本文重點(diǎn)：

1.對(duì)比中國(guó)和美國(guó)在EV電池研發(fā)、應(yīng)用方面：政府法規(guī)、研發(fā)瓶頸、消費(fèi)者現(xiàn)狀、消費(fèi)者認(rèn)知的一致和偏差。以全球視角討論電動(dòng)汽車市場(chǎng)現(xiàn)階段的問(wèn)題。

2.軟包電池的優(yōu)勢(shì)-加強(qiáng)對(duì)電池的保護(hù)、提高包裝效率

3.電動(dòng)汽車電池的老化和短路危害

4.電動(dòng)汽車電池在續(xù)航與載重之間的平衡

5.無(wú)需超級(jí)計(jì)算機(jī)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(jī)帶來(lái)的技術(shù)突破-順利通過(guò)嚴(yán)苛法規(guī)


電動(dòng)汽車電池

根據(jù)國(guó)際能源署 (International Energy Agency) 最近的一份報(bào)告，2018年，電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車的數(shù)量超過(guò)了500萬(wàn)輛，預(yù)計(jì)到2030年將達(dá)到4400萬(wàn)輛。中國(guó)的電動(dòng)汽車市場(chǎng)急速增長(zhǎng)(45%) ，歐洲以24%排在第二位，美國(guó)以22%排在第三位。然而，電動(dòng)汽車保有量沒(méi)有更大的主要原因是在簡(jiǎn)單的成本層面。

負(fù)責(zé)ESI電動(dòng)汽車電池仿真解決方案開(kāi)發(fā)的丁沛然博士解釋說(shuō)：電動(dòng)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(jì)為1.5萬(wàn)美元。特斯拉的Model S 的60千瓦時(shí)電池在2017年的售價(jià)估計(jì)為3.5萬(wàn)美元，相當(dāng)于該車標(biāo)價(jià)的40%以上。雖然在特斯拉建立了自己的電池生產(chǎn)廠后，價(jià)格已經(jīng)下降，但成本仍然很高。

顯然，我們需要更經(jīng)濟(jì)的電池，這樣電動(dòng)車才能被更廣泛地使用。

軟包電池

很多電池的設(shè)計(jì)都是硬殼結(jié)構(gòu)。相比之下，軟包電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，重量更輕，材料更少，達(dá)到90%到95%的包裝效率。

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



保險(xiǎn)公司也關(guān)注電動(dòng)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(dòng)汽車偶發(fā)起火造成的傷害、財(cái)產(chǎn)損失的成本和對(duì)生命安全的威脅。

雖然起火事件在電動(dòng)汽車中并不多見(jiàn)，但一旦發(fā)生，便會(huì)引起媒體的廣泛關(guān)注，給電動(dòng)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(guó)，汽油動(dòng)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(dān)心電動(dòng)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(xiǎn)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(fù)極之間通過(guò)隔膜移動(dòng)來(lái)工作。隔膜是一種薄的聚合物板，它可以防止正極材料與負(fù)極材料直接接觸。然而，這種分離器對(duì)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(shí)來(lái)回傳遞。

當(dāng)隔膜發(fā)生故障，陰極和陽(yáng)極直接接觸時(shí)，就會(huì)發(fā)生短路。這會(huì)產(chǎn)生足夠的熱量在電池單體里導(dǎo)致起火。一個(gè)電池單體著火會(huì)損壞相鄰電池單體的隔板，導(dǎo)致熱失控。


電動(dòng)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(huì)因過(guò)度變形而撕裂，比如撞車或道路事故造成的機(jī)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(xì)如頭發(fā)，尖如針，在鋰離子電池過(guò)度充電時(shí)從陽(yáng)極生長(zhǎng)出來(lái)。

過(guò)高的溫度，如火災(zāi)，會(huì)使隔膜熔化或坍塌。所有這些失效機(jī)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(lái)提高電動(dòng)汽車的安全性，并減輕購(gòu)車者的擔(dān)憂。丁博士認(rèn)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(guò)改善材料來(lái)提高。

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

·  可以啟動(dòng)對(duì)策來(lái)減少或降低火災(zāi)危險(xiǎn)。

為了保護(hù)消費(fèi)者，政府機(jī)構(gòu)規(guī)定了電動(dòng)汽車電池單體、電池組、電池包和整車的最低安全標(biāo)準(zhǔn)，包括外部短路、異常充電、強(qiáng)制放電、沖擊和振動(dòng)以及溫度循環(huán)等幾個(gè)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。 根據(jù)管理機(jī)構(gòu) (UN、IEC或ISO) 的不同，可能會(huì)對(duì)撞擊、擠壓、加熱、跌落等有額外的標(biāo)準(zhǔn)。

電動(dòng)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(gè)鈦制防護(hù)罩，以保護(hù)它免受來(lái)自道路的危險(xiǎn)。在沒(méi)有保護(hù)的情況下，巖石、路緣石或碎石片可能會(huì)穿透電池，導(dǎo)致熱失控。汽車還需要額外的結(jié)構(gòu)來(lái)吸收沖擊，重電池意味著需要將其與車身進(jìn)行重載連接。這些對(duì)于電池必要的保護(hù)措施，導(dǎo)致車身更加的沉重。這是一個(gè)惡性循環(huán)！


無(wú)需超級(jí)計(jì)算機(jī)的電池仿真和均質(zhì)化電池建模

電動(dòng)汽車的電池仿真可以發(fā)生在離子物理和枝晶生長(zhǎng)這樣小的尺度上。 如果在電芯成分的尺度上研究，可通過(guò)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(lái)完成，而整個(gè)車輛的耐撞性通常需要在一個(gè)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(jī)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(jī)械性能。進(jìn)一步又取決于電池單體組成元件的行為 — 陽(yáng)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(wàn)。 將一個(gè)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(gè)網(wǎng)格單元。

“即使超級(jí)計(jì)算機(jī)也無(wú)法處理這么大的模型，”丁博士說(shuō)。

為了克服這一挑戰(zhàn)，清華大學(xué)和ESI專家一直在合作開(kāi)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(jī)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(cè)試數(shù)據(jù)校準(zhǔn)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(jì)算機(jī)資源。

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

中美合資的鋰離子電池開(kāi)發(fā)商Farasis Energy已經(jīng)獲得了10億美元的融資，同時(shí)在廣泛的尋找客戶來(lái)驗(yàn)證其電池性能。他們找到了一家德國(guó)汽車主機(jī)廠。Farasis使用ESI的虛擬性能解決方案 (VPS) 來(lái)研究電池在振動(dòng)和車輛碰撞情況下的行為。在摒棄物理樣機(jī)，只使用了數(shù)字樣機(jī)的基礎(chǔ)上，他們?nèi)〉昧思夹g(shù)上的勝利，這讓主機(jī)廠商印象深刻，從而戰(zhàn)勝競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手一舉中標(biāo)。孚能公司在德國(guó)東部建造一個(gè)價(jià)值6.6億美元的電池生產(chǎn)工廠，為這家德國(guó)汽車主機(jī)廠生產(chǎn)鋰離子電池。

Farasis Energy的高級(jí)技術(shù)研發(fā)部總監(jiān)馬特·克萊因（Matt Klein）博士說(shuō): “競(jìng)標(biāo)進(jìn)行到一半時(shí)，德國(guó)汽車主機(jī)廠決定將物理樣機(jī)全部去除，只根據(jù)仿真模型計(jì)算結(jié)果做出決定?！?br />
Farasis電池承受了嚴(yán)苛的碰撞測(cè)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(guò)頻率和共振測(cè)試，以及各個(gè)方向的沖擊測(cè)試。 這些測(cè)試是各個(gè)國(guó)家政府機(jī)構(gòu)所要求的，保證電池具備實(shí)際應(yīng)用的安全性能。電池模型可以通過(guò)ESI虛擬性能解決方案在靜態(tài)、動(dòng)態(tài)或振動(dòng)物理領(lǐng)域進(jìn)行評(píng)估，完成對(duì)電池幾何形狀，材料，接頭數(shù)量和位置的設(shè)計(jì)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(shuō): “ESI建立了一個(gè)統(tǒng)一的電池有限元模型，用于擠壓、沖擊、振動(dòng)和膨脹仿真分析，從而形成了一個(gè)高效的工作流程，最終為Farasis提供了一個(gè)經(jīng)濟(jì)有效的解決方案?！?br />
僅使用數(shù)字樣機(jī)通過(guò)電池和電動(dòng)汽車的嚴(yán)格法規(guī)-技術(shù)突破

像上面Farasis例子中說(shuō)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(gè)軸（縱向）剛性較大，而沿另一個(gè)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(jìn)行到對(duì)電池模組的分析，該分析需要建立一個(gè)有限元模型，其中包含150萬(wàn)個(gè)實(shí)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?yàn)閷?duì)一個(gè)電池單體的機(jī)械性能和材料求平均，可以得到一個(gè)規(guī)模更小，更易于管理和求解的模型（每個(gè)電池單體由10,000個(gè)實(shí)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(zhǎng)的模組，用于模擬車輛前后方向圓柱桿測(cè)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(huì)從其安裝點(diǎn)斷裂或遭受內(nèi)部損壞。

為了應(yīng)對(duì)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(dòng)汽車的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)仿真能力）項(xiàng)目的框架內(nèi)，領(lǐng)導(dǎo)建立針對(duì)Crash的基于人工智能（AI）的設(shè)計(jì)平臺(tái)。 項(xiàng)目參與者有大眾汽車和CRF等汽車制造商，多家測(cè)試中心和大學(xué)。該項(xiàng)目的目標(biāo)是應(yīng)用AI方法減少開(kāi)發(fā)時(shí)間（20％）并提高電動(dòng)汽車（EV）的性能。

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

丁博士告訴我們：ESI已在多尺度（multiscaling）方面進(jìn)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(shí)間內(nèi)解決電池模組和電池包模型問(wèn)題的關(guān)鍵。經(jīng)過(guò)大量的仿真和驗(yàn)證，ESI的目的是確保準(zhǔn)確地進(jìn)行多尺度仿真。他們?cè)谂鲎矞y(cè)試領(lǐng)域的聲譽(yù)取決于此。

ESI集團(tuán)作為碰撞仿真的先驅(qū) — 大多數(shù)頭部汽車主機(jī)廠商現(xiàn)在都依賴ESI提供的虛擬樣機(jī)技術(shù)進(jìn)行虛擬碰撞測(cè)試。現(xiàn)在，ESI已將其優(yōu)勢(shì)擴(kuò)展到了電動(dòng)汽車電池系統(tǒng)的虛擬碰撞測(cè)試，ESI愿為全球汽車工業(yè)轉(zhuǎn)型做出強(qiáng)有力的支持。