通过SIMULIA仿真驱动型工程构建更好的电池单元
仿真可帮助工程师改进电池单元设计并开发新的电池单元技术。在这篇博文中，我们将介绍 SIMULIA 在 3DEXPERIENCE® 平台上的电池工程工作流程，并演示如何利用它们来创建高性能电池系统。
介绍
电池在我们的日常生活中变得越来越重要，从智能手机到电动汽车，再到大规模电网存储。随着电气化的普及，将需要具有更高容量、更低成本和重量、更长使用寿命以及满足严格操作条件和安全标准的能力的电池。能够满足这些要求的公司将具有显著的竞争优势。
开发改进型电池的过程从电池单元开始。电池是电池的基本单元，由电极和电解质组成。电池组是通过连接多个电池单元形成的，通常带有额外的结构、热和控制元件。
仿真可帮助工程师改进电池单元设计并开发新的电池单元技术。在这篇博文中，我们将介绍电池工程工作流程从SIMULIA （模拟）在3DEXPERIENCE 平台并演示如何利用它们来创建高性能电池系统。
电池工程的挑战
在开发电池系统时，工程师必须考虑许多相互竞争的设计要求。以下示例来自电动汽车，但其他行业也有类似的需求：
容量（续航里程）：电池应具有最大可能的容量，以最大限度地减少充电频率并延长设备的整体使用寿命。
充电时间：电池充电速度越快，驾驶员就能越早上路。
重量：更轻的电池可以带来更快的加速和更高的能源效率。
长寿： 汽车电池是一个昂贵的组件。更长的使用寿命降低了维护成本并提高了转售价值。
温度：充电和放电会在电池内部产生大量热量，因此需要在炎热的天气中冷却，在寒冷的天气中加热。
安全：电池必须承受使用的压力和振动，即使在碰撞中也能保持安全。
为了实现所有这些设计目标并找到最佳权衡，工程师不仅需要了解电池在实验室中的行为，还需要了解它在实际操作条件下的性能
电池行业的最新进展也使开发更具挑战性。随着行业的扩张，供应商和制造商会创建一个更加复杂的供应链。开发电池单元、大规模制造并将其集成到车辆或设备中可能涉及众多参与者，从分子到系统，每个参与者都在不同的详细级别进行操作。成熟的电池制造商面临着来自初创公司的竞争，与其他行业（如汽车和能源）的合资企业越来越普遍。电池制造商正在探索固态电解质和钠离子电池等新技术。
为什么要仿真电池单元？
在没有原型的虚拟孪生上进行测试
仿真使工程师能够应对这些挑战。通过仿真，工程师可以使用虚拟孪生分析电池性能，而无需物理原型。电池的这种数字表示包括准确表示其真实行为所需的所有相关数据，例如几何形状、电极和电解质特性及其相互作用。
虚拟孪生需要捕获电池单元的复杂几何形状，例如分层圆柱形（“jellyroll”）设计。3DEXPERIENCE 电池单元工程解决方案有助于设计分层 3D 电池单元几何结构，并将其转换为详细、逼真的仿真模型。仿真后，电池的每个方面，例如温度分布或离子浓度，都可以在 3D 中可视化。
可以在开发的任何阶段对虚拟孪生进行分析，从设计阶段的早期到构建物理原型之前。这允许比较不同的概念并优化设计参数，以确保在提交特定设计之前设计满足要求。潜在故障、代价高昂的返工和项目延迟的风险很小。
优化电化学以获得高效性能
电池的充电、储存和放电性能取决于其电化学性质。这种复杂的多物理场、多相现象是由电池的 3D 结构以及电极和电解质之间的相互作用决定的。通过测试分析这些数据非常耗时，而且测量限制本身就限制了所提供的洞察力。
电池单元工程解决方案提供基于 Newman 模型的扩展 3D 多孔电极理论 （PET），以模拟电池在实际情况下的性能。这模拟了电池内的电化学，同时考虑了微观尺度和宏观尺度的细节。物理学的不同方面 - 结构、热、电化学和孔隙压力 - 被放在一起考虑。工程师可以分析在不同机械和热条件下不同充电速率下的充电/放电行为等因素。由于模拟是 3D 的，用户还可以评估和预测三维行为，例如厚度变形和膨胀引起的应力。
确保真实场景中的安全
电池单元旨在以便携式方式存储高能量密度，例如在智能手机或电动汽车内部。因此，他们面临许多困难和危险的场景 - 极端高温和低温、弯曲、冲击和穿透。电池需要承受这些危险——如果它们发生故障，它们应该安全地发生故障。
仿真可以在虚拟环境中安全地复制危险的真实场景。可以研究钉子穿透、车祸或热失控等事件，而无需构建和销毁物理原型的成本和风险。
使电池成为具有更长使用寿命和可靠性的更好投资
电池会随着时间的推移（日历老化）和重复使用（循环老化）而老化。例如，当电池存放时不使用时，会发生日历老化，而每次电池充电或放电时都会发生周期老化。电池的费用会显着影响电动汽车的成本，而电动汽车快速贬值和拥有成本增加的主要原因之一是电池老化。如果电池的使用寿命更长，电动汽车将成为对驾驶员和车队经理更具吸引力的投资。
3DEXPERIENCE 平台上的电池工程解决方案提供了全面的工作流程来模拟这些老化过程。它可以模拟各种电池老化机制，如SEI的形成和生长、锂电镀和阴极的溶解。通过分析这些影响，工程师可以优化电池的使用寿命并生产出客户需要的更可靠的电池。
探索电池科学，深入到电池化学优化
3DEXPERIENCE 平台上的电池单元工程将 SIMULIA 多物理场仿真工作流程与生物用于科学化学和材料工程，以及卡蒂亚用于设计和建模。这些共同支持电池工程师使用 3D 虚拟孪生设计、分析、优化和验证电池单元。
所有工艺阶段都在同一环境中进行：3DEXPERIENCE 平台，该平台为所有电池工程数据提供单一事实来源。设计人员、分析师和其他利益相关者可以可靠、安全地共享信息并进行协作。统一建模和仿真 （MODSIM） 有助于将分析过程左移，以便更早地优化单元设计，并可能识别和解决，从而确保更一致、无错误和更快的设计周期。
3DEXPERIENCE 平台上的电池单元工程工具中高度详细的 3D Newman 建模是创建电池热和电化学行为的逼真模拟的关键。这些模拟提供了有关电池性能和年龄的最高质量预测，包括其在不同条件下使用的任何影响。微观结构仿真能够对电极内的材料特性进行深入分析。同时，机械仿真用于测试电池在热应力、机械压痕或钉子穿透等事件中的行为，以便工程师可以在电池的整个生命周期内进行设计，以实现最佳安全性。
结论
从智能手表和手机到电动汽车和电网存储，电池性能对于大大小小设备的成功至关重要。这种性能在电池单元级别由内部的电化学和多物理相互作用决定。开发高效、安全和有竞争力的电池需要了解电池单元复杂的三维行为。
达索系统在 3DEXPERIENCE 平台上提供完整的电池单元工程解决方案。该解决方案将最佳设计和仿真解决方案集成到工作流程中。使用这些工具，电池设计人员可以舒适地坐在办公桌上准确分析电池性能，而无需构建物理原型。
借助 3DEXPERIENCE 平台上的电池单元工程解决方案，电池制造商可以在开发周期中实现所有利益相关者之间的协作和左移分析。潜在的安全和效率问题可以尽早解决，而无需进行导致延迟和成本超支的大量重新设计。通过仿真，电池单元制造商可以开发创新和有竞争力的新产品，同时降低研发成本和缩短上市时间。
