Simcenter Battery Design Studio
2017 年 11 月。“到目前为止，主要的生产制约因素实际上是电池模块组装”，埃隆·马斯克 (Elon Musk) 在发布财报后与分析师的电话会议上说。“我们有一家系统集成分包商。很不幸，他们搞砸了自己的工作，直到近期我们才意识到问题的严重程度，”他补充说。
感谢埃隆的开场介绍。在过去五年里，我们真切感受到了汽车市场电气化的几个相关要点：
- 电池电芯的设计和性能是开发移动设备的关键。功率、能量密度、安全性、老化和成本，每种电芯设计选择都可能会影响企业在动荡市场中的地位。
- 解决工程难题不是问题（老实说，我们工程师都喜欢解决问题）。意识不到即将到来的困难才是问题。因此，使用高性的建模工具来推动决策必不可少。
- 即使您掌握了电芯设计，也必须对系统集成和生产加以同等的重视。
这意味着电芯设计师团队必须广泛使用 CAE 仿真来提前评估其工程选择带来的影响。
得益于详细的几何电芯规格和电芯性能仿真，Simcenter Battery Design Studio 可支持工程师对锂离子电芯设计进行数字化验证。该软件提供了大量的电芯组件和材料数据库，可为用户的模型开发提供支持。
优势和特点一览：
- 物理电芯描述：提供无缝的用户图形界面以及参数化模板
- 整体耦合的电芯设计和模型：模拟设计更改对电芯性能的影响
- 多物理场软件链接：通过 TBM 文件将模型导出至 Simcenter STAR-CCM+
- 设计探索：自动优化电芯设计和性能
- 系统级仿真：将电芯模型特性导出至 Simcenter Amesim
物理电芯描述
Simcenter Battery Design Studio 中的第一步是指定电芯组件的几何形状和特性。根据团队的职责，这些数据可直接获取，或者由电芯供应商提供，甚至可以通过组件逆向工程获得。
Simcenter Battery Design Studio 提供了锂离子电池组件的标准化规格。用户可以选择软包、圆柱形或棱柱形电芯形状，然后选择各个组件，如电极、极耳、集电器设计等。每个组件都可以根据特性进行更精细的定义，例如电极的中心极耳设计，或是控制集电器的材料和厚度等等，直至完整构建好电芯。
在掌握混合物配方的情况下，通常先通过猜测来设定确切数值。但是，如果能先从文献或实验表征中获得活性材料的平衡电压曲线，用户就可以调整混合物，更好地拟合低电流放电曲线，从而获得非常准确的容量相关性。计算得出的“构建报告”也非常有用。例如，它可以帮助您检查电芯的最终能量密度或重量以验证输入。
用户还可以自动生成卷芯剖面的图形输出以查看电极绕组是否符合预期。
电芯性能仿真
Simcenter Battery Design Studio 提供了多级别的性能模型：一个基于物理的宏观均质模型，用于深入了解电芯的电化学机制，例如电芯工作周期内的电压损失机制，或是了解电极上的浓度或发热分布；以及一个等效的 RCR 电路模型，该模型采用经验方法以非常高效的计算方式对电芯行为进行建模。
仿真还可以告诉我们电芯内部发生了什么，包括电势分布、电极中集中在极耳附近的电流密度。
10A 放电时的电芯电流密度分布
那么，如果您了解我或者我的西门子工程服务团队背景，或者您读过我之前关于 Simcenter SPEED 软件的博文，您就会知道我的下一个问题。对于这种基于模型的系统工程方法，我们真正预期的成果是什么？答案：了解设计选择在开发周期中对系统性能的影响并提前处理。您的工具应该能支持您做出更好的可行性选择。
例如，在这场有关硅-石墨电芯的点播式网络研讨会中，Saft 公司展示了他们如何使用 Simcenter Battery Design Studio 设计具有高能阳极的电芯。您可以随时观看该网络研讨会。
除了系统之外，您还需要考虑并联/串联电芯模块与电池组周围元件之间的相互作用。
无缝链接多物理场软件
为此，我们通常建议客户使用 Simcenter Battery Design Studio 创建一个 RCR 经验模型来表示专门的电芯电压行为，然后将其用于电池组的 3D 电热仿真。虽然您可以使用基于物理的模型，但 RCR 经验模型能够在降低计算成本的同时保持结果的一定准确性，更适合在电池模块级别工作的非专业用户。因此，无论是合成的还是来自测量的 HPPC 测试（利用放电和再生脉冲来体现电阻特性，具体取决于电芯 SOC、温度和电流）都可用作输入数据，由 Simcenter Battery Design Studio 自动生成 RCR 3D 经验模型参数，并以高效的计算方式用于 Simcenter STAR-CCM+ 中电池组的 3D 行为模型。
上述两个 Simcenter 产品组合软件之间的链接是通过 Simcenter Battery Design Studio 输出文件，即文本电池模型 (TBM) 文件完成的。Simcenter STAR-CCM+ 的电池仿真模块插件使用 TBM 文件来构建所需的电池模块 3D 模型。通过综合使用 Simcenter STAR-CCM+ 的几何、电芯性能模型和热求解器，电池模块工程师可以为瞬态场景中的整个电池组运行电热仿真。
用户可以添加电池组的其他组件，如汇流排、电绝缘垫、冷却通道和电池外壳（使用 STAR-CCM+ 3D-CAD 或任何第三方 CAD 软件），并执行自动网格划分以及指定材料/冷却液属性。
最后一步是对一个工作周期执行瞬态仿真，或是根据应用领域计算任意类型的电流瞬态激励曲线函数。以下示例说明了在 25 摄氏度环境温度以及恒定冷却泵速度下，US06 循环工况下的电池模块温度分布结果。
示例中的 4P12S 模块在铝制液冷板顶部放置了 18650 个电芯（图中未显示）。结果显示模块中的温度梯度较大，这是由于冷却系统无法保持均匀温度分布所致
目标是使用电池模块所谓的多物理场“数字孪生”来验证集成设计，并在开发周期的早期检测可能的缺陷、意外的控制行为或安全问题，避免因为在流程中过晚发现硬件问题而浪费时间。
自动化的设计空间探索及优化
根据这些仿真结果，工程师可以从电芯级别开始进行设计空间探索研究以尽量提高其容量，例如，通过研究电芯化学来考虑固定电池组设计，或是在电池模块级别研究其几何和特性。可以使用 Simcenter STAR-CCM+ 中的设计管理器以及 Simcenter 产品组合中的 HEEDS 软件来执行这些设计空间探索研究。这就是我说的“数字孪生魔法”。仿真工程师能够以半自动的方式高效、安全地探索数百种设计，尝试平衡多属性的性能并遵守系统约束。
人们很快就会发现，上述电池组的热性能可以得到改进，因为电池模块内存在温度分布不均匀的问题。该问题肯定是冷却液的流动分布效率低下所致，并必将影响过热电芯的电气性能，甚至可能危及电芯的使用寿命或安全。
在下面的研究示例中，我们设置了设计探索输入，例如通道直径、通道编号和冷却液流速策略等变量。对于设计探索目标，设定了低于 2 摄氏度的卷芯电芯温差和压降降低。在以下研究结果中，人们可以看到整个模块的温度均匀性已得到改进。
US06 驾驶周期中基本工况与改进设计之间的温度均匀性比较结果
客户案例：三星研发研究院
三星研发研究院开展的工作便是一个具体示例。他们使用 Simcenter Battery Design Studio 以及 Simcenter STAR-CCM+ 来检查设计决策对电池组性能权衡的影响。
像其他锂离子电池制造商一样，三星研发研究院一直在寻找合适的工具，以支持他们生产具有更高能量密度和耐用性的电池。为此，他们利用电池组的 3D 电热耦合模型以专注于热管理系统的优化工作。
将经验模型参数导出到 Simcenter Amesim
Simcenter Battery Design Studio RCR 经验模型提供了提取必要参数以设置系统级电池模型的功能。该模型可用于 Simcenter Amesim 软件中并将电池组视为“更大”系统的集成组件：电动轮式车辆、飞机、发电厂甚至家庭智能电网。
在 Simcenter Amesim 中，用户可以使用电池尺寸预设工具并根据自己的电池特性（例如来自 Simcenter Battery Design Studio 的电芯特性）和技术要求来自动配置电池组功能，如本视频所示。
生成的电池组随后可用于包含其他多物理场组件的最终系统，如电力动力总成、热管理系统、电气板网等及其控制。目标是在系统级别预测电芯/电池的性能，并提前处理未来电池与其环境之间的交互。这是一个非常有用的仿真流程，可以改善电芯/电池供应商和原始设备制造商 (OEM) 之间的协同工作，帮助他们轻松对其产品之间的交互进行建模、仿真和验证。
