西门子：2023设计未来的锂离子电池白皮书（17页）.pdf

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1、执行摘要随着电动汽车引入锂离子电池，再加上环境问题，过去十年中，汽车的电气化浪潮在蓬勃发展。未来十年，电动汽车（BEV）将成为常态，并开始为主机厂OEM创造利润。为实现这一目标，电池和汽车制造商必须进一步缩小当前电动汽车与内燃机（ICE）驱动汽车的差距。这些差距包括成本、续航里程、充电速度、可靠性和安全性。在本白皮书中，我们讨论了汽车动力总成的电气化对车辆开发过程的影响，哪些方面推动了锂离子（Li-ion）电池包的设计，涉及哪些物理场，以及在这种情况下需要哪些类型的分析。西门子数字工业软件设计未来的锂离子电池为电动汽车电池提供集成工程方法 Battery Design Studio.13Sim

2、center Culgi.14Simcenter STAR-CCM+.14Simcenter Amesim.14Simcenter HEEDS.15Simcenter工程服务和VEM测试设施.15结论.16参考文献.17白皮书|设计未来的锂离子电池摘要电池与电动汽车交织在一起，因此电池和电动汽车的开发流程需要同步开展，并且需要各学科专家之间的持续协作。这应该通过部署一个共同的工程环境来促进，以帮助消除利益相关者之间的孤岛。同时，在Teamcenter协作平台上还应包括流程中所有步骤的最佳解决方案。在Simcenter 软件和硬件仿真和测试解决方案中，每个参与者都将找到合适的工具来解决工程挑战，

3、包括电池初始尺寸和架构定义、电化学分析、电芯、电池模组和电池包设计，以及整车集成和最终验证。利用Simcenter，工程师能够连接所有流程步骤，研究他们的选择对所有电池和电动汽车性能的影响，并不断优化和探索新的设计，更有效地发现创新的解决方案。西门子数字化工业软件3白皮书|设计未来的锂离子电池势不可挡的汽车电气化浪潮电动汽车贯穿了整个汽车行业的历史。但是诸如续航里程有限和充电基础设施不足等主要障碍一直阻碍着电动汽车的大规模商业化的尝试。1然而，今天，我们正处于一个颠覆性的时代。电动汽车（BEV），以及各种类型的混合动力电动汽车（HEV）再次兴起，这一次它们将是不可挡的。技术创新和不断变化的环境

4、正在导致根本性的变化。三大驱动因素为电气化牵引动力创造了前所未有的势头，这使得电池因此成为了人们关注的焦点，它们可能会停留在哪里。合适电池技术的可用性首先，在20世纪的最后几十年中，电芯技术领域发生了惊人的演变，主要受消费电子行业的需求驱动1990年代，锂离子电芯化学成分进入市场，改变了游戏规则。2与镍镉（Ni-Cd）和镍氢（Ni-MH）等前代候选的牵引动力技术相比，锂离子电池（在其所有化学变量中）可提供高能量密度和开路电压，具有更快的充电和低自放电。3,4尽管所有的锂离子技术仍然存在明显的缺点，例如过充电和深充（需要保护电路）电的脆弱性、温度敏感性，以及可持续性和可回收性存在争议。5但可以肯

5、定的是，锂离子技术对我们正在目睹的汽车电动浪潮做出了巨大贡献。在未来十年，锂离子技术可能会继续占据主导地位，或者至少在新的突破性技术为市场做好准备之前，。6图1Ragone图，显示当前商用电容器和电芯类型技术的功率容量和能量储存潜力。7为了说明技术的发展十分迅速，自2010年以来，大规模生产使锂离子电池成本降低了87%，同时能量密度增加了两倍。汽车制造商现在提供的电动汽车续航里程超过200英里，而10年前的只有100多英里，同时保持相同的价格出售。8,9数字化既是额外负担，也是技术的催化剂其次，汽车行业正在进行全面数字化改革，虽然进行缓慢，但该举措显然提高了电芯技术的标准，同时也为全电动驾驶铺

6、平了道路。过去20年里，汽车中电气系统的数量急剧增加。如今，在一些车辆上很容易包含150多个电子控制单元（ECU）和配套软件。10在电动汽车领域，为了安全和舒适，消费者热切地使用着一项又一项创新技术。行人检测、自适应巡航控制系统（ACC）系统、防碰撞避让、车道校正和自动停车等高级驾驶辅助系统（ADAS）正在逐渐普及，而全自动驾驶汽车已经开始在公共道路上进行测试。预计到2030年，即使是在最保守的情况下，这些系统也将占据市场的很大一部分（麦肯锡的数据显示，届时ADAS系统的市场份额将高达15%）。11西门子数字化工业软件4超级电容器双电层电容器电解电容器锂离子电容器锂离子电池镍氢电池镉镍电池铅电

7、池能量密度（Wh/kg）功率密度（W/kg）白皮书|设计未来的锂离子电池ADAS系统与启动、照明、点火（SLI）和辅助系统一样，是低压电路的一部分，在这些电路中，传统的铅基电池目前仍然是首选技术。12它们具有故障安全且坚固耐用的，可在所有环境条件下支持安全关键功能。然而，随着实现互联和自动驾驶功能的设备数量增多，传统的12伏（V）电源架构已达极限，这些设备消耗的电量可能会严重影响电动汽车的行驶里程。13后者甚至引发了关于在不久的将来是否可以同时实现自动驾驶和全电动驾驶的有趣讨论。14很明显，这些挑战表明我们迫切需要比目前更好的电池技术。尽管有些人对电池技术表示担忧，并持谨慎态度，但大多数行业领

8、导者都相信，自动驾驶和联网驾驶只有在全电动的情况下才有意义。其中一个重要原因是，他们还设想数字化将带来新的出行方式和相关商业模式，如共享出行、车联网等。15,16需要定期在指定地点加油的内燃机汽车并符合这个故事场景。内燃机仍将在混合动力电动汽车（HEV）中发挥作用，暂时弥补电动汽车（BEV）的缺点，如续航里程。但最终未来将全是电动汽车的，内燃机将会逐步消失。几家著名的OEM已经在朝着这个方向发展。全球变暖是根本性变革的最终驱动力最终，全球变暖将促使我们转为使用更环保的交通工具，包括电动汽车（BEV）。与早期的环境问题相比，气候变化的独特之处在于它会影响我们所有人。全球科学界一致认为，主要来自于

9、由化石燃料消耗引起的人为二氧化碳排放是全球变暖的一个主要驱动因素，国际社会已采取明确行动，将雄心勃勃的长期目标合并为具有法律约束力的条约。巴黎协定是政府间气候变化专门委员会（IPCC）发起的一项倡议，是多边合作的历史里程碑，可能会被铭记为汽车电气化的最终转折点。全球（几乎）所有行业和所有政府都做出了推动环保举措、具有约束力的承诺，这是前所未有的，这为汽车制造商提供了一个独特且持久的机会，可以绕过阻碍电动驾驶大幅推广的两个主要障碍：价格和基础设施。在电动汽车（BEV）的成功之前，仅仅依赖于消费者的善意，即出于生态动机，消费者愿意为更少的续航里程和有限的充电舒适性支付更多费用，而现在，由于激励计划

10、和税收减免政策促进更多消费者开始购买电动汽车。过去，部署大规模充电基础设施似乎是不可能的，而现在，该领域却充满了活力和创造力。社会以往常常以碎片化的方式看待交通、能源和住房等问题。由于巴黎协定中设定的目标，在不同层面上开展大量私人和公共活动需要全面看待这些目标。这为绿色出行，包括碳中和电动汽车，带来了创新举措、新的商业模式和巨大的发展动力。2020年代的锂离子电池过渡已经在发生。在过去十年中，全球道路上的电动乘用车总数从2010年的约1.7万辆增长到2019年的约720万辆，其中有67%是纯电动汽车。这十年将变得极其重要，因为这段时间使得电动车变得司空见惯，在到2030年电动汽车将获得可观的市

11、场份额。虽然2010年代只是一个开始，但是2020年代将带来最终的突破。图22010年至2019年全球电动乘用车保有量（按地区）。17西门子数字化工业软件52019年有720万辆电动汽车在路上行驶全球电动乘用车保有量（按地区）*中国欧洲美国世界其他地区*包括插电式混合动力车及轻型汽车资料来源：国际能源署西门子数字化工业软件6白皮书|设计未来的锂离子电池对于锂离子电芯类型的制造商来说，这显然是个好消息，他们有着巨大的潜力来提升业务活动。18成功将部分程度上取决于改进的速度和程度。目前，电动汽车（BEV）的性能才刚刚开始接近内燃机驱动汽车的整体性能。续航里程和寿命仍然是主要问题，但正在逐渐达到可接

12、受的水平。然而，充电速度也是导致里程焦虑的一个重要因素。这是电动汽车目前被认为剩下的与内燃机汽车的最大差距。如今，优质电池可以在大约30分钟内充电到80%的电量，但超快速充电是非常可取的。这是一个具有挑战性的工程问题，因为更快的充电速度需要减小电极的厚度，这往往会增加成本并降低能量密度。为了减轻快充对电池寿命和安全性的影响，必须对电池有良好的设计，包括热管理系统。19对于阳极、阴极和电解质所使用化学元素在化学性能方面依然有提升的空间。预计在未来5至10年内，上述方面依然会有改进提升。到那时，锂离子电池的性能极限可能会达到理论极限。然而，在电芯设计和系统层面，特别是电池包及其与更广泛的车辆系统集

13、成方面，可能会有进一步的改进。在本文的后续内容中，我们将讨论OEM和电池包供应商如何发挥自己各种的作用。我们讨论了动力总成电气化对车辆开发过程的影响，哪些方面推动了锂离子电池包的设计，涉及哪些物理场，以及在这种情况下需要哪些类型的分析。更偏概念性的选择不在本白皮书的讨论范畴，例如精准的化学体系，其主要由应用、市场成熟度和成本驱动；以及车内总布置，其更多的是与车辆结构开发和驾驶动力学更相关。转变车辆开发流程尽管前景一片光明，但目前的现实是，OEM仍难以通过电动汽车实现盈利。电池与内燃机汽车如此不同，而且整个车辆系统中无处不在，并占主导地位，因此必须重新考虑设计、制造和生命周期管理方面的所有既定流

14、程。强大的行业参与者不能简单地依靠过去几十年积累的知识和基础设施，因此他们必须进行大量投资。这带来了巨大的风险，因为新的市场玩家渴望取代他们的位置。那些表现出最灵活的、能迅速进行转换的制造商将有最好的生存机会。下面我们总结了一些在车辆开发过程中需要采取的最有影响的措施。事实上，这些建议将有助于任何具有内在复杂性的产品的制造商。摆脱仓筒式工作方式成功地开发新的车辆需要应用专家的综合知识，而他们的目标往往相互冲突。为了有效地找到适当的平衡，必须尽早同时考虑所有方面，否则开发过程就会陷入无尽的迭代。产品越复杂，涉及的多物理场系统越多，这就越重要。这种高度协作的方法似乎比实际情况更为明显。传统上，OE

15、M有不同的部门分部负责不同的学科问题，有时这些部门甚至分散在不同站点。这很容易导致开发流程相对孤立，难以交换信息和数据。为了在当今保持竞争力，OEM必须采用集成式环境让工程师从设计周期的早期就开始协同开发复杂综合模型，以消除这些信息孤岛。白皮书|设计未来的锂离子电池这将大大缩短总开发时间，对于电动汽车（BEV）来说，这是实现盈利的关键。加大对仿真的关注这种集成式的方法旨在将设计决策提前，自然也会增加对仿真的重视程度。但我们要做的还有很多，尤其是在电动汽车开发方面。最终依赖原型测试，仿真用于分析和故障排除的经典验证方法不再可行。电池在环境温度及其充电状态（SOC）的性能呈非线性关系。因此，当将电

16、池集成到车辆系统中时，会产生大量操作区域。仅仅通过物理测试是不可能涵盖所有这些。相反，OEM必须部署一套全面的数字孪生，一组可以最高精度预测车辆真实行为的模型和数据。数字孪生在概念阶段启动，定义车辆架构，然后随着开发的推进逐渐纳入更多细节。最终，全面的数字孪生将反映最终产品，并可用于虚拟验证和确认。重新思考物理测试的作用关注点的转移并不意味着物理测试即将消失。关键的开发阶段，如认证或最终验证和确认，永远不会完全基于仿真。但与在数字孪生上执行计算相比，创建原型并进行测量相对缓慢且成本高昂，因此需要缩短测试周期，以控制整体开发时间和成本。另一方面，在早期开发阶段，测试部门将会看到更多新操作，因为为

17、保证建模准确性，实际测量的数据变得比以往任何时候都更重要，尤其是在探索未知的设计领域时。实现仿真是全面数字孪生的基石，意味着需对零组件、新材料、边界条件等进行持续测试，这通常涉及多种物理场，包括一些汽车测试部门不熟悉的新内容。为了团队的成功，测试和仿真工程师需要交流知识，保持一致的工作流程，并利用组合工具创造的协同效应。图3孤立的方法阻碍了电池设计利益相关者之间的协作，而集成式的方法则促进了沟通、协作和可追溯性。西门子数字化工业软件7电池电化学电池包尺寸和性能动力学安全固化的交流和数据交换方式电子与控制热管理电池电化学电池包尺寸和性能动力学安全增强协作和可追溯性热管理电子与控制白皮书|设计未来

18、的锂离子电池电池开发过程和利益相关方如上一节所述，电池工程流程涉及多种工程学科，需要大量人员的综合专业知识。所有这些利益相关者必须合作，牢记电池设计最重要的标准：续航里程、充电速度、可靠性、安全性和寿命。通常，这些标准可能会与他们追求的其他车辆性能要求相冲突。在本节中，我们将详细说明电池工程流程的不同步骤中各种人员的具体职责。我们将这些人员描述为个人，但显然，有时他们可以是多人，甚至是整个团队。但随着技术和市场的全面发展，很难说哪一种类型的电池是最好的，讨论各类型电池的全部优缺点也不在本白皮书的范畴。此外，目前得出的结论可能并不适用于将来的情形。圆柱形电芯是目前最常见的类型，这主要是因为其成本

19、合理、易于制造，但又具有良好的机械稳定性。加强OEM和供应商之间的合作相比传统车辆中的内燃机，电动汽车中的电池在各方面的重要性都更为明显，其作用范围远不止单纯的推进力。电池与车内所有系统相连，涉及所有工程学科，甚至在很大程度上决定了车辆的结构。简单地说：内燃机是传统车辆的重要组件，但电动汽车上的重要部件是车轮上的电池。研究表明，在一定的产量下，进行内部电池开发活动甚至会使OEM受益，即使这需要巨额投资并在核心业务之外大量知识收集。20图4汽车电池中常用的锂离子电芯类型。21西门子数字化工业软件8这说明了电池作为一个组件的重要性。无论谁参与或应该参与其中，很明显，电池工程流程中的各个阶段，即电芯

20、开发、电池包尺寸和设计以及车辆集成，都不能简单地相互分离。如果这些工作是由不同的利益相关方完成的，那么重要的是，需要建立一个简化的流程，将这些利益相关方连接起来，以实现沟通、团队合作和数据交换。例如，这种紧密的合作模式有助于OEM将设计要求高效地传达给供应商，随后由供应商提供可用于后续开发阶段的数字孪生。最终，这也是一种消除信息孤岛的形式。端子和安全通风口+v/-v端子+v/-v端子泄压孔阳极阴极金属外壳阴极阴极阳极阳极铝箔袋金属外壳隔板电池电芯设计电池电芯类型通常选自市售产品。化学物质显然是一个重要因素，但构型配置也起着重要作用。电动汽车中通常使用的电池类型有圆柱形、棱柱形和软包形。这三种类

21、型的电池在容量、重量、安全性、灵活性、可制造性、成本等特性方面的评分各不相同。白皮书|设计未来的锂离子电池电化学和材料工程师电芯的选择对后续流程有很大影响，因为整个电池包的设计受到电芯的形状以及化学、电气和电热特性的影响。电芯设计人员的任务包括在仿真模型中正确绘制出这些属性。该流程涉及分子化学、微结构电化学和完整电芯的详细几何表征。创建这些模型所需的部分信息可能来自电芯制造商，另一部分可能需要逆向工程，其中会涉及到测量。然后，电芯设计人员可以使用化学和几何参数来优化电芯性能，并提出改进建议；例如，在增加能量密度的同时降低电压和发热。电芯模型精度对于电池包设计期间的进一步仿真的相关性至关重要。图

22、5不同截面电池微结构中盐浓度的三维仿真。电池包尺寸规格与设计在对所选电芯进行研究的同时，就可以开始电池包的设计了，这种设计存在无限的可能性。如前所述，设计之前会有许多概念选择对整体车辆行为有重大影响，例如电池在车内的位置，这会影响结构和空间布局以及驾驶性能。我们对这些设计选择进行了抽象化处理，专注于电池包设计的功能方面。这包括需要多少电芯，如何捆绑和包装电池，如何保护和冷却电池，以及如何将电池系统集成到整车中，以实现多种设计要求的最佳性能。动力总成架构师对于动力总成架构师来说，需要解答的第一个问题是尺寸和内部布线。动力总成架构师在系统层面上研究电池，并确定必要的电芯数量和首选的串并联布线拓扑，

23、以满足电池的功率、电压和能量等技术目标。为了获得可使用的电池单元，电芯将按模组分组。动力总成架构师将在电气方案中绘制这些布局，寻找最稳健和最易于管理的配置。他/她还将把该组件模型集成到一个完整整车系统模型中，并对各种电池车载性能（如能耗和热行为）进行早期仿真，并研究电池和其他车辆系统（如电驱动和电池热管理系统）之间的相互作用。图6动力总成架构师确定电池尺寸（容量、功率、电压），以达到所需的车辆性能。西门子数字化工业软件9多物理场CAE/CFD专家一旦确定了电芯的几何形状、配置和模组，就可以细化电池包的几何形状，这主要由机械和散热要求来决定。电芯机械损伤或变形是电池安全的最大威胁之一。换句话说，

24、电芯必须在结构上得到最佳保护。解决方案时间 1.00194(s)锂/盐浓度（kmol/m3）白皮书|设计未来的锂离子电池同时，热管理（如空气或液体冷却）及模组之间的相互隔热，对电池的整体性能、安全性和寿命至关重要。这两个方面共同充分决定了电池包的外观，并且不能分开处理。这种热和结构分析的目标是获得一种强大、轻便的设计，并在仿真驾驶周期内促进实现均匀的温度分布。图7电池包三维热仿真（包括冷却系统）由斯图加特汽车仿真解决方案中心（ASCS）和贝尔提供。多物理场计算机辅助工程（CAE）/计算流体动力学（CFD）专家的工作从设计电芯的电化学工程师创建的模型开始。这种模型可以是物理模型，也可以是三维等效

25、电路模型（RCR型模型），其以经验为依据复制电芯电压行为，从而提高计算效率。然后，他/她在专用的计算机辅助设计（CAD）或CAE/CFD软件中构建整个电池系统，并完成所有其他组件，如母线、电绝缘垫、冷却通道和电池外壳。在划分网格后并指定材料及冷却液属性后，专家使用专用的多物理场求解器对整个电池包的瞬态冷却液流进行大规模电热仿真，包括共轭传热（CHT）。然后，他/她调整几何形状、材料和边界来优化新设计的性能，以平衡强度和重量，最大限度地减少温差，提高冷却能力并降低冷却液流中的压降，这将减少冷却液泵对电池能量的需求。多物理场CAE/CFD工程师还特别关注热失控，锂离子电池对这一现象特别敏感。热失控

26、可能是由滥用负载引起的，如过充或过放、电芯长时间暴露在高温下（电芯在60摄氏度后会变得热不稳定），或内部短路；例如，由于电芯变形或撞击损坏。这可能在电芯内引发放热化学连锁反应，导致更多热量快速产生，并形成可燃气体，这些气体积累起来，并最终导致自燃或爆炸。良好的电池包设计应该控制问题和/或减轻后果，因为任何此类事件显然都会产生严重的后果，并损害OEM甚至是整个行业的声誉。多物理场CAE/CFD工程师将在耦合电化学、燃烧、流动和传热的综合模型中研究热失控的传播。然后，他/她将寻找可以减缓电芯和模组之间的相互传热，或以更可控的方式排出叠堆反应物气体的电池组设计。图8利用三维仿真研究热失控传播和安全性

27、。22软件和控制工程师与此同时，软件和控制工程师可以进行电池管理系统（BMS）的开发：优化剩余能量使用的电子控制电路组件可平衡不同电芯之间的存储电量，并防止电池在安全边界之外运行，例如深充和过充。为此，电池配备了必要的传感器，以测量电池包电压、电流、电芯电压和温度等等。西门子数字化工业软件10西门子数字化工业软件11白皮书|设计未来的锂离子电池然后，这些数值被用于软件算法，以计算荷电状态（SOC）、健康状态（SOH）和功能状态（SOF）等数据，然后将它们传送到车辆用户界面，并自主启动智能校正措施，从而改善电池的性能、寿命和功能安全性。软件和控制工程师的任务是开发稳健的软件算法，并建立可扩展的、

28、基于模型的设计（MBD）框架，以便在开发周期的不同阶段进行虚拟验证和确认。专家则使用基于模型的系统仿真技术生成电池模型，从动力学来看，这些模型既快速又准确，并将这些模型与模型在环（MiL）、软件在环（SiL）和硬件在环（HiL）测试配置中的控制模型、控制代码和实际控制相结合。因此，可以在制造电池原型之前进行多种测试场景，虚拟评估电池老化时的反应，并有效优化性能和寿命的控制策略。软件和控制工程师和CAE/CFD专家也经常共享他们的模型，将一个模型作为另一个的信息输入，或者用于联合仿真场景。集成在车辆中随着电池逐渐成型，车辆也进入了下一开发周期。随着其他组件的详细信息变得可用，必须基于性能仿真进行

29、进一步的改进，而性能仿真已将这些不断发展的信息纳入考虑范围内。基于模型的系统仿真是实现这一目标的有效途径。这种技术在许多方面具有高度可扩展性。它让工程师能够根据预定义组件高效地对整车概念进行建模，然后逐步细化。它还让您可以研究整车，并放大与电池有更密切交互的单个子系统或应用。这项技术本质上具有多物理场性质，可包含任何来源的数据。通过这种方式，工程师可以确保他们在仿真时使用的是最真实的信息。下面列出了一些车辆工程利益相关者，他们的工作与电池设计密切相关。车辆热系统工程师与内燃机驱动的汽车不同，电动汽车无法从动力总成中回收废热来加热车厢。相反，车厢舒适性必须通过其他机制来实现，如消耗电池的电阻加热

30、器。这会大大减少寒冷环境下的续航里程。此外，较高的环境温度也可能带来问题，因为空调系统会消耗大量的电池能量。车辆热系统工程师专注于在续航里程和车厢舒适性之间找到最佳平衡，同时保持电池（以及其他电气组件）处于最佳热运行状态。为实现这一目标，他/她将把电池纳入一个全面的车辆热模型中，其中包括所有相关组件，如冷却泵、换热器、阀门、冷却器等，并通过调整所有组件来优化整个系统。如今，在车辆中使用热泵的趋势也在增加。热泵可以提高整体能效，但同时也增加了应用的复杂性。23电力电子工程师电池的主要用途是在足够长的续航里程内为电动机提供足够的牵引能量。而且车辆中的所有其他电气系统都是由电池以某种方式供电的。功率

31、电子设备工程师对整个电气管线布置系统进行优化设计，并在电路板上实现这种优化。他/她会选择一种电路拓扑结构，并设计电源流程图，其中电池是核心和关键组件。特别是对于电动汽车，情况尤其复杂，因为它还包含逆变器、转换器和车载充电器等元件。因此，所有这些组件（包括电池）的设计空间在一定程度上会受到工程流程结果的限制。车辆集成商如上所述，电池连接到所有系统，并涉及所有车辆工程学科。电动车实际上是带车轮的电池，因此两者的发展几乎是同时进行的。车辆集成商必须协调各种并行子系统开发进程。在早期设计阶段，他/她将车辆性能要求转化为所有单个子系统或组件的目标。在车辆项目的整个过程中，他/她利用不断增加的细节和不断变

32、化的数据填充其多级模型，同时通过子系统级别的选择持续维护这些模型，保持主要车辆性能属性之间的目标平衡。其中包括能耗、续航里程、热舒适性、驾驶性能、行驶操纵性、噪声、振动与声振粗糙度（NVH）等。白皮书|设计未来的锂离子电池在整个过程中，车辆集成商使用所有可能的方法，使他/她的模型在整个过程中尽可能真实和完整。除了基于模型的系统仿真外，该过程还涉及测试，甚至包括目标设置。将竞争对手车辆或前代车型放在试验台上研究是很常见的。气候控制室中的专用整车能量管理（VEM）设置可以在强制驾驶条件下在车辆中产生能量流。这些数据可以在不同的仿真模型中针对不同的属性进行转换。通过对它们执行假设情景分析，车辆集成商

33、可以研究车辆在特定条件下的性能，查看车辆架构的优缺点，以及改进的空间，以便他/她向从事研究电池等组件的同事提供指导。最终，当开发周期接近尾声时，将有一个改进阶段，并可能在物理原型进行优化和故障排除（如有可能）。这时，测试是至关重要的。通过类似的VEM测试设置，所有组件（包括电池）的性能都可以在其工作环境中得到验证。图9使用降阶模型的车辆级仿真。西门子数字化工业软件12更广泛的车辆工程流程中的电池设计在以上章节中，我们描述了电动车工程流程中的主要利益相关者，他们在不同程度上直接影响着电池和电池包的设计。但是还有许多其他工程学科受到了电池带来的巨大影响。许多主要是汽车方面的专家，在进行领域研究时，

34、必须考虑一些非常具体的全新挑战。他们也必须处理准确的电池模型和数据，在电池设计流程中与利益相关方保持密切联系，如果可能的话，最好在一个促进协作的公共平台上工作。此处我们选择了一些案例，但不深入讨论全部细节。电磁工程师必须研究电池周围以低频率传输高电流的电缆。这种传输会产生很大的磁场，可能会对车辆中的其他电子设备产生负面影响，并且需要高屏蔽衰减。同时，必须保护电池及其电路免受任何电磁干扰。24电池持续会受到道路引起的垂直低频的振动和冲击的影响。这最终可能会导致一些问题，例如外壳丧失电气连续性或疲劳失效。设计车辆结构时，NVH工程师必须了解电池的动力学行为，并确保吸收临界频率，并防止模组移动。25

35、最后，如上所述，撞击损坏是导致危险热失控现象的最常见原因之一。此外，一旦电池着火，火势是无法熄灭的，因为当阴极降解时，它们会不断释放氧气。车辆碰撞工程师必须调查所有可能的碰撞情况，并确保在所有情况下都能保持电池结构的完整性。白皮书|设计未来的锂离子电池Simcenter电池设计解决方案如图所示，成功的电池设计需要许多不同学科的专家持续协作；在电芯设计、电池包开发和车辆集成方面，他们的工作内容有很多重叠，需要相互配合。如果这些领域专家被困在各自的信息孤岛里，他们就不可能高效地开展工作。考虑到电池工程问题的参数数量、广泛的操作范围以及多物理场固有的复杂性，采取基于系统预测仿真的方法也是非常必要的。

36、这项工作应该以高度专业化的测试技术为基础，验证所有这些复杂的模型、物理量和材料。理想情况下，所有必要的工具都可以在OEM和供应商的通用环境中获得，在该环境中可以轻松共享数据和知识，无需大量脚本即可建立联合仿真，并且可以将需求、目标和设计决策作为可跟踪的样机。Simcenter解决方案组合简介这正是 Simcenter 产品组合的意义所在。Simcenter 是Xcelerator 产品组合（西门子数字化工业软件公司综合集成软件和服务组合）的一部分，它以独特的方式将多物理场系统仿真、三维CAE、CFD、电磁学和物理测试进行集成，并与设计探索和数据分析相结合，在一个环境中实现所有功能。这个开放、可

37、扩展和灵活的工程平台帮助OEM和供应商准确预测电池和电动汽车的性能，优化设计，更快、更有信心地交付创新产品。利用Simcenter仿真和测试解决方案，工程师可以生成一组经过验证的超现实、多物理场模型和数据，这些模型和数据可以预测电池和电动车的行为。这对于实施全面的数字孪生至关重要。数字孪生是一种行业范式，可帮助OEM和供应商设计出强大和安全的电池，通过电池的结构、系统、软件、控制和创新材料，可确保高功率、长续航里程、快速充电和持续的可靠性。Simcenter在复杂产品设计方面有着久经考验的记录。作为专注于创新的全球行业领导者，西门子致力于提供解决方案，帮助整个交通行业的企业开启数字化的新篇章。

38、为实现这一目标，西门子在研发上进行了大量的投资，建立战略合作关系，并收购了能够在该领域提供数十年工程经验的技术先驱公司。西门子将专注于产品设计和开发的公司合并为Simcenter。所有解决方案都由全球工程专家团队提供支持，他们致力于帮助OEM和供应商应对行业挑战，并超越市场预期。下文中，我们将重点介绍专门适用于电池设计流程的Simcenter产品。Simcenter Battery Design StudioSimcenter Battery Design Studio帮助电化学工程师，从标准化但可定制的电芯形状和组件（如电极、极耳和集电器）开始构建和验证三维锂离子电芯模型。该软件还包括预定义

39、的标准混合物配方以及电芯表征工具，因此可以通过实验输入数据对混合配方进行逆向工程。图10 Simcenter电池设计工作流程。西门子数字化工业软件13车辆集成与测试电池模组和电池包设计电芯设计探索和推动设计电化学与材料设计初始尺寸和结构定义西门子数字化工业软件14白皮书|设计未来的锂离子电池Simcenter Battery Design Studio可用于计算电芯对脉冲占空比的响应，这种计算基于几个不同级别的性能模型：基于物理的宏观均匀模型，可以深入了解电芯的电化学机制；以及RCR模型，这是一种以计算有效的方式仿真电芯行为的经验方法。该软件还带有一个老化模型，通过解析固体电解质界面膜（SEI

40、）增长的机制，研究日历和循环寿命老化的影响，以及仿真热失控测试的能力，如烘箱测试和加速量热仪（ARC）测试。然后，我们可以配置该模型来预测电芯进入热失控的时间点。Simcenter Battery Design Studio 的模型和数据可以专用文件格式导出，并在 Simcenter STAR-CCM+软件和 SimcenterAmesim软件中打开。Simcenter CulgiSimcenter Culgi 软件包括从量子力学到流体动力学，从分子动力学到统计建模等一系列多尺度计算化学工具。该软件具有专有的映射器、包装器和脚本环境，使工程师能够处理与工业相关的构想。Simcenter Cul

41、gi 特别适合研究分子水平的电池材料性能，例如在常规环境和非常规环境条件下离子通过膜的传输。同时，可以研究由充电循环和其他可能的环境因素引起的退化效应。模型验证完成后，工程师可以在仿真环境中筛选新材料，以提高电池性能。Simcenter STAR-CCM+Simcenter STAR-CCM+是一款专用的三维软件，可让多物理场CAE/CFD专家准确预测电池性能，包括所有重要的物理性能，以及跨越传统工程学科界限的物理性能。使用Simcenter STAR-CCM+能够让用户能真正理解多物理场。该软件甚至配有可预测任意多相微结构区域内离子和电势的空间分布的功能，例如电解质的电势和盐浓度，以及活性电

42、极片中的锂浓度。这些功能有助于电极设计。然而，Simcenter STAR-CCM+在电池设计流程中的核心价值在于其能够仿真电池模组和电池包（包括冷却液流）的电热行为，所有这些功能都耦合在一起以获得最佳精度。该软件包括Simcenter电池仿真模块，可根据 SimcenterBattery Design Studio 输入数据以及高性能自动网格划分功能轻松构建电池模组或电池包，还包括了专用建模工具和方法。Simcenter STAR-CCM+的仿真功能使多物理场CAE/CFD专家能够研究电芯在其热环境中的电化学行为，预测三维热图，并评估真实驱动循环条件下的冷却策略。此外，Simcenter S

43、TAR-CCM+还具有研究热失控过程和相关安全问题所必需的高度专业化功能。最后，在联合仿真场景中，Simcenter STAR-CCM+可与Simcenter Amesim耦合。Simcenter AmesimSimcenter Amesim 是一个开放、集成和可扩展的多物理场系统仿真平台，使工程师能够虚拟评估和优化所有类型机电系统的性能。从开始使用到结束，该软件可以推动从概念设计到最终验证和控制校准的多种设计要求达到平衡。Simcenter Amesim 将现成可用且经过验证的多物理场数据库与面向应用的解决方案和强大的平台功能相结合，让仿真工程师能够快速创建模型并进行精确分析。这种工具特别适

44、合需要将电池包作为整体系统的一部分的电池设计利益相关方，如动力总成架构师、软件和控制工程师、车辆系统工程师、电源研发工程师、车辆集成商等。在电池包设计开始时，工程师可以使用Simcenter Amesim，根据预校准电芯数据库，或者从 Simcenter Battery DesignStudio RCR模型和技术目标中导入特性，预先确定电池尺寸，以及通过级联车辆要求到组件级确定的技术目标。随着电池和电动汽车行业的发展，Simcenter Amesim 使团队能够预测车载电池性能并评估电池和周围系统之间的未来相互作用，从而改善了两个领域团队之间的协作。白皮书|设计未来的锂离子电池这使得两个领域的

45、工程师能够提前做出设计决策，避免无休止的迭代。因此，该软件可以帮助大大缩短整体设计周期。Simcenter Amesim可容易导入三维仿真或测试数据，从而提高准确性，或者可以与Simcenter STAR-CCM+进行联合仿真，例如，用于设计电池管理系统。由于 Simcenter Amesim 模型能够实时运行，该工具特别适用于SiL、MiL和HiL场景中验证控制策略。Simcenter HEEDSSimcenter Battery Design Studio、Simcenter STAR-CCM+和Simcenter Amesim电池设计流程中的所有步骤都可以实现自动化。因此，可以对必须在不

46、同级别做出的选择进行通过设计研究来探索。此流程可以在Simcenter HEEDS软件中完成。Simcenter HEEDS 多学科设计探索和优化能力使工程师能够在包含各种来源输入的环境中进行广泛的参数研究，从而充分利用其仿真模型。所有这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计算资源。通过这种方式，工程师可以在很短的时间内发现新的设计、优化性能并提高稳健性。例如，工程师可以使用 Simcenter HEEDS 在电芯层面研究电芯的电化学性能，同时在考虑电池包尺寸的前提下，最大化容量，或者在电池模组层面研究电池几何形状和特性。利用Simcenter HEEDS，可以半自动、高效和安

47、全地探索数百种设计变体，以平衡多个方面的性能，同时遵守系统约束。Simcenter工程服务和VEM测试设施无论是在电池和电动汽车设计流程的哪一个步骤，OEM和供应商都可以联系 Simcenter 工程和咨询服务专家。他们拥有跨行业和应用的广泛工程能力，可以根据客户需求提供可扩展的项目，从故障排除到更大范围的产品开发，再到方法部署，所有这些工作都会在协作的氛围中进行，并可以实现技术转让。Simcenter 工程和咨询服务可以包括上述所有仿真应用，也可以提供互补的开发工作，如为基准测试和目标设置实施测试方法、新材料和技术相关参数的实验确定或最终原型验证。专家使用 Simcenter 测试解决方案和

48、领先的三维和一维仿真，显著加快了新电池及其车辆集成的开发速度。Simcenter工程和咨询服务团队拥有专有的VEM测试设施，可以在目标设定的背景下对前代或竞争对手的车辆进行研究，或者可以在车内和气候控制条件下对最终的电池原型进行各种驱动循环测试。图11 法国里昂整车能量管理测试设施。西门子数字化工业软件15西门子数字化工业软件16白皮书|设计未来的锂离子电池结论在本白皮书中，我们讨论了设计锂离子汽车电池和将其集成到电动汽车中所面临的具体挑战。制造性能良好、可快速充电且可靠且安全的锂离子电池需要许多工程学科专家的综合知识。由于电池与其所有子系统相连，电池设计流程不能完全脱离电动车工程流程。我们描

49、述了遵循仿真驱动方法辅以平台物理测试的重要性，这种方法可以鼓励协作并减少利益相关者在孤岛状态下的独立工作。通过Simcenter，我们为OEM和电池供应商提供了一个完整、开放和可扩展的工程环境，包括他们取得成功所需的所有要素。这包括用于材料工程的Simcenter Culgi、用于电芯定义的Simcenter Battery Design Studio、用于电池包和冷却设计的Simcenter STAR-CCM+、用于所有环境系统的设计和集成的Simcenter Amesim，以及用于目标设置和最终原型验证的Simcenter测试。并且，如有必要，Simcenter工程和咨询服务专家还可为您提

50、供支持。Simcenter解决方案包括推动锂离子电池开发的所有必要物理场分析类型，如高级电化学、结构、热和流量分析，以及用于众多应用的工具，如软件和控制、电池管理系统、电源和车辆热系统的开发。通过在电池和电动汽车工程流程中部署Simcenter解决方案，OEM和供应商可以从车辆电气化的过程中获利。17白皮书|设计未来的锂离子电池参考文献1.E.H.Wakefield（1994年），“电动汽车发展史”，汽车工程师协会，pp.23，ISBN 1-56091-299-5。2.M.V.Reddy、A.Mauger、C.M.Julien、A.Paolella及K.Zaghib，“锂电池早期发展简史”，M

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