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動力電池機-電-熱多場耦合仿真
隨著新能源汽車行業(yè)的飛速發(fā)展，動力電池系統(tǒng)的能量密度越來越高，新能源汽車碰撞后的安全問題一直是各大主機廠和電池企業(yè)關(guān)注的焦點。如何精準(zhǔn)識別整車碰撞后動力電池系統(tǒng)的危害并在研發(fā)期間提高整車安全性已經(jīng)成為行業(yè)內(nèi)亟需解決的難題。
基于上述行業(yè)現(xiàn)狀，中汽中心工程院安全開發(fā)部新能源安全團隊研發(fā)出了基于碰撞場景的動力電池機-電-熱多物理場耦合仿真平臺。該平臺基于團隊對動力電池?zé)崾Э丶盁釘U散特性的深入研究，并依托部門豐富的整車結(jié)構(gòu)安全性開發(fā)經(jīng)驗，構(gòu)建了以動力電池力學(xué)模型為基礎(chǔ)的機-電-熱多物理場耦合仿真模型，實現(xiàn)了基于一個模型能夠多角度分析動力電池系統(tǒng)安全性的目標(biāo)。
基于該技術(shù)可將新能源整車機械安全性與動力電池系統(tǒng)安全性進行聯(lián)合開發(fā)，能夠從整車角度準(zhǔn)確判斷特定碰撞工況下電池系統(tǒng)的安全風(fēng)險，進行針對性安全優(yōu)化，避免過保護，提升安全性的同時兼顧整體輕量化，從而降低成本。以下是動力電池系統(tǒng)多物理場耦合仿真平臺的開發(fā)流程：
圖1 基于碰撞場景的動力電池系統(tǒng)機-電-熱多物理場模型開發(fā)流程
整個技術(shù)以動力電池機械模型為切入點，通過對動力電池進行動態(tài)沖擊、靜態(tài)擠壓實驗，確定安全邊界，同時標(biāo)定相應(yīng)材料特性，構(gòu)建精準(zhǔn)力學(xué)模型；基于電池?zé)崾Э貦C理構(gòu)建電池?zé)崾Э啬Ｐ停⒋_保模型的最高溫度與實驗結(jié)果相比誤差在10%以內(nèi)；通過對電池進行HPPC測試，標(biāo)定等效電路模型相關(guān)參數(shù)，構(gòu)建電池充放電模型。將力學(xué)模型、熱失控模型、充放電模型進行耦合，得到動力電池多物理場耦合仿真模型?；谠撃Ｐ?，可以分析動力電池的受力特性、溫度變化、電壓變化等，以下是動力電池多物理場耦合模型的仿真結(jié)果：
（a）力學(xué)仿真結(jié)果 （b）溫度仿真結(jié)果
（c）SOC仿真結(jié)果 （d）仿真結(jié)果對標(biāo)
圖2 動力電池機-電-熱多物理場耦合仿真結(jié)果
基于動力電池多物理場耦合仿真模型，可進一步擴展到系統(tǒng)級別，分析整個電池包受到碰撞后電壓變化以及熱擴散特性，同時也可以為預(yù)警算法的開發(fā)提供合理的判定條件。此外，通過提取整車碰撞工況的邊界條件作為輸入?yún)?shù)，賦予電池包多物理場耦合模型，實現(xiàn)了新能源整車的安全性與動力電池系統(tǒng)安全性的融合，可基于特定工況同時分析整車安全性和動力電池系統(tǒng)的機械安全性、熱安全性和電安全性，進而能夠從電池包到整車進行多角度安全優(yōu)化，實現(xiàn)了開發(fā)流程的統(tǒng)一性，優(yōu)化了整個設(shè)計流程，降低研發(fā)成本，提高研發(fā)效率。以下是特定工況下的動力電池系統(tǒng)多場耦合模型仿真結(jié)果：
（a）溫度仿真結(jié)果 （b）SOC仿真結(jié)果
圖3 基于柱碰的動力電池系統(tǒng)機-電-熱多物理場耦合仿真結(jié)果
（a）溫度仿真結(jié)果 （b）圖(a)局部放大
圖4 基于整車柱碰的動力電池系統(tǒng)機-電-熱多物理場耦合仿真結(jié)果
（a）力學(xué)仿真結(jié)果
（b）溫度仿真結(jié)果 （c）SOC仿真結(jié)果
圖5 基于臺車托底的動力電池系統(tǒng)機-電-熱多物理場耦合仿真結(jié)果
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