面應(yīng)用
新能源動(dòng)力電池包結(jié)構(gòu)仿真分析的完整解決方案主要包括：強(qiáng)度分析、剛度分析、模態(tài)分析、隨機(jī)振動(dòng)分析、定頻振動(dòng)分析、疲勞分析、機(jī)械沖擊分析、跌落分析、擠壓分析、球擊分析等。
1、動(dòng)力電池的強(qiáng)度分析：電池包在各種加速度慣性載荷下的強(qiáng)度分析，查看應(yīng)力結(jié)果。
△強(qiáng)度分析
2、動(dòng)力電池的剛度分析：電池包在各種加速度慣性載荷下的剛度分析，查看位移結(jié)果。
△剛度分析
3、動(dòng)力電池的模態(tài)分析：電池包的約束模態(tài)分析，查看模態(tài)頻率和模態(tài)振型。
△模態(tài)分析
4、動(dòng)力電池的隨機(jī)振動(dòng)分析：電池包在PSD譜下的隨機(jī)振動(dòng)分析，查看位移和應(yīng)力結(jié)果。
△隨機(jī)振動(dòng)分析
5、動(dòng)力電池的定頻振動(dòng)分析：電池包在固定頻率下的定頻振動(dòng)分析，查看位移和應(yīng)力結(jié)果。
△定頻振動(dòng)分析
6、動(dòng)力電池的疲勞分析：電池包在確定振動(dòng)條件和時(shí)長下的疲勞分析，查看損傷和壽命結(jié)果。
△疲勞分析
7、動(dòng)力電池的機(jī)械沖擊分析：電池包在半正弦加速度慣性載荷下的機(jī)械沖擊分析，查看位移、應(yīng)力以及塑性應(yīng)變結(jié)果。
△機(jī)械沖擊分析
8、動(dòng)力電池的跌落分析：電池包在指定高度下落的跌落分析，查看位移、應(yīng)力以及塑性應(yīng)變結(jié)果。
△跌落分析
9、動(dòng)力電池的擠壓分析：電池包在指定反力或變形下的擠壓分析，查看位移、應(yīng)力以及塑性應(yīng)變結(jié)果。
△擠壓分析
10、動(dòng)力電池的球擊分析：電池包在指定球速下的球擊分析，查看位移、應(yīng)力以及塑性應(yīng)變結(jié)果。
△球擊分析
下期精彩內(nèi)容更新《航空航天行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，從根源上思考如何賦能轉(zhuǎn)型》傳統(tǒng)航空公司面臨的一個(gè)重大挑戰(zhàn)是，其流程植根于過去幾十年的傳統(tǒng)空中運(yùn)輸業(yè)務(wù)架構(gòu)，組織結(jié)構(gòu)框架仍然具有垂直層次結(jié)構(gòu)。這是航空公司數(shù)字化轉(zhuǎn)型面臨的重大挑戰(zhàn)，數(shù)字化轉(zhuǎn)型并不是簡單地將航空公司原有程序映射至數(shù)字環(huán)境。
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撰稿：成都恒睿
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