现代车辆设计中的电芯工程技术和仿真工具融合

探索电池技术和仿真工具在车辆架构转型中的融合。电气化正在从根本上重塑车辆工程，使电池层面的仿真现在成为创新的关键因素。从内燃机 （ICE） 到电动汽车 （EV） 的转变带来了新的设计挑战和更高的安全要求。现代工程越来越依赖多物理场仿真（从电化学到结构分析）来推动最佳的电池、模块、电池组和整车设计。让我们探讨电池工程中的不同方法如何改进高效电动汽车 （EV） 的电池设计。

介绍

汽车电气化的飞跃标志着汽车技术的重大演变。电池技术和先进仿真的创新处于这一转变的最前沿，支持可靠和高性能的电动汽车。一个多世纪以来，内燃机 （ICE） 一直是车辆动力的关键参与者，提供可靠的性能和燃油效率。然而，电动汽车 （EV） 的加速发展对于满足新的性能和安全需求至关重要。

在概述电气化对车辆工程的影响的基础上，以下部分将探讨推动这一转变的技术进步。

车辆技术的演变

几十年来，内燃机提供了可靠的性能和效率，但电动汽车重新定义了输出和设计灵活性基准。在不到十年的时间里，电动汽车在某些方面的功率输出和性能指标已经达到并超越了内燃机同行。这种快速发展导致对可靠解决方案的需求不断增长，以应对该领域新技术的挑战。电池技术和先进仿真工具的创新对于应对这一转变的新挑战至关重要。

电池是电动汽车的重要组成部分，负责在确保安全的同时产生能量。它们很复杂，需要先进的工程设计，从化学到整车集成。本博客探讨了如何在电池上广泛使用仿真来提高性能、强度、刚度和安全性，特别是在滥用场景中。

为了通过仿真应对复杂的挑战，必须使用先进的有限元分析 （FEA） 工具。ABAQUS长期以来，它一直是达索系统用于结构分析（包括复杂的非线性问题）的基础工具。在过去的十年中，该公司已将其能力扩展到包括其他物理学科，例如计算流体动力学 （CFD）动力流和电磁场模拟CST Studio Suite.

所有这些技术都集成在一个平台上：三维体验平台3DEXPERIENCE. 该平台提供了一种进行电池工程模拟的创新方法，允许在不同类型的模拟之间无缝过渡。因此，工程师可以确保每个组件在整个系统中以最佳方式运行，从而提高电动汽车的安全性和效率。

电动汽车技术的进步给电池设计带来了独特的挑战，需要创新方法来解决性能、安全性和集成问题。

电池技术的挑战和考虑因素

电池设计与管理

电动汽车主要涉及三个关键部件的集成：

• 电池作为主要电源。

• 电力驱动推动车辆。

• 电力电子管理能源供应。

这些电池系统的综合设计过程涉及多个关键方面。工程师必须考虑从材料选择和电池配置到先进冷却系统集成的所有因素。例如，系统必须保持小于两度的温度梯度。这一严格的要求有助于防止过热并确保电池在其理想的热范围内运行。

电池的供电能力至关重要，因为它为车辆内的电力驱动和辅助系统提供动力，例如供暖、通风和空调系统 （HVAC）。它必须适应不同的电压要求，同时管理热负载，这会增加电阻和应力。制造前模拟对于识别和减轻潜在故障、确保电动汽车电池系统坚固可靠至关重要。

与笨重的内燃机不同，电池在车辆内的放置方式不同，提供了更大的架构灵活性。它们通常放置在汽车地板上，优化空间并转移重心。这导致底盘设计需要进行必要的调整，特别是因为电池很重并且严重影响重量分布。

HVAC 系统在乘坐舒适性方面发挥着至关重要的作用，它从电池中获取电力。根据天气条件，暖通空调的能源需求会影响电动汽车的续航里程和性能。因此，必须仔细考虑电池效率和容量。

将电池系统集成到车辆架构中引入了额外的设计注意事项，包括重量分布、结构调整和热管理。

车辆架构中的关键考虑因素

• 设计创新：创新的设计方法对于满足汽车行业的需求是必要的。公司的方法各不相同;一些保留传统结构，而另一些则通过新的电动汽车架构进行创新。

• 设计模拟：多样化的设计策略凸显了模拟在评估不同架构选项的性能和适用性方面的重要性。

• 电池类型：汽车制造商对电池类型（圆柱形、软包形、棱柱形）的偏好会影响电池模块和电池组的设计、放置和可制造性。

• 快速仿真和分析：加速仿真工作流程对于更快地实现数据驱动的车辆设计改进至关重要。

从材料级仿真到整车集成，结构化的工程工作流程对于系统地应对这些挑战至关重要。

电池工程工作流程

图 1：电池工程工作流程

达索系统提供的技术支持电池系统的设计和开发，从分子水平开始，扩展到完整的车辆性能。工程师可以使用各种化学成分在分子水平上为阳极和阴极等组件创建和配制材料。我们的姊妹品牌 BIOVIA 增强了这种能力，促进了分子水平的模拟。

然后，从这些材料中得出的属性可以应用于连续体级模拟。这种方法扩展到电池、模块和电池组级别的仿真，优化电池系统的设计、性能和效率。在电池层面采用不同的方法来应对工程挑战，并将其延续到模块和电池组层面，以提供全面的解决方案。

一维仿真有助于评估电池系统在功率或电压要求方面的性能，同时还集成电池管理系统以实现有效的热控制。像这样的工具迪莫拉通过执行一维系统级仿真来分析整体系统性能。

电池管理系统 （BMS） 可确保最佳运行和使用寿命。它管理充电周期，监控电池的健康状况，并通过热管理提供安全性。最后，将优化后的电池设计集成到整车模型中，以识别和解决与电池无关的问题。

在本博客中，我们将重点介绍设计电池的关键工作流程，这些工作流程都属于电池工程的范畴。

工程工作流程从电池的设计和分析开始，重点关注安全性、结构完整性和运行条件下的性能。

1. 电芯设计、分析与安全考虑

图 2：电池工程方法

电池主要分为四种类型：纽扣电池、方形电池、聚合物或软包电池以及圆柱形电池。每种类型都表现出独特的特性和热行为。

要设计高效的电池，必须考虑适当的工作条件影响，例如温度、离子流、电压和电流变化、滥用的结构负载以及正确的电池几何形状。达索系统开发了不同的工作流程，以帮助工程师在各种条件下验证和增强电池性能，解决电化学、热、结构等多种物理流。我们将在后面的章节中讨论其中的一些方法。

电化学性能分析是了解电池内充放电循环、热行为和材料相互作用影响的关键步骤。

2. 电化学性能分析

在电芯工程中，分析电化学性能至关重要。电池的性能在很大程度上取决于重复充电和放电循环的影响，随着时间的推移，这会导致电池容量下降。详细评估侧重于电池内的离子和电子运动，这些运动会影响温度曲线，为有关阳极、阴极和隔膜放置的决策提供信息。

该分析检查了微观和宏观尺度的扩散、热电损耗以及充放电效应。电化学分析可以使用多孔电极理论 （PET） 进行，用于Abaqus/标准，基于均质纽曼式方法，简化了复杂的孔隙几何形状。

在宏观尺度上，多孔电极被建模为均质介质，由活性固体电极颗粒相和液体电解质溶液相叠加组成，具有已知的体积分数。在微观尺度上，假设球形颗粒的集合，求解（非线性）锂离子扩散模型。导电粘合剂连接固体颗粒并共同形成固体电极相。

图 3：热电化学耦合分析 – SIMULIA 用户协助 2025

由于与其他电池类型相比，锂离子电池具有多重优势，已成为电动汽车中使用的可充电电池的支柱。这些电池的电化学性能取决于各种扩散过程之间的相互作用。在充电过程中，锂离子通过电解质入。同时，电子流过外部电路，凸显了锂离子宏观扩散和电子微观扩散的二元性。相反，在放电过程中，过程相反，这凸显了检查离子和电子运动以评估电池整体性能的重要性。

电化学过程的所有阶段（微观尺度、宏观扩散和插层）都以数值方式纳入纽曼模型中。从 3D Newman 模型得出的控制方程是该过程的核心，该过程使用耦合的热和电化学过程来模拟电池行为。

该模型使我们能够研究不同充电速率下不同电压和电流曲线的温度分布。充电速率对电池性能起着至关重要的作用。充电速率定义为“C”，直接影响温度产生和电池磨损。例如，1C 充电速率意味着电池在一小时内充满电，而 2C 充电速率则将时间减半。然而，较高的充电速率可能会导致显着的温度产生，从而带来安全风险，而较低的充电速率可提供更均匀的温度曲线，但需要更长的充电时间。因此，充电时间和温度产生速率之间的权衡至关重要。

此外，还可以研究由于发热和充电速率而导致的电压特性变化。根据输入，该分析可以选择最有效的细胞类型（细胞、袋等）和标签的正确位置。

高级纽曼模型包括称为耦合温度-位移电化学分析的位移效应。这允许检查由温度变化引起的体积应变。这种基于 3D Newman 模型的分层方法通过深入了解锂离子浓度、体积应变、温度曲线以及不同电池类型之间的潜在变化来帮助优化电池充电策略。此外，它还可用于分析溶胀引起的电解质流动、孔隙率演化、溶胀引起的应力、3D电极结构等现象。

电化学性能的通用工作流程简化了分析过程，能够有效评估不同条件下的细胞行为。

电化学性能的通用工作流程

图 4：圆柱形单元 P4D 几何形状创建

由于细胞组分层很薄，因此通常无法直接以 3D 方式进行分析，并精确表示细胞。通常，电化学性能分析从电池组件的简单表示开始。

用于简化单元组件表示的 P2D（伪 2D）仿真以平面表示形式展示单元组件。此过程包括在 3D 中保持阳极、阴极和隔膜的准确体积分数。完成 P2D 模型设置后，将根据测试数据和 Newman 模型校准材料参数，以确保真实的电化学性能模拟。然后，将 P2D 仿真的校准材料模型应用于详细的 3D 有限元 （FE） 建模（称为 P4D 仿真）中，以评估所需的输出。该方法通过迭代材料校准和高级模拟简化了对现实世界电池行为的模仿。

图5：电化学分析结果

除了电化学性能之外，还必须评估电池的机械性能，以确保负载条件下的强度、刚度和耐用性。

3. 强度、刚度和耐久性分析

图 6：电池组件中的机械应变量

评估电池设计涉及几个步骤，包括检查电化学性能以及评估刚度和强度。该评估使用专门开发的子程序，用于解决由于充电状态 （SoC） 变化而导致的细胞膨胀或膨胀。

不同的 SoC 会在电池中引起不同的膨胀行为。这些行为在用户子例程中进行数值建模，以便直接应用。这种方法明确针对离子转移引起的循环溶胀问题。

进一步的分析涉及强度和刚度，考虑外部载荷，例如轴向压缩、三点弯曲、径向压缩和冲击。目的是测量在这些载荷条件下产生的反作用力，为单元设计决策提供信息。

为了解决计算挑战，应用了模型降阶技术，在保持准确性的同时实现高效的仿真。

图 7：轴向压缩、三点弯曲和径向压缩

4. 模型降阶技术

从建模的角度来看，电池单元由多层组成，包括阳极、阴极和隔膜。在 2D 或 3D 中对这些组件进行建模时，生成的元素数量可能会变得大量，从而导致计算时间增加。通过应用模型降阶技术来解决这一挑战，该技术显着减小了模型大小。这种减少是通过使用经验测试数据校准电池材料的性能来实现的，而不是依赖详尽的详细建模。

先进的校准技术通过将仿真参数与经验测试数据保持一致来完善材料模型，确保在整个作条件下进行准确预测。

用于电池材料优化的高级校准技术

图 8：模型降阶工作流程

材料校准使用优化工具，例如视界（或 3DExperience Platform 上的 Process Composer 应用程序）使细胞材料的行为与经验数据保持一致。这涉及调整选定塑性模型中的参数（例如，各向异性或希尔塑性）以匹配测试结果。校准过程需要执行标准测试（径向、三点弯曲、压痕和轴向压缩测试），并将结果与 Abaqus 等工具的模拟输出进行比较。仿真结果通过改变常数进行微调，直到它们与测试数据一致。

随后，材料模型通过引入场变量来整合荷电状态 （SoC） 依赖性，有效地修改材料模型以包含与 SoC 相关的指数 （m）。这种调整可确保仿真模型在不同 SoC 之间准确复制测试结果。对材料模型进行了改进，以考虑应变率依赖性，使仿真结果与特定应变率的经验数据保持一致。

这种电池设计评估方法结合了对电化学特性和结构完整性的全面分析，同时使用先进的建模技术来最大限度地减少计算需求。通过根据经验数据仔细校准材料特性并结合对 SoC 和应变率的依赖性，该方法有望准确可靠地预测电池性能。在这种情况下，电池的单圆柱表示就足够了（消除了大量的预处理并降低了 DoFs），因为材料是用精确的材料校准的。

了解退化机制，包括日历和循环老化，对于预测容量衰减和优化电池设计以延长使用寿命至关重要。

6. 降解：日历和循环机制

电池退化源于受时间和储存条件影响的日历老化，以及在重复充放电循环中积累的循环老化。这些机制会导致细胞内的容量衰减、内阻增长和机械应力。

在材料层面，关键的降解机制之一是固体电解质界面（SEI）的形成和生长。虽然 SEI 最初具有保护性，但它会随着循环而继续演变。活性颗粒表面的裂纹暴露出新鲜材料，导致表面裂缝内的 SEI 生长，从而进一步消耗锂库存并导致容量衰退。此外，SEI 的积累会降低电极孔隙率和活性表面积，从而阻碍离子传输并减缓反应动力学。

SIMULIA 的仿真环境支持耦合的电化学-热-机械建模方法，其中 SEI 演化、镀锂和应力引起的裂纹等退化途径可以集成到设计过程中。通过在电池内空间解决这些影响，工程师可以评估不均匀的老化行为并识别局部性能瓶颈。

这些见解直接反馈到可靠性驱动的设计决策中，例如热管理、电极架构和充电/放电协议的优化。考虑到高保真老化模型的计算费用，模型阶数减少 （MOR） 技术可以简化这些详细模型，从而保留关键的退化行为，同时在系统级别实现更快的仿真，包括 BMS 集成和控制策略开发。

热管理策略对于减轻降解影响和确保在一定工作温度范围内保持一致的性能至关重要。

电池中的热管理

电池的热行为会显着影响其性能，温度升高会导致效率显着下降。因此，保持最佳温度范围可确保电池的使用寿命和运行效率。在这种情况下，CFD 代码成为电池热设计和管理的宝贵工具。它们提供了优化电池性能和耐用性所需的基本见解和功能，支撑了热管理在电池技术中的重要性。

集成电气和热建模为优化电池设计提供了一个全面的框架，考虑了相互依赖的热和电气行为。

用于增强电池设计的集成电气和热建模

在当代电池技术发展中，电现象和热现象的相互依存关系至关重要。精确建模需要集成电气和热模型以避免精度损失。计算流体动力学（CFD） 工具，例如动力流支持同步建模，使用电压和电流数据生成温度、电阻和荷电状态 （SoC） 的响应曲面。这种方法有助于系统级更新，通过纽曼、铁德曼和 Gu （NTG） 以及国家可再生能源实验室 （NREL） 等等效电路模型纳入温度影响。该方法允许精确的温度分布计算，这对于评估和优化电池设计参数（例如极耳尺寸、位置、电池面积和集电极厚度）至关重要。这种集成仿真方法用于设计能够承受各种负载条件的电化学电池，确保其在作环境中的性能和安全性。

图 9：不同热电偶位置的温度曲线和电流曲线

结论

在这篇博客中，我们讨论了电动汽车电池工程的关键方法，强调了集成电化学、电气和热分析的整体仿真方法。这确保了坚固可靠的电池满足不同的使用条件，同时优先考虑安全性。我们邀请您访问我们录制的会议 点击此处 深入了解电池工程。此外，您还可以查看我们之前发布的有关电池组和模块的博客这里和电池这里了解更多关于电动汽车生态系统的见解。