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1、執行摘要隨著電動汽車引入鋰離子電池，再加上環境問題，過去十年中，汽車的電氣化浪潮在蓬勃發展。未來十年，電動汽車（BEV）將成為常態，并開始為主機廠OEM創造利潤。為實現這一目標，電池和汽車制造商必須進一步縮小當前電動汽車與內燃機（ICE）驅動汽車的差距。這些差距包括成本、續航里程、充電速度、可靠性和安全性。在本白皮書中，我們討論了汽車動力總成的電氣化對車輛開發過程的影響，哪些方面推動了鋰離子（Li-ion）電池包的設計，涉及哪些物理場，以及在這種情況下需要哪些類型的分析。西門子數字工業軟件設計未來的鋰離子電池為電動汽車電池提供集成工程方法 Battery Design Studio.13Sim

2、center Culgi.14Simcenter STAR-CCM+.14Simcenter Amesim.14Simcenter HEEDS.15Simcenter工程服務和VEM測試設施.15結論.16參考文獻.17白皮書|設計未來的鋰離子電池摘要電池與電動汽車交織在一起，因此電池和電動汽車的開發流程需要同步開展，并且需要各學科專家之間的持續協作。這應該通過部署一個共同的工程環境來促進，以幫助消除利益相關者之間的孤島。同時，在Teamcenter協作平臺上還應包括流程中所有步驟的最佳解決方案。在Simcenter 軟件和硬件仿真和測試解決方案中，每個參與者都將找到合適的工具來解決工程挑戰，

3、包括電池初始尺寸和架構定義、電化學分析、電芯、電池模組和電池包設計，以及整車集成和最終驗證。利用Simcenter，工程師能夠連接所有流程步驟，研究他們的選擇對所有電池和電動汽車性能的影響，并不斷優化和探索新的設計，更有效地發現創新的解決方案。西門子數字化工業軟件3白皮書|設計未來的鋰離子電池勢不可擋的汽車電氣化浪潮電動汽車貫穿了整個汽車行業的歷史。但是諸如續航里程有限和充電基礎設施不足等主要障礙一直阻礙著電動汽車的大規模商業化的嘗試。1然而，今天，我們正處于一個顛覆性的時代。電動汽車（BEV），以及各種類型的混合動力電動汽車（HEV）再次興起，這一次它們將是不可擋的。技術創新和不斷變化的環境

4、正在導致根本性的變化。三大驅動因素為電氣化牽引動力創造了前所未有的勢頭，這使得電池因此成為了人們關注的焦點，它們可能會停留在哪里。合適電池技術的可用性首先，在20世紀的最后幾十年中，電芯技術領域發生了驚人的演變，主要受消費電子行業的需求驅動1990年代，鋰離子電芯化學成分進入市場，改變了游戲規則。2與鎳鎘（Ni-Cd）和鎳氫（Ni-MH）等前代候選的牽引動力技術相比，鋰離子電池（在其所有化學變量中）可提供高能量密度和開路電壓，具有更快的充電和低自放電。3,4盡管所有的鋰離子技術仍然存在明顯的缺點，例如過充電和深充（需要保護電路）電的脆弱性、溫度敏感性，以及可持續性和可回收性存在爭議。5但可以肯

5、定的是，鋰離子技術對我們正在目睹的汽車電動浪潮做出了巨大貢獻。在未來十年，鋰離子技術可能會繼續占據主導地位，或者至少在新的突破性技術為市場做好準備之前，。6圖1Ragone圖，顯示當前商用電容器和電芯類型技術的功率容量和能量儲存潛力。7為了說明技術的發展十分迅速，自2010年以來，大規模生產使鋰離子電池成本降低了87%，同時能量密度增加了兩倍。汽車制造商現在提供的電動汽車續航里程超過200英里，而10年前的只有100多英里，同時保持相同的價格出售。8,9數字化既是額外負擔，也是技術的催化劑其次，汽車行業正在進行全面數字化改革，雖然進行緩慢，但該舉措顯然提高了電芯技術的標準，同時也為全電動駕駛鋪

6、平了道路。過去20年里，汽車中電氣系統的數量急劇增加。如今，在一些車輛上很容易包含150多個電子控制單元（ECU）和配套軟件。10在電動汽車領域，為了安全和舒適，消費者熱切地使用著一項又一項創新技術。行人檢測、自適應巡航控制系統（ACC）系統、防碰撞避讓、車道校正和自動停車等高級駕駛輔助系統（ADAS）正在逐漸普及，而全自動駕駛汽車已經開始在公共道路上進行測試。預計到2030年，即使是在最保守的情況下，這些系統也將占據市場的很大一部分（麥肯錫的數據顯示，屆時ADAS系統的市場份額將高達15%）。11西門子數字化工業軟件4超級電容器雙電層電容器電解電容器鋰離子電容器鋰離子電池鎳氫電池鎘鎳電池鉛電

7、池能量密度（Wh/kg）功率密度（W/kg）白皮書|設計未來的鋰離子電池ADAS系統與啟動、照明、點火（SLI）和輔助系統一樣，是低壓電路的一部分，在這些電路中，傳統的鉛基電池目前仍然是首選技術。12它們具有故障安全且堅固耐用的，可在所有環境條件下支持安全關鍵功能。然而，隨著實現互聯和自動駕駛功能的設備數量增多，傳統的12伏（V）電源架構已達極限，這些設備消耗的電量可能會嚴重影響電動汽車的行駛里程。13后者甚至引發了關于在不久的將來是否可以同時實現自動駕駛和全電動駕駛的有趣討論。14很明顯，這些挑戰表明我們迫切需要比目前更好的電池技術。盡管有些人對電池技術表示擔憂，并持謹慎態度，但大多數行業領

8、導者都相信，自動駕駛和聯網駕駛只有在全電動的情況下才有意義。其中一個重要原因是，他們還設想數字化將帶來新的出行方式和相關商業模式，如共享出行、車聯網等。15,16需要定期在指定地點加油的內燃機汽車并符合這個故事場景。內燃機仍將在混合動力電動汽車（HEV）中發揮作用，暫時彌補電動汽車（BEV）的缺點，如續航里程。但最終未來將全是電動汽車的，內燃機將會逐步消失。幾家著名的OEM已經在朝著這個方向發展。全球變暖是根本性變革的最終驅動力最終，全球變暖將促使我們轉為使用更環保的交通工具，包括電動汽車（BEV）。與早期的環境問題相比，氣候變化的獨特之處在于它會影響我們所有人。全球科學界一致認為，主要來自于

9、由化石燃料消耗引起的人為二氧化碳排放是全球變暖的一個主要驅動因素，國際社會已采取明確行動，將雄心勃勃的長期目標合并為具有法律約束力的條約。巴黎協定是政府間氣候變化專門委員會（IPCC）發起的一項倡議，是多邊合作的歷史里程碑，可能會被銘記為汽車電氣化的最終轉折點。全球（幾乎）所有行業和所有政府都做出了推動環保舉措、具有約束力的承諾，這是前所未有的，這為汽車制造商提供了一個獨特且持久的機會，可以繞過阻礙電動駕駛大幅推廣的兩個主要障礙：價格和基礎設施。在電動汽車（BEV）的成功之前，僅僅依賴于消費者的善意，即出于生態動機，消費者愿意為更少的續航里程和有限的充電舒適性支付更多費用，而現在，由于激勵計劃

10、和稅收減免政策促進更多消費者開始購買電動汽車。過去，部署大規模充電基礎設施似乎是不可能的，而現在，該領域卻充滿了活力和創造力。社會以往常常以碎片化的方式看待交通、能源和住房等問題。由于巴黎協定中設定的目標，在不同層面上開展大量私人和公共活動需要全面看待這些目標。這為綠色出行，包括碳中和電動汽車，帶來了創新舉措、新的商業模式和巨大的發展動力。2020年代的鋰離子電池過渡已經在發生。在過去十年中，全球道路上的電動乘用車總數從2010年的約1.7萬輛增長到2019年的約720萬輛，其中有67%是純電動汽車。這十年將變得極其重要，因為這段時間使得電動車變得司空見慣，在到2030年電動汽車將獲得可觀的市

11、場份額。雖然2010年代只是一個開始，但是2020年代將帶來最終的突破。圖22010年至2019年全球電動乘用車保有量（按地區）。17西門子數字化工業軟件52019年有720萬輛電動汽車在路上行駛全球電動乘用車保有量（按地區）*中國歐洲美國世界其他地區*包括插電式混合動力車及輕型汽車資料來源：國際能源署西門子數字化工業軟件6白皮書|設計未來的鋰離子電池對于鋰離子電芯類型的制造商來說，這顯然是個好消息，他們有著巨大的潛力來提升業務活動。18成功將部分程度上取決于改進的速度和程度。目前，電動汽車（BEV）的性能才剛剛開始接近內燃機驅動汽車的整體性能。續航里程和壽命仍然是主要問題，但正在逐漸達到可接

12、受的水平。然而，充電速度也是導致里程焦慮的一個重要因素。這是電動汽車目前被認為剩下的與內燃機汽車的最大差距。如今，優質電池可以在大約30分鐘內充電到80%的電量，但超快速充電是非?？扇〉?。這是一個具有挑戰性的工程問題，因為更快的充電速度需要減小電極的厚度，這往往會增加成本并降低能量密度。為了減輕快充對電池壽命和安全性的影響，必須對電池有良好的設計，包括熱管理系統。19對于陽極、陰極和電解質所使用化學元素在化學性能方面依然有提升的空間。預計在未來5至10年內，上述方面依然會有改進提升。到那時，鋰離子電池的性能極限可能會達到理論極限。然而，在電芯設計和系統層面，特別是電池包及其與更廣泛的車輛系統集

13、成方面，可能會有進一步的改進。在本文的后續內容中，我們將討論OEM和電池包供應商如何發揮自己各種的作用。我們討論了動力總成電氣化對車輛開發過程的影響，哪些方面推動了鋰離子電池包的設計，涉及哪些物理場，以及在這種情況下需要哪些類型的分析。更偏概念性的選擇不在本白皮書的討論范疇，例如精準的化學體系，其主要由應用、市場成熟度和成本驅動；以及車內總布置，其更多的是與車輛結構開發和駕駛動力學更相關。轉變車輛開發流程盡管前景一片光明，但目前的現實是，OEM仍難以通過電動汽車實現盈利。電池與內燃機汽車如此不同，而且整個車輛系統中無處不在，并占主導地位，因此必須重新考慮設計、制造和生命周期管理方面的所有既定流

14、程。強大的行業參與者不能簡單地依靠過去幾十年積累的知識和基礎設施，因此他們必須進行大量投資。這帶來了巨大的風險，因為新的市場玩家渴望取代他們的位置。那些表現出最靈活的、能迅速進行轉換的制造商將有最好的生存機會。下面我們總結了一些在車輛開發過程中需要采取的最有影響的措施。事實上，這些建議將有助于任何具有內在復雜性的產品的制造商。擺脫倉筒式工作方式成功地開發新的車輛需要應用專家的綜合知識，而他們的目標往往相互沖突。為了有效地找到適當的平衡，必須盡早同時考慮所有方面，否則開發過程就會陷入無盡的迭代。產品越復雜，涉及的多物理場系統越多，這就越重要。這種高度協作的方法似乎比實際情況更為明顯。傳統上，OE

15、M有不同的部門分部負責不同的學科問題，有時這些部門甚至分散在不同站點。這很容易導致開發流程相對孤立，難以交換信息和數據。為了在當今保持競爭力，OEM必須采用集成式環境讓工程師從設計周期的早期就開始協同開發復雜綜合模型，以消除這些信息孤島。白皮書|設計未來的鋰離子電池這將大大縮短總開發時間，對于電動汽車（BEV）來說，這是實現盈利的關鍵。加大對仿真的關注這種集成式的方法旨在將設計決策提前，自然也會增加對仿真的重視程度。但我們要做的還有很多，尤其是在電動汽車開發方面。最終依賴原型測試，仿真用于分析和故障排除的經典驗證方法不再可行。電池在環境溫度及其充電狀態（SOC）的性能呈非線性關系。因此，當將電

16、池集成到車輛系統中時，會產生大量操作區域。僅僅通過物理測試是不可能涵蓋所有這些。相反，OEM必須部署一套全面的數字孿生，一組可以最高精度預測車輛真實行為的模型和數據。數字孿生在概念階段啟動，定義車輛架構，然后隨著開發的推進逐漸納入更多細節。最終，全面的數字孿生將反映最終產品，并可用于虛擬驗證和確認。重新思考物理測試的作用關注點的轉移并不意味著物理測試即將消失。關鍵的開發階段，如認證或最終驗證和確認，永遠不會完全基于仿真。但與在數字孿生上執行計算相比，創建原型并進行測量相對緩慢且成本高昂，因此需要縮短測試周期，以控制整體開發時間和成本。另一方面，在早期開發階段，測試部門將會看到更多新操作，因為為

17、保證建模準確性，實際測量的數據變得比以往任何時候都更重要，尤其是在探索未知的設計領域時。實現仿真是全面數字孿生的基石，意味著需對零組件、新材料、邊界條件等進行持續測試，這通常涉及多種物理場，包括一些汽車測試部門不熟悉的新內容。為了團隊的成功，測試和仿真工程師需要交流知識，保持一致的工作流程，并利用組合工具創造的協同效應。圖3孤立的方法阻礙了電池設計利益相關者之間的協作，而集成式的方法則促進了溝通、協作和可追溯性。西門子數字化工業軟件7電池電化學電池包尺寸和性能動力學安全固化的交流和數據交換方式電子與控制熱管理電池電化學電池包尺寸和性能動力學安全增強協作和可追溯性熱管理電子與控制白皮書|設計未來

18、的鋰離子電池電池開發過程和利益相關方如上一節所述，電池工程流程涉及多種工程學科，需要大量人員的綜合專業知識。所有這些利益相關者必須合作，牢記電池設計最重要的標準：續航里程、充電速度、可靠性、安全性和壽命。通常，這些標準可能會與他們追求的其他車輛性能要求相沖突。在本節中，我們將詳細說明電池工程流程的不同步驟中各種人員的具體職責。我們將這些人員描述為個人，但顯然，有時他們可以是多人，甚至是整個團隊。但隨著技術和市場的全面發展，很難說哪一種類型的電池是最好的，討論各類型電池的全部優缺點也不在本白皮書的范疇。此外，目前得出的結論可能并不適用于將來的情形。圓柱形電芯是目前最常見的類型，這主要是因為其成本

19、合理、易于制造，但又具有良好的機械穩定性。加強OEM和供應商之間的合作相比傳統車輛中的內燃機，電動汽車中的電池在各方面的重要性都更為明顯，其作用范圍遠不止單純的推進力。電池與車內所有系統相連，涉及所有工程學科，甚至在很大程度上決定了車輛的結構。簡單地說：內燃機是傳統車輛的重要組件，但電動汽車上的重要部件是車輪上的電池。研究表明，在一定的產量下，進行內部電池開發活動甚至會使OEM受益，即使這需要巨額投資并在核心業務之外大量知識收集。20圖4汽車電池中常用的鋰離子電芯類型。21西門子數字化工業軟件8這說明了電池作為一個組件的重要性。無論誰參與或應該參與其中，很明顯，電池工程流程中的各個階段，即電芯

20、開發、電池包尺寸和設計以及車輛集成，都不能簡單地相互分離。如果這些工作是由不同的利益相關方完成的，那么重要的是，需要建立一個簡化的流程，將這些利益相關方連接起來，以實現溝通、團隊合作和數據交換。例如，這種緊密的合作模式有助于OEM將設計要求高效地傳達給供應商，隨后由供應商提供可用于后續開發階段的數字孿生。最終，這也是一種消除信息孤島的形式。端子和安全通風口+v/-v端子+v/-v端子泄壓孔陽極陰極金屬外殼陰極陰極陽極陽極鋁箔袋金屬外殼隔板電池電芯設計電池電芯類型通常選自市售產品?；瘜W物質顯然是一個重要因素，但構型配置也起著重要作用。電動汽車中通常使用的電池類型有圓柱形、棱柱形和軟包形。這三種類

21、型的電池在容量、重量、安全性、靈活性、可制造性、成本等特性方面的評分各不相同。白皮書|設計未來的鋰離子電池電化學和材料工程師電芯的選擇對后續流程有很大影響，因為整個電池包的設計受到電芯的形狀以及化學、電氣和電熱特性的影響。電芯設計人員的任務包括在仿真模型中正確繪制出這些屬性。該流程涉及分子化學、微結構電化學和完整電芯的詳細幾何表征。創建這些模型所需的部分信息可能來自電芯制造商，另一部分可能需要逆向工程，其中會涉及到測量。然后，電芯設計人員可以使用化學和幾何參數來優化電芯性能，并提出改進建議；例如，在增加能量密度的同時降低電壓和發熱。電芯模型精度對于電池包設計期間的進一步仿真的相關性至關重要。圖

22、5不同截面電池微結構中鹽濃度的三維仿真。電池包尺寸規格與設計在對所選電芯進行研究的同時，就可以開始電池包的設計了，這種設計存在無限的可能性。如前所述，設計之前會有許多概念選擇對整體車輛行為有重大影響，例如電池在車內的位置，這會影響結構和空間布局以及駕駛性能。我們對這些設計選擇進行了抽象化處理，專注于電池包設計的功能方面。這包括需要多少電芯，如何捆綁和包裝電池，如何保護和冷卻電池，以及如何將電池系統集成到整車中，以實現多種設計要求的最佳性能。動力總成架構師對于動力總成架構師來說，需要解答的第一個問題是尺寸和內部布線。動力總成架構師在系統層面上研究電池，并確定必要的電芯數量和首選的串并聯布線拓撲，

23、以滿足電池的功率、電壓和能量等技術目標。為了獲得可使用的電池單元，電芯將按模組分組。動力總成架構師將在電氣方案中繪制這些布局，尋找最穩健和最易于管理的配置。他/她還將把該組件模型集成到一個完整整車系統模型中，并對各種電池車載性能（如能耗和熱行為）進行早期仿真，并研究電池和其他車輛系統（如電驅動和電池熱管理系統）之間的相互作用。圖6動力總成架構師確定電池尺寸（容量、功率、電壓），以達到所需的車輛性能。西門子數字化工業軟件9多物理場CAE/CFD專家一旦確定了電芯的幾何形狀、配置和模組，就可以細化電池包的幾何形狀，這主要由機械和散熱要求來決定。電芯機械損傷或變形是電池安全的最大威脅之一。換句話說，

24、電芯必須在結構上得到最佳保護。解決方案時間 1.00194(s)鋰/鹽濃度（kmol/m3）白皮書|設計未來的鋰離子電池同時，熱管理（如空氣或液體冷卻）及模組之間的相互隔熱，對電池的整體性能、安全性和壽命至關重要。這兩個方面共同充分決定了電池包的外觀，并且不能分開處理。這種熱和結構分析的目標是獲得一種強大、輕便的設計，并在仿真駕駛周期內促進實現均勻的溫度分布。圖7電池包三維熱仿真（包括冷卻系統）由斯圖加特汽車仿真解決方案中心（ASCS）和貝爾提供。多物理場計算機輔助工程（CAE）/計算流體動力學（CFD）專家的工作從設計電芯的電化學工程師創建的模型開始。這種模型可以是物理模型，也可以是三維等效

25、電路模型（RCR型模型），其以經驗為依據復制電芯電壓行為，從而提高計算效率。然后，他/她在專用的計算機輔助設計（CAD）或CAE/CFD軟件中構建整個電池系統，并完成所有其他組件，如母線、電絕緣墊、冷卻通道和電池外殼。在劃分網格后并指定材料及冷卻液屬性后，專家使用專用的多物理場求解器對整個電池包的瞬態冷卻液流進行大規模電熱仿真，包括共軛傳熱（CHT）。然后，他/她調整幾何形狀、材料和邊界來優化新設計的性能，以平衡強度和重量，最大限度地減少溫差，提高冷卻能力并降低冷卻液流中的壓降，這將減少冷卻液泵對電池能量的需求。多物理場CAE/CFD工程師還特別關注熱失控，鋰離子電池對這一現象特別敏感。熱失控

26、可能是由濫用負載引起的，如過充或過放、電芯長時間暴露在高溫下（電芯在60攝氏度后會變得熱不穩定），或內部短路；例如，由于電芯變形或撞擊損壞。這可能在電芯內引發放熱化學連鎖反應，導致更多熱量快速產生，并形成可燃氣體，這些氣體積累起來，并最終導致自燃或爆炸。良好的電池包設計應該控制問題和/或減輕后果，因為任何此類事件顯然都會產生嚴重的后果，并損害OEM甚至是整個行業的聲譽。多物理場CAE/CFD工程師將在耦合電化學、燃燒、流動和傳熱的綜合模型中研究熱失控的傳播。然后，他/她將尋找可以減緩電芯和模組之間的相互傳熱，或以更可控的方式排出疊堆反應物氣體的電池組設計。圖8利用三維仿真研究熱失控傳播和安全性

27、。22軟件和控制工程師與此同時，軟件和控制工程師可以進行電池管理系統（BMS）的開發：優化剩余能量使用的電子控制電路組件可平衡不同電芯之間的存儲電量，并防止電池在安全邊界之外運行，例如深充和過充。為此，電池配備了必要的傳感器，以測量電池包電壓、電流、電芯電壓和溫度等等。西門子數字化工業軟件10西門子數字化工業軟件11白皮書|設計未來的鋰離子電池然后，這些數值被用于軟件算法，以計算荷電狀態（SOC）、健康狀態（SOH）和功能狀態（SOF）等數據，然后將它們傳送到車輛用戶界面，并自主啟動智能校正措施，從而改善電池的性能、壽命和功能安全性。軟件和控制工程師的任務是開發穩健的軟件算法，并建立可擴展的、

28、基于模型的設計（MBD）框架，以便在開發周期的不同階段進行虛擬驗證和確認。專家則使用基于模型的系統仿真技術生成電池模型，從動力學來看，這些模型既快速又準確，并將這些模型與模型在環（MiL）、軟件在環（SiL）和硬件在環（HiL）測試配置中的控制模型、控制代碼和實際控制相結合。因此，可以在制造電池原型之前進行多種測試場景，虛擬評估電池老化時的反應，并有效優化性能和壽命的控制策略。軟件和控制工程師和CAE/CFD專家也經常共享他們的模型，將一個模型作為另一個的信息輸入，或者用于聯合仿真場景。集成在車輛中隨著電池逐漸成型，車輛也進入了下一開發周期。隨著其他組件的詳細信息變得可用，必須基于性能仿真進行

29、進一步的改進，而性能仿真已將這些不斷發展的信息納入考慮范圍內?；谀Ｐ偷南到y仿真是實現這一目標的有效途徑。這種技術在許多方面具有高度可擴展性。它讓工程師能夠根據預定義組件高效地對整車概念進行建模，然后逐步細化。它還讓您可以研究整車，并放大與電池有更密切交互的單個子系統或應用。這項技術本質上具有多物理場性質，可包含任何來源的數據。通過這種方式，工程師可以確保他們在仿真時使用的是最真實的信息。下面列出了一些車輛工程利益相關者，他們的工作與電池設計密切相關。車輛熱系統工程師與內燃機驅動的汽車不同，電動汽車無法從動力總成中回收廢熱來加熱車廂。相反，車廂舒適性必須通過其他機制來實現，如消耗電池的電阻加熱

30、器。這會大大減少寒冷環境下的續航里程。此外，較高的環境溫度也可能帶來問題，因為空調系統會消耗大量的電池能量。車輛熱系統工程師專注于在續航里程和車廂舒適性之間找到最佳平衡，同時保持電池（以及其他電氣組件）處于最佳熱運行狀態。為實現這一目標，他/她將把電池納入一個全面的車輛熱模型中，其中包括所有相關組件，如冷卻泵、換熱器、閥門、冷卻器等，并通過調整所有組件來優化整個系統。如今，在車輛中使用熱泵的趨勢也在增加。熱泵可以提高整體能效，但同時也增加了應用的復雜性。23電力電子工程師電池的主要用途是在足夠長的續航里程內為電動機提供足夠的牽引能量。而且車輛中的所有其他電氣系統都是由電池以某種方式供電的。功率

31、電子設備工程師對整個電氣管線布置系統進行優化設計，并在電路板上實現這種優化。他/她會選擇一種電路拓撲結構，并設計電源流程圖，其中電池是核心和關鍵組件。特別是對于電動汽車，情況尤其復雜，因為它還包含逆變器、轉換器和車載充電器等元件。因此，所有這些組件（包括電池）的設計空間在一定程度上會受到工程流程結果的限制。車輛集成商如上所述，電池連接到所有系統，并涉及所有車輛工程學科。電動車實際上是帶車輪的電池，因此兩者的發展幾乎是同時進行的。車輛集成商必須協調各種并行子系統開發進程。在早期設計階段，他/她將車輛性能要求轉化為所有單個子系統或組件的目標。在車輛項目的整個過程中，他/她利用不斷增加的細節和不斷變

32、化的數據填充其多級模型，同時通過子系統級別的選擇持續維護這些模型，保持主要車輛性能屬性之間的目標平衡。其中包括能耗、續航里程、熱舒適性、駕駛性能、行駛操縱性、噪聲、振動與聲振粗糙度（NVH）等。白皮書|設計未來的鋰離子電池在整個過程中，車輛集成商使用所有可能的方法，使他/她的模型在整個過程中盡可能真實和完整。除了基于模型的系統仿真外，該過程還涉及測試，甚至包括目標設置。將競爭對手車輛或前代車型放在試驗臺上研究是很常見的。氣候控制室中的專用整車能量管理（VEM）設置可以在強制駕駛條件下在車輛中產生能量流。這些數據可以在不同的仿真模型中針對不同的屬性進行轉換。通過對它們執行假設情景分析，車輛集成商

33、可以研究車輛在特定條件下的性能，查看車輛架構的優缺點，以及改進的空間，以便他/她向從事研究電池等組件的同事提供指導。最終，當開發周期接近尾聲時，將有一個改進階段，并可能在物理原型進行優化和故障排除（如有可能）。這時，測試是至關重要的。通過類似的VEM測試設置，所有組件（包括電池）的性能都可以在其工作環境中得到驗證。圖9使用降階模型的車輛級仿真。西門子數字化工業軟件12更廣泛的車輛工程流程中的電池設計在以上章節中，我們描述了電動車工程流程中的主要利益相關者，他們在不同程度上直接影響著電池和電池包的設計。但是還有許多其他工程學科受到了電池帶來的巨大影響。許多主要是汽車方面的專家，在進行領域研究時，

34、必須考慮一些非常具體的全新挑戰。他們也必須處理準確的電池模型和數據，在電池設計流程中與利益相關方保持密切聯系，如果可能的話，最好在一個促進協作的公共平臺上工作。此處我們選擇了一些案例，但不深入討論全部細節。電磁工程師必須研究電池周圍以低頻率傳輸高電流的電纜。這種傳輸會產生很大的磁場，可能會對車輛中的其他電子設備產生負面影響，并且需要高屏蔽衰減。同時，必須保護電池及其電路免受任何電磁干擾。24電池持續會受到道路引起的垂直低頻的振動和沖擊的影響。這最終可能會導致一些問題，例如外殼喪失電氣連續性或疲勞失效。設計車輛結構時，NVH工程師必須了解電池的動力學行為，并確保吸收臨界頻率，并防止模組移動。25

35、最后，如上所述，撞擊損壞是導致危險熱失控現象的最常見原因之一。此外，一旦電池著火，火勢是無法熄滅的，因為當陰極降解時，它們會不斷釋放氧氣。車輛碰撞工程師必須調查所有可能的碰撞情況，并確保在所有情況下都能保持電池結構的完整性。白皮書|設計未來的鋰離子電池Simcenter電池設計解決方案如圖所示，成功的電池設計需要許多不同學科的專家持續協作；在電芯設計、電池包開發和車輛集成方面，他們的工作內容有很多重疊，需要相互配合。如果這些領域專家被困在各自的信息孤島里，他們就不可能高效地開展工作?？紤]到電池工程問題的參數數量、廣泛的操作范圍以及多物理場固有的復雜性，采取基于系統預測仿真的方法也是非常必要的。

36、這項工作應該以高度專業化的測試技術為基礎，驗證所有這些復雜的模型、物理量和材料。理想情況下，所有必要的工具都可以在OEM和供應商的通用環境中獲得，在該環境中可以輕松共享數據和知識，無需大量腳本即可建立聯合仿真，并且可以將需求、目標和設計決策作為可跟蹤的樣機。Simcenter解決方案組合簡介這正是 Simcenter 產品組合的意義所在。Simcenter 是Xcelerator 產品組合（西門子數字化工業軟件公司綜合集成軟件和服務組合）的一部分，它以獨特的方式將多物理場系統仿真、三維CAE、CFD、電磁學和物理測試進行集成，并與設計探索和數據分析相結合，在一個環境中實現所有功能。這個開放、可

37、擴展和靈活的工程平臺幫助OEM和供應商準確預測電池和電動汽車的性能，優化設計，更快、更有信心地交付創新產品。利用Simcenter仿真和測試解決方案，工程師可以生成一組經過驗證的超現實、多物理場模型和數據，這些模型和數據可以預測電池和電動車的行為。這對于實施全面的數字孿生至關重要。數字孿生是一種行業范式，可幫助OEM和供應商設計出強大和安全的電池，通過電池的結構、系統、軟件、控制和創新材料，可確保高功率、長續航里程、快速充電和持續的可靠性。Simcenter在復雜產品設計方面有著久經考驗的記錄。作為專注于創新的全球行業領導者，西門子致力于提供解決方案，幫助整個交通行業的企業開啟數字化的新篇章。

38、為實現這一目標，西門子在研發上進行了大量的投資，建立戰略合作關系，并收購了能夠在該領域提供數十年工程經驗的技術先驅公司。西門子將專注于產品設計和開發的公司合并為Simcenter。所有解決方案都由全球工程專家團隊提供支持，他們致力于幫助OEM和供應商應對行業挑戰，并超越市場預期。下文中，我們將重點介紹專門適用于電池設計流程的Simcenter產品。Simcenter Battery Design StudioSimcenter Battery Design Studio幫助電化學工程師，從標準化但可定制的電芯形狀和組件（如電極、極耳和集電器）開始構建和驗證三維鋰離子電芯模型。該軟件還包括預定義

39、的標準混合物配方以及電芯表征工具，因此可以通過實驗輸入數據對混合配方進行逆向工程。圖10 Simcenter電池設計工作流程。西門子數字化工業軟件13車輛集成與測試電池模組和電池包設計電芯設計探索和推動設計電化學與材料設計初始尺寸和結構定義西門子數字化工業軟件14白皮書|設計未來的鋰離子電池Simcenter Battery Design Studio可用于計算電芯對脈沖占空比的響應，這種計算基于幾個不同級別的性能模型：基于物理的宏觀均勻模型，可以深入了解電芯的電化學機制；以及RCR模型，這是一種以計算有效的方式仿真電芯行為的經驗方法。該軟件還帶有一個老化模型，通過解析固體電解質界面膜（SEI

40、）增長的機制，研究日歷和循環壽命老化的影響，以及仿真熱失控測試的能力，如烘箱測試和加速量熱儀（ARC）測試。然后，我們可以配置該模型來預測電芯進入熱失控的時間點。Simcenter Battery Design Studio 的模型和數據可以專用文件格式導出，并在 Simcenter STAR-CCM+軟件和 SimcenterAmesim軟件中打開。Simcenter CulgiSimcenter Culgi 軟件包括從量子力學到流體動力學，從分子動力學到統計建模等一系列多尺度計算化學工具。該軟件具有專有的映射器、包裝器和腳本環境，使工程師能夠處理與工業相關的構想。Simcenter Cul

41、gi 特別適合研究分子水平的電池材料性能，例如在常規環境和非常規環境條件下離子通過膜的傳輸。同時，可以研究由充電循環和其他可能的環境因素引起的退化效應。模型驗證完成后，工程師可以在仿真環境中篩選新材料，以提高電池性能。Simcenter STAR-CCM+Simcenter STAR-CCM+是一款專用的三維軟件，可讓多物理場CAE/CFD專家準確預測電池性能，包括所有重要的物理性能，以及跨越傳統工程學科界限的物理性能。使用Simcenter STAR-CCM+能夠讓用戶能真正理解多物理場。該軟件甚至配有可預測任意多相微結構區域內離子和電勢的空間分布的功能，例如電解質的電勢和鹽濃度，以及活性電

42、極片中的鋰濃度。這些功能有助于電極設計。然而，Simcenter STAR-CCM+在電池設計流程中的核心價值在于其能夠仿真電池模組和電池包（包括冷卻液流）的電熱行為，所有這些功能都耦合在一起以獲得最佳精度。該軟件包括Simcenter電池仿真模塊，可根據 SimcenterBattery Design Studio 輸入數據以及高性能自動網格劃分功能輕松構建電池模組或電池包，還包括了專用建模工具和方法。Simcenter STAR-CCM+的仿真功能使多物理場CAE/CFD專家能夠研究電芯在其熱環境中的電化學行為，預測三維熱圖，并評估真實驅動循環條件下的冷卻策略。此外，Simcenter S

43、TAR-CCM+還具有研究熱失控過程和相關安全問題所必需的高度專業化功能。最后，在聯合仿真場景中，Simcenter STAR-CCM+可與Simcenter Amesim耦合。Simcenter AmesimSimcenter Amesim 是一個開放、集成和可擴展的多物理場系統仿真平臺，使工程師能夠虛擬評估和優化所有類型機電系統的性能。從開始使用到結束，該軟件可以推動從概念設計到最終驗證和控制校準的多種設計要求達到平衡。Simcenter Amesim 將現成可用且經過驗證的多物理場數據庫與面向應用的解決方案和強大的平臺功能相結合，讓仿真工程師能夠快速創建模型并進行精確分析。這種工具特別適

44、合需要將電池包作為整體系統的一部分的電池設計利益相關方，如動力總成架構師、軟件和控制工程師、車輛系統工程師、電源研發工程師、車輛集成商等。在電池包設計開始時，工程師可以使用Simcenter Amesim，根據預校準電芯數據庫，或者從 Simcenter Battery DesignStudio RCR模型和技術目標中導入特性，預先確定電池尺寸，以及通過級聯車輛要求到組件級確定的技術目標。隨著電池和電動汽車行業的發展，Simcenter Amesim 使團隊能夠預測車載電池性能并評估電池和周圍系統之間的未來相互作用，從而改善了兩個領域團隊之間的協作。白皮書|設計未來的鋰離子電池這使得兩個領域的

45、工程師能夠提前做出設計決策，避免無休止的迭代。因此，該軟件可以幫助大大縮短整體設計周期。Simcenter Amesim可容易導入三維仿真或測試數據，從而提高準確性，或者可以與Simcenter STAR-CCM+進行聯合仿真，例如，用于設計電池管理系統。由于 Simcenter Amesim 模型能夠實時運行，該工具特別適用于SiL、MiL和HiL場景中驗證控制策略。Simcenter HEEDSSimcenter Battery Design Studio、Simcenter STAR-CCM+和Simcenter Amesim電池設計流程中的所有步驟都可以實現自動化。因此，可以對必須在不

46、同級別做出的選擇進行通過設計研究來探索。此流程可以在Simcenter HEEDS軟件中完成。Simcenter HEEDS 多學科設計探索和優化能力使工程師能夠在包含各種來源輸入的環境中進行廣泛的參數研究，從而充分利用其仿真模型。所有這些都可以在有效搜索算法的支持下，以最佳方式使用可用的計算資源。通過這種方式，工程師可以在很短的時間內發現新的設計、優化性能并提高穩健性。例如，工程師可以使用 Simcenter HEEDS 在電芯層面研究電芯的電化學性能，同時在考慮電池包尺寸的前提下，最大化容量，或者在電池模組層面研究電池幾何形狀和特性。利用Simcenter HEEDS，可以半自動、高效和安

47、全地探索數百種設計變體，以平衡多個方面的性能，同時遵守系統約束。Simcenter工程服務和VEM測試設施無論是在電池和電動汽車設計流程的哪一個步驟，OEM和供應商都可以聯系 Simcenter 工程和咨詢服務專家。他們擁有跨行業和應用的廣泛工程能力，可以根據客戶需求提供可擴展的項目，從故障排除到更大范圍的產品開發，再到方法部署，所有這些工作都會在協作的氛圍中進行，并可以實現技術轉讓。Simcenter 工程和咨詢服務可以包括上述所有仿真應用，也可以提供互補的開發工作，如為基準測試和目標設置實施測試方法、新材料和技術相關參數的實驗確定或最終原型驗證。專家使用 Simcenter 測試解決方案和

48、領先的三維和一維仿真，顯著加快了新電池及其車輛集成的開發速度。Simcenter工程和咨詢服務團隊擁有專有的VEM測試設施，可以在目標設定的背景下對前代或競爭對手的車輛進行研究，或者可以在車內和氣候控制條件下對最終的電池原型進行各種驅動循環測試。圖11 法國里昂整車能量管理測試設施。西門子數字化工業軟件15西門子數字化工業軟件16白皮書|設計未來的鋰離子電池結論在本白皮書中，我們討論了設計鋰離子汽車電池和將其集成到電動汽車中所面臨的具體挑戰。制造性能良好、可快速充電且可靠且安全的鋰離子電池需要許多工程學科專家的綜合知識。由于電池與其所有子系統相連，電池設計流程不能完全脫離電動車工程流程。我們描

49、述了遵循仿真驅動方法輔以平臺物理測試的重要性，這種方法可以鼓勵協作并減少利益相關者在孤島狀態下的獨立工作。通過Simcenter，我們為OEM和電池供應商提供了一個完整、開放和可擴展的工程環境，包括他們取得成功所需的所有要素。這包括用于材料工程的Simcenter Culgi、用于電芯定義的Simcenter Battery Design Studio、用于電池包和冷卻設計的Simcenter STAR-CCM+、用于所有環境系統的設計和集成的Simcenter Amesim，以及用于目標設置和最終原型驗證的Simcenter測試。并且，如有必要，Simcenter工程和咨詢服務專家還可為您提

50、供支持。Simcenter解決方案包括推動鋰離子電池開發的所有必要物理場分析類型，如高級電化學、結構、熱和流量分析，以及用于眾多應用的工具，如軟件和控制、電池管理系統、電源和車輛熱系統的開發。通過在電池和電動汽車工程流程中部署Simcenter解決方案，OEM和供應商可以從車輛電氣化的過程中獲利。17白皮書|設計未來的鋰離子電池參考文獻1.E.H.Wakefield（1994年），“電動汽車發展史”，汽車工程師協會，pp.23，ISBN 1-56091-299-5。2.M.V.Reddy、A.Mauger、C.M.Julien、A.Paolella及K.Zaghib，“鋰電池早期發展簡史”，M

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