现代车辆设计中的电池单元工程

执行摘要

电气化从根本上重塑了车辆工程，使得在电池细胞层面进行仿真现在成为创新的关键因素。从内燃机（ICEs）到电动汽车（EVs）的转变引入了新的设计挑战，并提高了安全要求。现代工程越来越多地依赖多物理场仿真——从电化学到结构分析——来推动最佳电池、模块、电池组和全车辆设计。让我们探讨电池细胞工程中不同的方法如何提高电池设计，以实现高效的电动汽车（EVs）。

 

 

 

介绍

向车辆电动化的飞跃标志着汽车技术的重大演变。电池技术的创新和高级模拟处于这一转变的前沿，支持可靠且高性能的电动汽车。内燃机（ICEs）在车辆动力方面一直扮演着关键角色，提供可靠的表现和燃油效率超过一个世纪。然而，加速电动汽车（EVs）的演变对于满足新的性能和安全需求变得至关重要。

 

在回顾 electrification 对车辆工程的影响之后，接下来的部分将探讨推动这一转变的技术进步。

 

车辆技术的演变

 

 

内燃机发动机在几十年内提供了可靠的表现和效率，但电动汽车重新定义了输出和设计灵活性的基准。在不到十年的时间里，电动汽车在某些方面已经匹配并超越了内燃机发动机的功率输出和性能指标。这种迅速的演变导致了对可靠解决方案的日益需求，以应对该领域新技术的挑战。电池技术的创新和先进的模拟工具在应对这一过渡的新挑战中至关重要。

 

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。电池结构复杂，需要先进的工程设计，从化学到整车集成。本文博客探讨了如何广泛使用模拟技术来改进电池单元的性能、强度、刚度和安全性，特别是在滥用情况下。

 

为了通过模拟解决复杂问题，使用先进的有限元分析（FEA）工具是至关重要的。Abaqus长期以来一直是达索系统公司用于结构分析的基础工具，包括复杂的非线性问题。在过去的十年中，公司通过PowerFLOW和CST Studio Suite扩展了其能力，包括计算流体动力学（CFD）和电磁场模拟。

 

所有这些技术都集成在一个平台上： 3DEXPERIENCE 平台。该平台提供了一种创新的方法来执行电池单元工程仿真，允许不同类型的仿真之间无缝过渡。因此，工程师可以确保每个组件在整体系统中最佳运行，提高电动汽车的安全性和效率。

 

电动汽车技术的进步在电池设计方面带来了独特的挑战，需要创新的方法来解决性能、安全性和集成问题。

 

电池技术中的挑战与考量

 

 

电池设计与管理

电动汽车主要涉及三个关键组件的整合：

电池作为主要电源。

电动驱动装置推动车辆。

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。工程师必须从材料选择和电池单元的配置到先进冷却系统的整合进行考虑。例如，系统必须保持小于两度的温度梯度。这个严格的要求有助于防止过热并确保电池在理想的热范围内运行。

 

电池提供电力的能力至关重要，因为它为车辆内的电动驱动和辅助系统（如供暖、通风和空调系统）供电。它必须在管理热负荷的同时适应不同的电压要求，这可能会增加电阻和应力。在制造前进行模拟对于识别和减轻潜在故障至关重要，以确保电动汽车的电池系统坚固可靠。

与笨重的内燃机不同，电池在车辆内的布局更加灵活，提供了更大的结构灵活性。通常放置在汽车地板上，它们优化了空间并改变了重心。这导致了底盘设计的必要调整，尤其是因为电池很重，显著影响了重量分布。

 

暖通空调系统在乘坐舒适度中起着至关重要的作用，它依赖于电池供电。暖通空调的能源需求取决于天气状况，可能会影响电动汽车的续航里程和性能。因此，仔细考虑电池效率和容量是至关重要的。

 

将电池系统整合到车辆结构中会带来额外的设计考虑，包括重量分布、结构调整和热管理。

车辆架构中的关键考虑事项

 

设计创新：为了满足汽车工业的需求，需要创新的设计方法。各公司在方法上有所不同；有些公司保留传统结构，而另一些公司则通过新的电动汽车架构进行创新。

 

设计模拟：多样的设计策略突显了模拟在评估不同建筑方案的性能和适用性方面的重要性。

电池单元类型：汽车制造商对电池单元类型（圆柱形、软包、方形）的偏好影响电池模块和电池组的设计、布局和可制造性。

 

快速模拟和分析：加速模拟工作流程在实现更快速的数据驱动车辆设计改进中至关重要。

系统化的工程工作流程，从材料级模拟到车辆级集成，是系统性地应对这些挑战的必要条件。

 

电池单元工程工作流程

图1：电池工程工作流程

 

达索系统提供技术，使电池系统的设计和开发成为可能，从分子水平开始，延伸到整个车辆性能。工程师可以使用各种化学成分在分子水平上创建和配方用于电极等组件的材料。我们的姐妹品牌BIOVIA增强了这种能力，促进分子水平的模拟。

 

从这些材料中推导出的特性可以应用于连续体级别的模拟。这种方法扩展到细胞、模块和电池组级别的模拟，优化电池系统的设计、性能和效率。在电池细胞级别采用不同的方法来应对工程挑战，并将这些方法延伸到模块和电池组级别，以提供全面的解决方案。

 

1D模拟有助于评估电池系统在功率或电压要求方面的性能，同时整合电池管理系统以实现有效的热控制。像Dymola这样的工具通过进行1D系统级模拟来分析整个系统性能。

 

电池管理系统（BMS）确保最佳运行和使用寿命。它管理充电周期，监测电池健康状况，并通过热管理提供安全保护。最后，优化的电池设计被集成到整个车辆模型中，以识别和解决与电池无关的问题。

 

在这个博客中，我们将重点介绍电池单元设计的关键工作流程，这些工作流程都属于电池单元工程的范畴。

 

工程工作流程始于电池单元的设计和分析，重点是安全、结构完整性和运行条件下的性能。

 

1. 电池单元设计、分析及安全考虑

图2：电池单元工程方法

 

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

 

为了设计高效的电池单元，必须考虑适当的运行条件影响，例如温度、离子流动、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，帮助工程师在各种条件下验证和提升电池单元的性能，解决电化学、热、结构等多个物理问题。我们将在后续章节中讨论其中的一些方法。

 

电化学性能分析是理解充放电循环、热行为和电池内材料相互作用的关键步骤。

 

2. 电化学性能分析

 

在电池单元工程中，分析电化学性能至关重要。电池的性能高度依赖于反复充放电循环的影响，这会导致电池容量随时间的下降。对离子和电子在细胞内运动的详细评估，影响温度分布，为阳极、阴极和隔膜的放置提供决策依据。

 

该分析研究了微观和宏观尺度的扩散、热电损失以及充放电效应。Abaqus/Standard中可以使用多孔电极理论 (PET) 进行电化学分析，基于一种简化的Newman型方法，该方法简化了复杂的孔隙几何形状。

 

在宏观尺度上，多孔电极被建模为由已知体积分数的活性固体电极颗粒相和液体电解质溶液相叠加的均匀介质。在微观尺度上，假定是一堆球形颗粒，并求解其上的（非线性）锂离子扩散模型。导电粘合剂将固体颗粒连接在一起，形成固体电极相。

 

图3: 耦合热电化学分析 – SIMULIA用户帮助2025

 

由于与其它电池类型相比具有多种优势，锂离子电池已成为电动汽车中可充电电池的支柱。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。充电时，锂离子通过电解质嵌入。同时，电子流经外部电路，突显了锂离子在宏观尺度上的扩散和电子在微观尺度上的扩散的二重性。相反，放电时，这些过程会逆转，强调了研究离子和电子运动以评估整体电池性能的重要性。

 

电化学过程中的所有阶段（微观尺度、宏观尺度扩散和嵌入）都在Newman的模型中得到了数值模拟。从三维Newman模型推导出的 governing 方程是这个过程的核心，该过程使用耦合热和电化学过程来模拟电池行为。

 

该模型使我们能够研究在不同的充电率、电压和电流特性下的温度分布。充电率在电池性能中起着至关重要的作用。充电率，定义为“C”，直接影响温度产生和电池磨损。例如，1C的充电率意味着电池在一小时内完全充电，而2C的充电率将时间减半。然而，较高的充电率可能导致显著的温度产生，带来安全风险，而较低的充电率虽然提供更均匀的温度分布，但需要更长的充电时间。因此，充电时间和温度产生率之间需要进行权衡。 

 

此外，由于产热和充电速率，电压特性变化也可以被研究。基于输入信息，此分析可以选定最有效的电池类型（如，圆柱电池、软包电池等）以及电极的正确放置。

 

高级Newman模型包括称为耦合温度-位移电化学分析的位移效应。这使得可以检查由温度变化引起的体积应变。基于三维Newman模型的这种分层方法，通过提供关于锂离子浓度、体积应变、温度分布和不同电池类型中电位变化的见解，有助于优化电池充电策略。此外，还可以用于分析诸如肿胀引起的电解质流动、孔隙率演变、肿胀引起的应力、三维电极结构等现象。

 

一种通用的工作流程简化了电化学性能分析过程，使得在不同条件下高效评估电池行为成为可能。

 

电化学性能的通用工作流程

图4：圆柱形电池P4D几何体创建

 

由于细胞成分的薄层，通常无法直接对细胞进行3D分析并准确表示细胞。通常，电化学性能分析从对细胞成分的简单表示开始。

 

一个简化细胞组件表示的P2D（准二维）模拟以平面表示细胞组件。这个过程包括在三维中保持阳极、阴极和隔膜的准确体积分数。一旦P2D模型设置完成，材料参数将根据测试数据和Newman的模型进行校准，以确保现实的电化学特性模拟。然后，从P2D模拟中得到的校准材料模型被应用于详细的三维有限元（FE）建模，名为P4D模拟，以评估所需输出。这种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拟。

 

图5：电化学分析结果

 

除了电化学特性之外，还必须评估电池单元的机械性能，以确保在负载条件下的强度、刚度和耐久性。

 

3. 强度、刚度和耐久性分析

图6：电池组件的机械应变

 

评估电池设计涉及多个步骤，包括检查电化学特性并评估刚度和强度。此评估使用一个特别开发的子程序，以解决由于荷电状态 (SoC) 变化引起的电池膨胀或肿胀问题。

 

不同的SoC会在电池中引起不同的膨胀行为。这些行为在用户子程序中进行了数值建模，以便直接应用。这种方法明确针对由离子转移引起的循环膨胀问题。

 

进一步的分析涉及强度和刚度，考虑外部载荷，如轴向压缩，三点弯曲，径向压缩和冲击。目的是在这些载荷条件下测量产生的反应力，以指导细胞设计决策。

 

为了应对计算挑战，应用模型降阶技术，从而在保持准确性的同时进行高效模拟。

 

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，一个电池单元包括多个层次，包括阳极、阴极和隔膜。在2D或3D中对这些组件进行建模时，产生的元素数量可能会变得相当多，从而增加计算时间。通过应用模型降阶技术可以解决这一挑战，这显著减少了模型的大小。这种减少是通过使用经验测试数据来校准电池材料的属性实现的，而不是依赖于详尽的详细建模。

 

先进的校准技术通过将模拟参数与经验测试数据对齐来完善材料模型，确保在各种工作条件下都能准确预测。

 

细胞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，如Isight（或3DExperience Platform上的Process Composer App）将单元材料的行为与经验数据对齐。这涉及调整所选塑性模型（例如，各向异性或Hill塑性）中的参数，以匹配测试结果。校准过程包括进行标准测试（径向、三点弯曲、压入和轴向压缩测试），并将结果与Abaqus等工具的模拟输出进行比较。通过改变常量，微调模拟结果，直到它们与测试数据对齐。

 

随后，通过引入一个场变量，材料模型考虑了荷电状态（SoC）的依赖性，从而有效地修改了材料模型，使其包含与SoC相关的指数（m）。这种调整确保了模拟模型在不同SoC下准确再现测试结果。为了考虑应变率依赖性，材料模型得到了改进，使模拟结果与特定应变率的实验数据相一致。

 

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彻底分析，并使用先进的建模技术来最小化计算需求。通过仔细地将材料特性与经验数据进行校准，并结合对荷电状态（SoC）和应变率的依赖性，该方法承诺提供准确可靠的电池性能预测。在这种情况下，单缸对电池的表示是足够的（消除了大量的预处理并减少了自由度），因为材料是用精确的材料进行校准的。

 

了解退化机制，包括日历老化和循环老化，对于预测容量衰减和优化电池设计以提高寿命至关重要。

 

6. 退化：日历和周期性机制

电池退化源于日历老化，受时间和储存条件影响，以及循环老化，在反复的充放电循环中积累。这些机制导致容量衰减、内阻增加和电池内部的机械应力。

 

在材料层面上，其中一个关键的退化机制是固体电解质界面（SEI）的形成和生长。虽然SEI最初是保护性的，但它在循环过程中不断演变。活性颗粒表面的裂缝暴露出新鲜材料，导致SEI在表面裂缝内生长，这进一步消耗了锂库存并导致容量衰减。此外，SEI的积累减少了电极的孔隙率和活性表面积，从而阻碍离子运输并减慢反应动力学。

 

SIMULIA的仿真环境使耦合电化学-热-机械建模方法成为可能，其中可以将SEI演变、锂镀层和应力诱导裂纹等退化途径整合到设计过程中。通过在电池内空间上解决这些效应，工程师可以评估不均匀的老化行为并识别局部性能瓶颈。

 

这些见解直接应用于可靠性驱动的设计决策，例如对热管理、电极结构和充放电协议的优化。鉴于高保真老化模型的计算成本，模型降阶（MOR）技术使这些详细模型能够被简化——保留关键的退化行为，同时在系统级别实现更快速的仿真，包括电池管理系统（BMS）的集成和控制策略的开发。

 

热管理策略对于减轻退化效应并确保在各种工作温度范围内性能一致至关重要。

 

电池单元的热管理

 

 

一个电池的热行为显著影响其性能，温度升高会导致效率大幅下降。因此，保持最佳温度范围确保了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久性所需的重要见解和功能，突显了热管理在电池技术中的重要性。

 

将电学和热学建模相结合，为优化电池设计提供了一个全面的框架，同时考虑热学和电学行为的相互依赖性。

 

综合电热建模以增强电池设计

 

 

在当代电池技术的发展中，电热现象的相互依赖至关重要。准确建模需要将电热模型结合，以避免精度损失。计算流体动力学 (CFD) 工具如PowerFLOW启用同时建模，使用电压和电流数据生成用于温度、电阻和荷电状态（SoC）的响应曲面。这种方法通过等效电路模型（如Newman、Tiedemann和Gu (NTG) 以及国家可再生能源实验室（NREL））来纳入温度效应，从而促进系统级更新。该方法允许精确计算温度分布，这对于评估和优化电池设计参数（如焊料尺寸、位置、电池面积和收集器厚度）至关重要。这种集成仿真方法旨在设计能够承受各种负载条件的电化学电池，确保其在运行环境中的性能和安全性。

 

 

图9：不同热电偶位置的温度分布和电流分布

 

结论

在本博客中，我们讨论了电动汽车电池细胞工程中的关键方法，强调了一种综合模拟方法，将电化学、电气和热分析结合在一起。这确保了电池细胞在各种服务条件下既强大又可靠，同时优先考虑安全。我们邀请您访问我们的录制会议这里，以更深入地了解电池工程。此外，您还可以查看我们之前发布的关于电池组和模块的博客这里和电池细胞这里，以获取更多有关电动汽车生态系统的见解。