动力电池竞争的下一维度，仿真寻找电池研发的
动力电池竞争的下一维度，仿真寻找电池研发的「摩尔定律」
2022-08-01 17:11 来源: ChinaIT.com
原标题：动力电池竞争的下一维度，仿真寻找电池研发的「摩尔定律」
从原理出发，站在基础科学的前沿上实现理论工程化的实际突破，才有可能真正实现创新驱动的发展。
文｜张丞
编辑｜石亚琼
来源｜数字时氪（ID：digital36kr）
封面来源｜IC photo
前言
（ChinaIT.com讯）本文是智能制造系列研究的第三篇，前面《智能制造走向深水区》提出装备和工艺智能化和仿真促进正向设计是智能制造发展的两个重点，《锂电装备二十年进化史》以锂电产业中锂电设备的行业发展为例，梳理总结了装备制造业自身的发展规律以及对下游行业的支撑作用。本文我们仍将以锂电池行业为例，阐述仿真技术在锂电池行业的发展现状和发展趋势、仿真将如何促进正向设计等方面，并希望和读者朋友们探讨国内锂电池CAE软件未来发展的突破口。
当企业进行原创性的研发设计时，特别是整个产品体系需要从头创新或有很大变革时，就需要根据需求目标进行正向产品设计，通常会需要耗费大量的物料和人力进行制样测试，仿真的意义和作用就在于帮助企业尽可能减少制样测试的次数，避免盲目试错，获得更优的设计方案。仿真软件的发展是以人为核心，围绕着帮助仿真工程师以及非专业相关人员更好、更快地正向设计出最佳的产品工艺方案这个核心。
工业仿真软件的涌现依赖于制造业的发展，一个新兴制造业的发展必将带动相关设计仿真技术的进步，从而孕育出新兴工业软件，而设计仿真的进步又将反过来推进行业整体的发展。目前锂电池发展已经出现了多条技术路线，对能量密度、功率密度、寿命及安全性的要求越来越高，而耗时长、成本高的实验试错研发方法越来越难以适应下游市场的需求，因此需要在设计仿真方面实现较大的突破。同时，我们注意到电化学理论仍在不断发展，一些相对新兴的数值模拟算法也逐渐应用到锂电池仿真领域，这些条件为国内锂电池CAE仿真软件的发展提供了较为有利的条件。
下文中我们将先从锂电池仿真技术现状和前沿发展趋势展开，接着分析开发CAE软件所需具备的功能特点以及CAE软件当前的发展趋势，并结合以上两方面详细阐述国内锂电池CAE软件未来发展的突破口。文章结构要点如下：
现有锂电池仿真技术现状及相关商业软件
锂电池仿真技术前沿发展趋势
多尺度仿真
数值模拟算法
CAE仿真软件发展趋势
功能和架构
多物理场耦合、多尺度仿真
全流程协同
云仿真及SaaS
国内锂电池CAE仿真软件的突破口
建模及数值模拟
工程经验积累
开源是否适用于国内CAE仿真软件发展
锂电池CAE仿真软件市场分析
展望
锂电池仿真技术现状及相关商业软件
目前锂电池仿真模型主要为以Newman伪二维（P2D）模型为主的电化学模型、等效电路模型和热电耦合模型这三大类，此外还包括电化学-力学耦合模型等。
其中以Newman伪二维（P2D）模型为代表的电化学模型主要用于电极与单体电芯的设计和性能仿真，通过一系列偏微分方程组来描述锂离子电池内部发生的电化学反应，包括锂离子固液两相扩散、电解质中锂离子的迁移、固液界面的电荷转移等过程。P2D模型包括以下6个方程：
基于Fick第二定理的固相扩散方程
液相扩散方程
固相电势方程
液相电势方程
电荷守恒方程
Bulter-Volmer动力学方程
等效电路模型是将电池简化为电路网络来描述电池，结构简单，参数辨识复杂度和计算量小，是目前电池管理系统开发和电池在线状态估计领域应用最为广泛的模型。
热电耦合模型，是充分考虑了电池产热温度对电化学过程的影响，可以对电池电化学过程和性能进行更精准的模拟，可以用于电池单体、电池模组的热管理仿真。
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