執(zhí)行摘要

電氣化從根本上重塑了車輛工程，使得在電池細(xì)胞層面進(jìn)行仿真現(xiàn)在成為創(chuàng)新的關(guān)鍵因素。從內(nèi)燃機(jī)（ICEs）到電動汽車（EVs）的轉(zhuǎn)變引入了新的設(shè)計挑戰(zhàn)，并提高了安全要求?，F(xiàn)代工程越來越多地依賴多物理場仿真——從電化學(xué)到結(jié)構(gòu)分析——來推動最佳電池、模塊、電池組和全車輛設(shè)計。讓我們探討電池細(xì)胞工程中不同的方法如何提高電池設(shè)計，以實現(xiàn)高效的電動汽車（EVs）。

 

 

 

介紹

向車輛電動化的飛躍標(biāo)志著汽車技術(shù)的重大演變。電池技術(shù)的創(chuàng)新和高級模擬處于這一轉(zhuǎn)變的前沿，支持可靠且高性能的電動汽車。內(nèi)燃機(jī)（ICEs）在車輛動力方面一直扮演著關(guān)鍵角色，提供可靠的表現(xiàn)和燃油效率超過一個世紀(jì)。然而，加速電動汽車（EVs）的演變對于滿足新的性能和安全需求變得至關(guān)重要。

 

在回顧 electrification 對車輛工程的影響之后，接下來的部分將探討推動這一轉(zhuǎn)變的技術(shù)進(jìn)步。

 

車輛技術(shù)的演變

 

 

內(nèi)燃機(jī)發(fā)動機(jī)在幾十年內(nèi)提供了可靠的表現(xiàn)和效率，但電動汽車重新定義了輸出和設(shè)計靈活性的基準(zhǔn)。在不到十年的時間里，電動汽車在某些方面已經(jīng)匹配并超越了內(nèi)燃機(jī)發(fā)動機(jī)的功率輸出和性能指標(biāo)。這種迅速的演變導(dǎo)致了對可靠解決方案的日益需求，以應(yīng)對該領(lǐng)域新技術(shù)的挑戰(zhàn)。電池技術(shù)的創(chuàng)新和先進(jìn)的模擬工具在應(yīng)對這一過渡的新挑戰(zhàn)中至關(guān)重要。

 

電池是電動汽車的重要組成部分，負(fù)責(zé)在確保安全的同時產(chǎn)生能量。電池結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要先進(jìn)的工程設(shè)計，從化學(xué)到整車集成。本文博客探討了如何廣泛使用模擬技術(shù)來改進(jìn)電池單元的性能、強度、剛度和安全性，特別是在濫用情況下。

 

為了通過模擬解決復(fù)雜問題，使用先進(jìn)的有限元分析（FEA）工具是至關(guān)重要的。Abaqus長期以來一直是達(dá)索系統(tǒng)公司用于結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)工具，包括復(fù)雜的非線性問題。在過去的十年中，公司通過PowerFLOW和CST Studio Suite擴(kuò)展了其能力，包括計算流體動力學(xué)（CFD）和電磁場模擬。

 

所有這些技術(shù)都集成在一個平臺上： 3DEXPERIENCE 平臺。該平臺提供了一種創(chuàng)新的方法來執(zhí)行電池單元工程仿真，允許不同類型的仿真之間無縫過渡。因此，工程師可以確保每個組件在整體系統(tǒng)中最佳運行，提高電動汽車的安全性和效率。

 

電動汽車技術(shù)的進(jìn)步在電池設(shè)計方面帶來了獨特的挑戰(zhàn)，需要創(chuàng)新的方法來解決性能、安全性和集成問題。

 

電池技術(shù)中的挑戰(zhàn)與考量

 

 

電池設(shè)計與管理

電動汽車主要涉及三個關(guān)鍵組件的整合：

電池作為主要電源。

電動驅(qū)動裝置推動車輛。

電力電子管理能源供應(yīng)。

 

這些電池系統(tǒng)的綜合設(shè)計過程涉及多個關(guān)鍵方面。工程師必須從材料選擇和電池單元的配置到先進(jìn)冷卻系統(tǒng)的整合進(jìn)行考慮。例如，系統(tǒng)必須保持小于兩度的溫度梯度。這個嚴(yán)格的要求有助于防止過熱并確保電池在理想的熱范圍內(nèi)運行。

 

電池提供電力的能力至關(guān)重要，因為它為車輛內(nèi)的電動驅(qū)動和輔助系統(tǒng)（如供暖、通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)）供電。它必須在管理熱負(fù)荷的同時適應(yīng)不同的電壓要求，這可能會增加電阻和應(yīng)力。在制造前進(jìn)行模擬對于識別和減輕潛在故障至關(guān)重要，以確保電動汽車的電池系統(tǒng)堅固可靠。

與笨重的內(nèi)燃機(jī)不同，電池在車輛內(nèi)的布局更加靈活，提供了更大的結(jié)構(gòu)靈活性。通常放置在汽車地板上，它們優(yōu)化了空間并改變了重心。這導(dǎo)致了底盤設(shè)計的必要調(diào)整，尤其是因為電池很重，顯著影響了重量分布。

 

暖通空調(diào)系統(tǒng)在乘坐舒適度中起著至關(guān)重要的作用，它依賴于電池供電。暖通空調(diào)的能源需求取決于天氣狀況，可能會影響電動汽車的續(xù)航里程和性能。因此，仔細(xì)考慮電池效率和容量是至關(guān)重要的。

 

將電池系統(tǒng)整合到車輛結(jié)構(gòu)中會帶來額外的設(shè)計考慮，包括重量分布、結(jié)構(gòu)調(diào)整和熱管理。

車輛架構(gòu)中的關(guān)鍵考慮事項

 

設(shè)計創(chuàng)新：為了滿足汽車工業(yè)的需求，需要創(chuàng)新的設(shè)計方法。各公司在方法上有所不同；有些公司保留傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，而另一些公司則通過新的電動汽車架構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新。

 

設(shè)計模擬：多樣的設(shè)計策略突顯了模擬在評估不同建筑方案的性能和適用性方面的重要性。

電池單元類型：汽車制造商對電池單元類型（圓柱形、軟包、方形）的偏好影響電池模塊和電池組的設(shè)計、布局和可制造性。

 

快速模擬和分析：加速模擬工作流程在實現(xiàn)更快速的數(shù)據(jù)驅(qū)動車輛設(shè)計改進(jìn)中至關(guān)重要。

系統(tǒng)化的工程工作流程，從材料級模擬到車輛級集成，是系統(tǒng)性地應(yīng)對這些挑戰(zhàn)的必要條件。

 

電池單元工程工作流程

圖1：電池工程工作流程

 

達(dá)索系統(tǒng)提供技術(shù)，使電池系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)成為可能，從分子水平開始，延伸到整個車輛性能。工程師可以使用各種化學(xué)成分在分子水平上創(chuàng)建和配方用于電極等組件的材料。我們的姐妹品牌BIOVIA增強了這種能力，促進(jìn)分子水平的模擬。

 

從這些材料中推導(dǎo)出的特性可以應(yīng)用于連續(xù)體級別的模擬。這種方法擴(kuò)展到細(xì)胞、模塊和電池組級別的模擬，優(yōu)化電池系統(tǒng)的設(shè)計、性能和效率。在電池細(xì)胞級別采用不同的方法來應(yīng)對工程挑戰(zhàn)，并將這些方法延伸到模塊和電池組級別，以提供全面的解決方案。

 

1D模擬有助于評估電池系統(tǒng)在功率或電壓要求方面的性能，同時整合電池管理系統(tǒng)以實現(xiàn)有效的熱控制。像Dymola這樣的工具通過進(jìn)行1D系統(tǒng)級模擬來分析整個系統(tǒng)性能。

 

電池管理系統(tǒng)（BMS）確保最佳運行和使用壽命。它管理充電周期，監(jiān)測電池健康狀況，并通過熱管理提供安全保護(hù)。最后，優(yōu)化的電池設(shè)計被集成到整個車輛模型中，以識別和解決與電池?zé)o關(guān)的問題。

 

在這個博客中，我們將重點介紹電池單元設(shè)計的關(guān)鍵工作流程，這些工作流程都屬于電池單元工程的范疇。

 

工程工作流程始于電池單元的設(shè)計和分析，重點是安全、結(jié)構(gòu)完整性和運行條件下的性能。

 

1. 電池單元設(shè)計、分析及安全考慮

圖2：電池單元工程方法

 

電池單元主要分為四種類型：紐扣電池、棱柱電池、聚合物或軟包電池以及圓柱電池。每種類型都表現(xiàn)出獨特的特性和熱行為。

 

為了設(shè)計高效的電池單元，必須考慮適當(dāng)?shù)倪\行條件影響，例如溫度、離子流動、電壓和電流變化、濫用的結(jié)構(gòu)負(fù)載以及正確的電池幾何形狀。達(dá)索系統(tǒng)開發(fā)了不同的工作流程，幫助工程師在各種條件下驗證和提升電池單元的性能，解決電化學(xué)、熱、結(jié)構(gòu)等多個物理問題。我們將在后續(xù)章節(jié)中討論其中的一些方法。

 

電化學(xué)性能分析是理解充放電循環(huán)、熱行為和電池內(nèi)材料相互作用的關(guān)鍵步驟。

 

2. 電化學(xué)性能分析

 

在電池單元工程中，分析電化學(xué)性能至關(guān)重要。電池的性能高度依賴于反復(fù)充放電循環(huán)的影響，這會導(dǎo)致電池容量隨時間的下降。對離子和電子在細(xì)胞內(nèi)運動的詳細(xì)評估，影響溫度分布，為陽極、陰極和隔膜的放置提供決策依據(jù)。

 

該分析研究了微觀和宏觀尺度的擴(kuò)散、熱電損失以及充放電效應(yīng)。Abaqus/Standard中可以使用多孔電極理論 (PET) 進(jìn)行電化學(xué)分析，基于一種簡化的Newman型方法，該方法簡化了復(fù)雜的孔隙幾何形狀。

 

在宏觀尺度上，多孔電極被建模為由已知體積分?jǐn)?shù)的活性固體電極顆粒相和液體電解質(zhì)溶液相疊加的均勻介質(zhì)。在微觀尺度上，假定是一堆球形顆粒，并求解其上的（非線性）鋰離子擴(kuò)散模型。導(dǎo)電粘合劑將固體顆粒連接在一起，形成固體電極相。

 

圖3: 耦合熱電化學(xué)分析 – SIMULIA用戶幫助2025

 

由于與其它電池類型相比具有多種優(yōu)勢，鋰離子電池已成為電動汽車中可充電電池的支柱。這些電池的電化學(xué)性能取決于各種擴(kuò)散過程之間的相互作用。充電時，鋰離子通過電解質(zhì)嵌入。同時，電子流經(jīng)外部電路，突顯了鋰離子在宏觀尺度上的擴(kuò)散和電子在微觀尺度上的擴(kuò)散的二重性。相反，放電時，這些過程會逆轉(zhuǎn)，強調(diào)了研究離子和電子運動以評估整體電池性能的重要性。

 

電化學(xué)過程中的所有階段（微觀尺度、宏觀尺度擴(kuò)散和嵌入）都在Newman的模型中得到了數(shù)值模擬。從三維Newman模型推導(dǎo)出的 governing 方程是這個過程的核心，該過程使用耦合熱和電化學(xué)過程來模擬電池行為。

 

該模型使我們能夠研究在不同的充電率、電壓和電流特性下的溫度分布。充電率在電池性能中起著至關(guān)重要的作用。充電率，定義為“C”，直接影響溫度產(chǎn)生和電池磨損。例如，1C的充電率意味著電池在一小時內(nèi)完全充電，而2C的充電率將時間減半。然而，較高的充電率可能導(dǎo)致顯著的溫度產(chǎn)生，帶來安全風(fēng)險，而較低的充電率雖然提供更均勻的溫度分布，但需要更長的充電時間。因此，充電時間和溫度產(chǎn)生率之間需要進(jìn)行權(quán)衡。 

 

此外，由于產(chǎn)熱和充電速率，電壓特性變化也可以被研究?；谳斎胄畔?，此分析可以選定最有效的電池類型（如，圓柱電池、軟包電池等）以及電極的正確放置。

 

高級Newman模型包括稱為耦合溫度-位移電化學(xué)分析的位移效應(yīng)。這使得可以檢查由溫度變化引起的體積應(yīng)變?；谌SNewman模型的這種分層方法，通過提供關(guān)于鋰離子濃度、體積應(yīng)變、溫度分布和不同電池類型中電位變化的見解，有助于優(yōu)化電池充電策略。此外，還可以用于分析諸如腫脹引起的電解質(zhì)流動、孔隙率演變、腫脹引起的應(yīng)力、三維電極結(jié)構(gòu)等現(xiàn)象。

 

一種通用的工作流程簡化了電化學(xué)性能分析過程，使得在不同條件下高效評估電池行為成為可能。

 

電化學(xué)性能的通用工作流程

圖4：圓柱形電池P4D幾何體創(chuàng)建

 

由于細(xì)胞成分的薄層，通常無法直接對細(xì)胞進(jìn)行3D分析并準(zhǔn)確表示細(xì)胞。通常，電化學(xué)性能分析從對細(xì)胞成分的簡單表示開始。

 

一個簡化細(xì)胞組件表示的P2D（準(zhǔn)二維）模擬以平面表示細(xì)胞組件。這個過程包括在三維中保持陽極、陰極和隔膜的準(zhǔn)確體積分?jǐn)?shù)。一旦P2D模型設(shè)置完成，材料參數(shù)將根據(jù)測試數(shù)據(jù)和Newman的模型進(jìn)行校準(zhǔn)，以確?，F(xiàn)實的電化學(xué)特性模擬。然后，從P2D模擬中得到的校準(zhǔn)材料模型被應(yīng)用于詳細(xì)的三維有限元（FE）建模，名為P4D模擬，以評估所需輸出。這種方法通過迭代材料校準(zhǔn)和高級模擬，簡化了對現(xiàn)實世界電池行為的模擬。

 

圖5：電化學(xué)分析結(jié)果

 

除了電化學(xué)特性之外，還必須評估電池單元的機(jī)械性能，以確保在負(fù)載條件下的強度、剛度和耐久性。

 

3. 強度、剛度和耐久性分析

圖6：電池組件的機(jī)械應(yīng)變

 

評估電池設(shè)計涉及多個步驟，包括檢查電化學(xué)特性并評估剛度和強度。此評估使用一個特別開發(fā)的子程序，以解決由于荷電狀態(tài) (SoC) 變化引起的電池膨脹或腫脹問題。

 

不同的SoC會在電池中引起不同的膨脹行為。這些行為在用戶子程序中進(jìn)行了數(shù)值建模，以便直接應(yīng)用。這種方法明確針對由離子轉(zhuǎn)移引起的循環(huán)膨脹問題。

 

進(jìn)一步的分析涉及強度和剛度，考慮外部載荷，如軸向壓縮，三點彎曲，徑向壓縮和沖擊。目的是在這些載荷條件下測量產(chǎn)生的反應(yīng)力，以指導(dǎo)細(xì)胞設(shè)計決策。

 

為了應(yīng)對計算挑戰(zhàn)，應(yīng)用模型降階技術(shù)，從而在保持準(zhǔn)確性的同時進(jìn)行高效模擬。

 

圖7：軸向壓縮、三點彎曲和徑向壓縮

 

4. 模型降階技術(shù)

從建模的角度來看，一個電池單元包括多個層次，包括陽極、陰極和隔膜。在2D或3D中對這些組件進(jìn)行建模時，產(chǎn)生的元素數(shù)量可能會變得相當(dāng)多，從而增加計算時間。通過應(yīng)用模型降階技術(shù)可以解決這一挑戰(zhàn)，這顯著減少了模型的大小。這種減少是通過使用經(jīng)驗測試數(shù)據(jù)來校準(zhǔn)電池材料的屬性實現(xiàn)的，而不是依賴于詳盡的詳細(xì)建模。

 

先進(jìn)的校準(zhǔn)技術(shù)通過將模擬參數(shù)與經(jīng)驗測試數(shù)據(jù)對齊來完善材料模型，確保在各種工作條件下都能準(zhǔn)確預(yù)測。

 

細(xì)胞材料優(yōu)化的高級校準(zhǔn)技術(shù)

圖8：模型降階工作流程

 

材料校準(zhǔn)使用優(yōu)化工具，如Isight（或3DExperience Platform上的Process Composer App）將單元材料的行為與經(jīng)驗數(shù)據(jù)對齊。這涉及調(diào)整所選塑性模型（例如，各向異性或Hill塑性）中的參數(shù)，以匹配測試結(jié)果。校準(zhǔn)過程包括進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)測試（徑向、三點彎曲、壓入和軸向壓縮測試），并將結(jié)果與Abaqus等工具的模擬輸出進(jìn)行比較。通過改變常量，微調(diào)模擬結(jié)果，直到它們與測試數(shù)據(jù)對齊。

 

隨后，通過引入一個場變量，材料模型考慮了荷電狀態(tài)（SoC）的依賴性，從而有效地修改了材料模型，使其包含與SoC相關(guān)的指數(shù)（m）。這種調(diào)整確保了模擬模型在不同SoC下準(zhǔn)確再現(xiàn)測試結(jié)果。為了考慮應(yīng)變率依賴性，材料模型得到了改進(jìn)，使模擬結(jié)果與特定應(yīng)變率的實驗數(shù)據(jù)相一致。

 

這種電池設(shè)計評估方法結(jié)合了對電化學(xué)特性和結(jié)構(gòu)完整性的徹底分析，并使用先進(jìn)的建模技術(shù)來最小化計算需求。通過仔細(xì)地將材料特性與經(jīng)驗數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)，并結(jié)合對荷電狀態(tài)（SoC）和應(yīng)變率的依賴性，該方法承諾提供準(zhǔn)確可靠的電池性能預(yù)測。在這種情況下，單缸對電池的表示是足夠的（消除了大量的預(yù)處理并減少了自由度），因為材料是用精確的材料進(jìn)行校準(zhǔn)的。

 

了解退化機(jī)制，包括日歷老化和循環(huán)老化，對于預(yù)測容量衰減和優(yōu)化電池設(shè)計以提高壽命至關(guān)重要。

 

6. 退化：日歷和周期性機(jī)制

電池退化源于日歷老化，受時間和儲存條件影響，以及循環(huán)老化，在反復(fù)的充放電循環(huán)中積累。這些機(jī)制導(dǎo)致容量衰減、內(nèi)阻增加和電池內(nèi)部的機(jī)械應(yīng)力。

 

在材料層面上，其中一個關(guān)鍵的退化機(jī)制是固體電解質(zhì)界面（SEI）的形成和生長。雖然SEI最初是保護(hù)性的，但它在循環(huán)過程中不斷演變。活性顆粒表面的裂縫暴露出新鮮材料，導(dǎo)致SEI在表面裂縫內(nèi)生長，這進(jìn)一步消耗了鋰庫存并導(dǎo)致容量衰減。此外，SEI的積累減少了電極的孔隙率和活性表面積，從而阻礙離子運輸并減慢反應(yīng)動力學(xué)。

 

SIMULIA的仿真環(huán)境使耦合電化學(xué)-熱-機(jī)械建模方法成為可能，其中可以將SEI演變、鋰鍍層和應(yīng)力誘導(dǎo)裂紋等退化途徑整合到設(shè)計過程中。通過在電池內(nèi)空間上解決這些效應(yīng)，工程師可以評估不均勻的老化行為并識別局部性能瓶頸。

 

這些見解直接應(yīng)用于可靠性驅(qū)動的設(shè)計決策，例如對熱管理、電極結(jié)構(gòu)和充放電協(xié)議的優(yōu)化。鑒于高保真老化模型的計算成本，模型降階（MOR）技術(shù)使這些詳細(xì)模型能夠被簡化——保留關(guān)鍵的退化行為，同時在系統(tǒng)級別實現(xiàn)更快速的仿真，包括電池管理系統(tǒng)（BMS）的集成和控制策略的開發(fā)。

 

熱管理策略對于減輕退化效應(yīng)并確保在各種工作溫度范圍內(nèi)性能一致至關(guān)重要。

 

電池單元的熱管理

 

 

一個電池的熱行為顯著影響其性能，溫度升高會導(dǎo)致效率大幅下降。因此，保持最佳溫度范圍確保了電池的使用壽命和運行效率。在這種情況下，CFD 代碼成為電池?zé)嵩O(shè)計和管理的寶貴工具。它們提供了優(yōu)化電池性能和耐久性所需的重要見解和功能，突顯了熱管理在電池技術(shù)中的重要性。

 

將電學(xué)和熱學(xué)建模相結(jié)合，為優(yōu)化電池設(shè)計提供了一個全面的框架，同時考慮熱學(xué)和電學(xué)行為的相互依賴性。

 

綜合電熱建模以增強電池設(shè)計

 

 

在當(dāng)代電池技術(shù)的發(fā)展中，電熱現(xiàn)象的相互依賴至關(guān)重要。準(zhǔn)確建模需要將電熱模型結(jié)合，以避免精度損失。計算流體動力學(xué) (CFD) 工具如PowerFLOW啟用同時建模，使用電壓和電流數(shù)據(jù)生成用于溫度、電阻和荷電狀態(tài)（SoC）的響應(yīng)曲面。這種方法通過等效電路模型（如Newman、Tiedemann和Gu (NTG) 以及國家可再生能源實驗室（NREL））來納入溫度效應(yīng)，從而促進(jìn)系統(tǒng)級更新。該方法允許精確計算溫度分布，這對于評估和優(yōu)化電池設(shè)計參數(shù)（如焊料尺寸、位置、電池面積和收集器厚度）至關(guān)重要。這種集成仿真方法旨在設(shè)計能夠承受各種負(fù)載條件的電化學(xué)電池，確保其在運行環(huán)境中的性能和安全性。

 

 

圖9：不同熱電偶位置的溫度分布和電流分布

 

結(jié)論

在本博客中，我們討論了電動汽車電池細(xì)胞工程中的關(guān)鍵方法，強調(diào)了一種綜合模擬方法，將電化學(xué)、電氣和熱分析結(jié)合在一起。這確保了電池細(xì)胞在各種服務(wù)條件下既強大又可靠，同時優(yōu)先考慮安全。我們邀請您訪問我們的錄制會議這里，以更深入地了解電池工程。此外，您還可以查看我們之前發(fā)布的關(guān)于電池組和模塊的博客這里和電池細(xì)胞這里，以獲取更多有關(guān)電動汽車生態(tài)系統(tǒng)的見解。