借助 3D 高保真仿真，重新思考锂离子电池电芯设计

回顾电池组

美国，加利福尼亚州。1999 年。在苹果的故乡，手机仍是装有大容量电池的黑砖块，只能显示少量内容；电动踏板车和自行车仍然依靠人力；汽车里装的是铅电池而不是锂电池，仅用于启动车辆和操作一些辅助设备。电气化的交通运输行业？就算在特斯拉的故乡，这也无异于科幻小说。电池电芯设计？只有消费电子产品行业才关心这个话题。

然而，仍然在 1999 年的加利福尼亚州，一家名为 Battery Design LLC 的公司决定开发一款软件，以帮助工程师设计出更持久耐用的电池。软件的第一行代码就此面世，并在后来发展成为了 Simcenter Battery Design Studio (BDS)。BDS 是当时首款具有专用界面的电芯设计软件，通过对锂离子电芯的几何定义和与基于伪 2D (P2D) 物理模型的耦合来为电芯设计人员提供支持。第一个版本甚至是作为免费软件发布的。随着其逐步发展，这一创新解决方案为电芯设计人员提供了第一个虚拟测试实验室。它可以预测电芯行为，并同时加快开发时间并降低原型设计成本。
当时，锂离子电池技术主要应用于消费电子产品市场。在过去几十年中，像 BDS 这样的虚拟工具将 1999 年只有一块小显示屏的笨重黑砖块变成了您口袋中强大的变革性设备。

电池 - 大放异彩

然而，自这 24 年以来，更多变革性的消费电子设备纷纷涌现，电池领域将面临另一场更大变革带来的影响：突然之间，汽车中的电池不再仅用于启动汽车，而是要用来驱动汽车。车辆电气化的时代已然到来：踏板车、自行车、汽车、火车、飞机、轮船......所有这些都需要电池。

因此，与 1999 年不同，工程师们不再仅需要为袖珍设备设计那些小型电池组。工程师现在需要设计可靠、持久、强大而又安全的电池组，其设计尺度在各个方面都要大若干个数量级。续航里程是新的指标。投资者希望以零风险获得更高的续航里程。这是一项艰巨的工程挑战，

但人们似乎没有太多选择。随着全球气候变化意识的提高，人们采取了或优或劣的各种措施，以解决人类的二氧化碳净排放问题。虽然车辆电气化并非灵丹妙药，但它无疑是一种有效的尝试，能够减少约占全球二氧化碳排放量 20% 的地面交通二氧化碳足迹。

电池 - 汽车的新心脏

为了支持汽车电气化变革，电芯设计已成为一个快速增长的市场，旨在生产更便宜、更安全的电芯以及预期寿命更长、续航里程更高的锂离子电池。电池已成为电动汽车的心脏，电动汽车的大部分价值和技术创新都凝聚于此。纵观自 90 年代以来锂离子电芯能量密度的演变，下图显示了自 2015 年起为加速提升这一关键性能所做的努力。

为支持这一新的需求，电芯制造商和汽车制造商已经投入数十亿美元进行研发和生产。新的初创公司纷纷涌现，试图在这个快速增长的巨大市场中占据一席之地，并为电芯或汽车带来了新的创新产品。“传统”汽车制造商也在适应这一新市场，甚至不惜重塑自身以保持竞争力和盈利能力。这促使所有这些参与者寻求新的方法来加速生产和改进他们的新产品，同时确保在全球通货膨胀时期保持良好的盈利能力。

其中一种方法是采用并依赖仿真来取代部分（但不是全部）耗时耗资的实验室活动，并且该趋势正在迅速增强。然而，随着汽车电气化对电池行业造成的巨大变革性影响，相关设计工具需要通过自身的变革性转型来跟上步伐。

电池电芯设计：三维挑战

当然，像 Simcenter Battery Design Studio 这样的工具多年来一直是此类数字化设计流程的一部分，并为改进设计提供了帮助。但是，随着市场越来越追求更高的性能，电芯设计人员希望并且需要对自己的产品有更多的了解。他们的需求转化为对高保真电芯设计仿真解决方案的需求。这些解决方案超越了传统产品，现在能够考虑 3D 几何形状，并提供电芯在工作周期中的详细和局部行为响应。

通过新的 3D 电池电芯设计功能获得深入见解

于是，在 BDS 说出 "Hello world" 24 年后的 2023 年 10 月，Simcenter 仿真解决方案通过引入新的 3D 电池电芯设计功能进一步强化了其产品组合。该功能内置在 Simcenter STAR-CCM+ 中，可支持高保真 3D 电池电芯设计仿真。

该解决方案以模板仿真文件为基础，该文件可以转换为经过精心设计、准备和定制的预设置仿真文件，方便用户立即使用和运行。此外，像仿真模板一样，这些都是仿真示例；用户可以自由编辑模板，根据自己的需要进行进一步定制。

此功能的第一个独特之处在于能够以全 3D 方式设计锂离子电芯，这意味着可以对电极层、隔膜和极耳进行几何解析。借助该完全参数化的功能，设计探索研究将更易于控制。

它还提供了一个高精度模型以及用于电芯电化学行为的 3D 解决方案，这得益于根据初始 Newman-Doyle-Fuller 公式得到的增强型物理模型。该模型框架使用我们独特的相多孔介质方法来求解带电物质的 3D 扩散和迁移，以及固相和液相之间的电荷转移。

模板中的工作流程利用现有和新的自动化功能，为电芯设计人员提供定制化、自动化和专门设计的工作流程。在称为“阶段”的新的强大自动化功能基础上，我们首次构建了一个解决方案并随 Simcenter STAR-CCM+ 2310 一同推出。全新的“阶段”功能可帮助您在单个仿真中处理多个物理设置。在电芯设计仿真上下文中，该功能支持无缝设置以执行从恒定电流到恒定电压的仿真，可自动从电流边界条件切换为电势边界条件。有关更多详细信息，请继续关注专门介绍新自动化功能的博客。
3D 电芯设计模板还提供了符合行业标准的术语和单位，并提供了一个可根据用户要求进行快速查看的有用电芯规格报告。目前，有三种可作为行业标准的电芯形状：叠片式、圆柱形或棱柱形卷绕。随着 Simcenter STAR-CCM+ 2310 版本的发布，叠片电芯形状仿真模板将可用，另外两个模板也在开发中。

3D 电芯设计功能使用了简化的网格设置，即使是不熟悉 CAE 解决方案和网格划分任务的电芯设计人员，也可以只通过几次输入和单击方便地使用它。

它还支持符合行业标准的专门后处理，进一步增强了使用的便捷性，可帮助用户专注于结果分析，无需为设置花费过多时间。

获得更深入的见解

借助这些功能，您可以获得有关电芯性能的详细见解，例如固相和液相在平面内以及厚度方向中的 3D 浓度分布。不仅如此，您还可以在电芯模型上查看更多电学和电化学物理量的 3D 分布。这样，您就能了解局部和边缘效应，为解决老化、快速充电以及其他苛刻工作周期中的问题取得独特且关键的优势。

总体而言，这确实为电芯设计师提供了现代化的 3D 验证和确认工具，可帮助他们找到改进和优化方法，打破其锂离子电池产品的极限并追求创新。

更不用说该功能完全集成于 Simcenter STAR-CCM+ 之中，可从该软件的所有附属工具和解决方案中受益，例如高性能计算 (HPC) 功能、自动化、设计探索、CAD 导入/导出等等。

搭上 3D 电芯设计的快车

这篇文章介绍了专为电池动力列车设计的叠片式电芯设计。在此，我们将以其中详细介绍的一种软包电芯设计为例。这种电池电芯通常用于类似于上图所示的 Siemens Miero 电动列车。

该电芯是一个 50Ah 的软包电芯，采用 NMC (4,4,2) 阴极和石墨阳极。

由于采用了模板化几何方法，设计师利用我们的 3D 电芯设计功能快速对该电芯进行了完全的重新设计。而且，通过自动化和专用的电芯设计输入，设计师按照同一设备的工作周期快速执行了该设计以模拟其行为。

对于网格，生成了大约 100 万个有限体积单元，足以捕获平面内和厚度方向中的梯度。

电芯在短时间内以 2C 恒定电流放电进行测试，以捕获电芯在温度和浓度变化方面的一些初始响应。

电芯中的温度梯度缓慢形成，我们可以看到厚度方向中所有层的梯度演变。3D 电芯设计功能确实能够研究表面或极耳的冷却并捕获真实行为。

此外，我们还研究了电解质中的浓度演变。借助我们专用的绘图工具，您可以绘制各电极厚度方向中的浓度。

您也可以查看并挑选出单个的层，并绘制固相浓度的 3D 分布图。尽管最小值和最大值很接近，但仍可以看到梯度逐渐形成。

最后，借助嵌入式电池电芯设计功能，您可以轻松评估电芯内的电流。

总体来看，电芯对初始工作周期的响应良好，我们将在以后的博客中提供更多验证结果。

全面的电芯设计解决方案组合

通过电池插件许可证，新的 3D 电芯设计功能将为您的电池设计和电芯性能解决方案增加一项额外资产。Simcenter Battery Design Studio 是用于快速筛选分析的强大工具，现在还通过 Simcenter STAR-CCM+ 中的验证和确认功能得到了补强（如上所述）。它为电芯设计师提供了一套强大的工具，可帮助他们进行新产品创新。以电芯为中心的视图还补充了大型电池组热分析以评估电池冷却和热失控，并且与我们的 Simcenter Amesim 解决方案提供的面向电池系统集成的性能模型功能以及 Simcenter Culgi 的分子动力学功能相辅相成。

因此，如果您想更快地设计出更好的叠片式电芯，请在 10 月 25 日访问支持中心的下载板块并获取您的电芯模板文件。