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(dòng)汽車（EVs）的轉(zhuǎn)變引入了新的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，并提高了安全要求。現(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(dòng)最佳電池、模塊、電池組和全車輛設(shè)計(jì)。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(jì)，以實(shí)現(xiàn)高效的電動(dòng)汽車（EVs）。

 

 

 

介紹

向車輛電動(dòng)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(dòng)汽車。內(nèi)燃機(jī)（ICEs）在車輛動(dòng)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(gè)世紀(jì)。然而，加速電動(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)在幾十年內(nèi)提供了可靠的表現(xiàn)和效率，但電動(dòng)汽車重新定義了輸出和設(shè)計(jì)靈活性的基準(zhǔn)。在不到十年的時(shí)間里，電動(dòng)汽車在某些方面已經(jīng)匹配并超越了內(nèi)燃機(jī)發(fā)動(dòng)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(dòng)汽車的重要組成部分，負(fù)責(zé)在確保安全的同時(shí)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(jì)，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(qiáng)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(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）和電磁場模擬。

 

所有這些技術(shù)都集成在一個(gè)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(gè)組件在整體系統(tǒng)中最佳運(yùn)行，提高電動(dòng)汽車的安全性和效率。

 

電動(dòng)汽車技術(shù)的進(jìn)步在電池設(shè)計(jì)方面帶來了獨(dú)特的挑戰(zhàn)，需要?jiǎng)?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(jì)與管理

電動(dòng)汽車主要涉及三個(gè)關(guān)鍵組件的整合：

電池作為主要電源。

電動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置推動(dòng)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(jì)過程涉及多個(gè)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(gè)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(yùn)行。

 

電池提供電力的能力至關(guān)重要，因?yàn)樗鼮檐囕v內(nèi)的電動(dòng)驅(qū)動(dòng)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(shí)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(dòng)汽車的電池系統(tǒng)堅(jiān)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(jì)的必要調(diào)整，尤其是因?yàn)殡姵睾苤兀@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(dòng)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(jì)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(xiàng)

 

設(shè)計(jì)創(chuàng)新：為了滿足汽車工業(yè)的需求，需要?jiǎng)?chuàng)新的設(shè)計(jì)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(dòng)汽車架構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新。

 

設(shè)計(jì)模擬：多樣的設(shè)計(jì)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(jì)、布局和可制造性。

 

快速模擬和分析：加速模擬工作流程在實(shí)現(xiàn)更快速的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)車輛設(shè)計(jì)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(jì)和開發(fā)成為可能，從分子水平開始，延伸到整個(gè)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(qiáng)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(jì)、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(shí)整合電池管理系統(tǒng)以實(shí)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(gè)系統(tǒng)性能。

 

電池管理系統(tǒng)（BMS）確保最佳運(yùn)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(jì)被集成到整個(gè)車輛模型中，以識別和解決與電池?zé)o關(guān)的問題。

 

在這個(gè)博客中，我們將重點(diǎn)介紹電池單元設(shè)計(jì)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(jì)和分析，重點(diǎn)是安全、結(jié)構(gòu)完整性和運(yùn)行條件下的性能。

 

1. 電池單元設(shè)計(jì)、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(dú)特的特性和熱行為。

 

為了設(shè)計(jì)高效的電池單元，必須考慮適當(dāng)?shù)倪\(yùn)行條件影響，例如溫度、離子流動(dòng)、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(yàn)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(gè)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(shí)間的下降。對離子和電子在細(xì)胞內(nèi)運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(shí)，鋰離子通過電解質(zhì)嵌入。同時(shí)，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(shí)，這些過程會逆轉(zhuǎn)，強(qiáng)調(diào)了研究離子和電子運(yùn)動(dòng)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(gè)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(shí)內(nèi)完全充電，而2C的充電率將時(shí)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(xiǎn)，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(shí)間。因此，充電時(shí)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。基于三維Newman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(dòng)、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(gè)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(gè)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)，以確保現(xiàn)實(shí)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(shí)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(qiáng)度、剛度和耐久性。

 

3. 強(qiáng)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(jì)涉及多個(gè)步驟，包括檢查電化學(xué)特性并評估剛度和強(qiáng)度。此評估使用一個(gè)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(qiáng)度和剛度，考慮外部載荷，如軸向壓縮，三點(diǎn)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(jì)決策。

 

為了應(yīng)對計(jì)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(shí)進(jìn)行高效模擬。

 

圖7：軸向壓縮、三點(diǎn)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(gè)電池單元包括多個(gè)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(shí)，產(chǎn)生的元素?cái)?shù)量可能會變得相當(dāng)多，從而增加計(jì)算時(shí)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(yàn)測試數(shù)據(jù)來校準(zhǔn)電池材料的屬性實(shí)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(yàn)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(yàn)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(diǎn)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(gè)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相一致。

 

這種電池設(shè)計(jì)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(jì)算需求。通過仔細(xì)地將材料特性與經(jīng)驗(yàn)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?yàn)椴牧鲜怯镁_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(jì)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(shí)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(gè)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?；钚灶w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(yùn)輸并減慢反應(yīng)動(dòng)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(jì)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(dòng)的設(shè)計(jì)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(jì)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(shí)在系統(tǒng)級別實(shí)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(gè)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(yùn)行效率。在這種情況下，CFD 代碼成為電池?zé)嵩O(shè)計(jì)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(jì)提供了一個(gè)全面的框架，同時(shí)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(qiáng)電池設(shè)計(jì)

 

 

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(jì)算流體動(dòng)力學(xué) (CFD) 工具如PowerFLOW啟用同時(shí)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(shí)驗(yàn)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(jì)算溫度分布，這對于評估和優(yōu)化電池設(shè)計(jì)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(jì)能夠承受各種負(fù)載條件的電化學(xué)電池，確保其在運(yùn)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(dòng)汽車電池細(xì)胞工程中的關(guān)鍵方法，強(qiáng)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(qiáng)大又可靠，同時(shí)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(dòng)汽車生態(tài)系統(tǒng)的見解。