文|張丞

編輯|石亞瓊

封面來(lái)源｜ICphoto

(資料圖)

前言

本文是智能制造系列研究的第三篇，前面《智能制造走向深水區(qū)》提出裝備和工藝智能化和仿真促進(jìn)正向設(shè)計(jì)是智能制造發(fā)展的兩個(gè)重點(diǎn)，《鋰電裝備二十年進(jìn)化史》以鋰電產(chǎn)業(yè)中鋰電設(shè)備的行業(yè)發(fā)展為例，梳理總結(jié)了裝備制造業(yè)自身的發(fā)展規(guī)律以及對(duì)下游行業(yè)的支撐作用。本文我們?nèi)詫⒁凿囯姵匦袠I(yè)為例，闡述仿真技術(shù)在鋰電池行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)、仿真將如何促進(jìn)正向設(shè)計(jì)等方面，并希望和讀者朋友們探討國(guó)內(nèi)鋰電池CAE軟件未來(lái)發(fā)展的突破口。

當(dāng)企業(yè)進(jìn)行原創(chuàng)性的研發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)，特別是整個(gè)產(chǎn)品體系需要從頭創(chuàng)新或有很大變革時(shí)，就需要根據(jù)需求目標(biāo)進(jìn)行正向產(chǎn)品設(shè)計(jì)，通常會(huì)需要耗費(fèi)大量的物料和人力進(jìn)行制樣測(cè)試，仿真的意義和作用就在于幫助企業(yè)盡可能減少制樣測(cè)試的次數(shù)，避免盲目試錯(cuò)，獲得更優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。仿真軟件的發(fā)展是以人為核心，圍繞著幫助仿真工程師以及非專業(yè)相關(guān)人員更好、更快地正向設(shè)計(jì)出最佳的產(chǎn)品工藝方案這個(gè)核心。

工業(yè)仿真軟件的涌現(xiàn)依賴于制造業(yè)的發(fā)展，一個(gè)新興制造業(yè)的發(fā)展必將帶動(dòng)相關(guān)設(shè)計(jì)仿真技術(shù)的進(jìn)步，從而孕育出新興工業(yè)軟件，而設(shè)計(jì)仿真的進(jìn)步又將反過(guò)來(lái)推進(jìn)行業(yè)整體的發(fā)展。目前鋰電池發(fā)展已經(jīng)出現(xiàn)了多條技術(shù)路線，對(duì)能量密度、功率密度、壽命及安全性的要求越來(lái)越高，而耗時(shí)長(zhǎng)、成本高的實(shí)驗(yàn)試錯(cuò)研發(fā)方法越來(lái)越難以適應(yīng)下游市場(chǎng)的需求，因此需要在設(shè)計(jì)仿真方面實(shí)現(xiàn)較大的突破。同時(shí)，我們注意到電化學(xué)理論仍在不斷發(fā)展，一些相對(duì)新興的數(shù)值模擬算法也逐漸應(yīng)用到鋰電池仿真領(lǐng)域，這些條件為國(guó)內(nèi)鋰電池CAE仿真軟件的發(fā)展提供了較為有利的條件。

下文中我們將先從鋰電池仿真技術(shù)現(xiàn)狀和前沿發(fā)展趨勢(shì)展開，接著分析開發(fā)CAE軟件所需具備的功能特點(diǎn)以及CAE軟件當(dāng)前的發(fā)展趨勢(shì)，并結(jié)合以上兩方面詳細(xì)闡述國(guó)內(nèi)鋰電池CAE軟件未來(lái)發(fā)展的突破口。文章結(jié)構(gòu)要點(diǎn)如下：

現(xiàn)有鋰電池仿真技術(shù)現(xiàn)狀及相關(guān)商業(yè)軟件 鋰電池仿真技術(shù)前沿發(fā)展趨勢(shì) 多尺度仿真 數(shù)值模擬算法 CAE仿真軟件發(fā)展趨勢(shì) 功能和架構(gòu) 多物理場(chǎng)耦合、多尺度仿真 全流程協(xié)同 云仿真及SaaS 國(guó)內(nèi)鋰電池CAE仿真軟件的突破口 建模及數(shù)值模擬 工程經(jīng)驗(yàn)積累 開源是否適用于國(guó)內(nèi)CAE仿真軟件發(fā)展 鋰電池CAE仿真軟件市場(chǎng)分析 展望

一、鋰電池仿真技術(shù)現(xiàn)狀及相關(guān)商業(yè)軟件

目前鋰電池仿真模型主要為以Newman偽二維（P2D）模型為主的電化學(xué)模型、等效電路模型和熱電耦合模型這三大類，此外還包括電化學(xué)-力學(xué)耦合模型等。

其中以Newman偽二維（P2D）模型為代表的電化學(xué)模型主要用于電極與單體電芯的設(shè)計(jì)和性能仿真，通過(guò)一系列偏微分方程組來(lái)描述鋰離子電池內(nèi)部發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)，包括鋰離子固液兩相擴(kuò)散、電解質(zhì)中鋰離子的遷移、固液界面的電荷轉(zhuǎn)移等過(guò)程。P2D模型包括以下6個(gè)方程：

基于Fick第二定理的固相擴(kuò)散方程 液相擴(kuò)散方程 固相電勢(shì)方程 液相電勢(shì)方程 電荷守恒方程 Bulter-Volmer動(dòng)力學(xué)方程

等效電路模型是將電池簡(jiǎn)化為電路網(wǎng)絡(luò)來(lái)描述電池，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，參數(shù)辨識(shí)復(fù)雜度和計(jì)算量小，是目前電池管理系統(tǒng)開發(fā)和電池在線狀態(tài)估計(jì)領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的模型。

熱電耦合模型，是充分考慮了電池產(chǎn)熱溫度對(duì)電化學(xué)過(guò)程的影響，可以對(duì)電池電化學(xué)過(guò)程和性能進(jìn)行更精準(zhǔn)的模擬，可以用于電池單體、電池模組的熱管理仿真。

目前市場(chǎng)上的鋰電池仿真軟件內(nèi)置的機(jī)理模型大都包括以上三種仿真模型。主流的仿真軟件包括COMSOL、Autolion、西門子的BDS和star-CCM+、達(dá)索的Abaqus以及ANSYS Fluent。下面將簡(jiǎn)要介紹這些軟件。

COMSOL

COMSOL是一款可以實(shí)現(xiàn)多物理場(chǎng)耦合仿真的軟件，電化學(xué)建模方式包括基于均質(zhì)多孔電極結(jié)構(gòu)的模型和基于非均質(zhì)的模型，可以建立從零維到三維的電化學(xué)模型（或者稱之為準(zhǔn)三維模型），可以建立從極片級(jí)別到電芯級(jí)別到模組級(jí)別甚至到系統(tǒng)級(jí)別的仿真，并且可以和溫度場(chǎng)、流場(chǎng)耦合，同時(shí)軟件也包括了等效電路模型。

值得一提的是，COMSOL軟件具有自定義控制方程的功能，這對(duì)于做鋰電池的仿真是很有必要的，比如容量衰減機(jī)理目前可能還沒(méi)有一些定論，沒(méi)有非常標(biāo)準(zhǔn)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ突蛘叻匠棠Ｐ腿ッ枋鲞@個(gè)過(guò)程，這時(shí)仿真人員可以根據(jù)自身的經(jīng)驗(yàn)或者查閱文獻(xiàn)自定義添加修改控制方程進(jìn)行仿真求解[1]。

COMSOL軟件建模方法

Autolion

該軟件原先屬于EC Power公司，后被Gamma Technologies公司收購(gòu)。EC Power創(chuàng)始人王朝陽(yáng)博士是賓夕法尼亞州立大學(xué)終身講座教授，目前正在研究鋰電池驅(qū)動(dòng)的飛行汽車。AutoLion建模方式包括了經(jīng)典的電化學(xué)模型、等效電路模型，同時(shí)還提供一個(gè)電化學(xué)-力耦合的膨脹模型，該模型能夠預(yù)測(cè)電池因活性顆粒材料在鋰化過(guò)程中產(chǎn)生膨脹導(dǎo)致內(nèi)部應(yīng)力變化的情況。AutoLion還配置了電化學(xué)材料數(shù)據(jù)庫(kù)，以此減輕實(shí)驗(yàn)室測(cè)試電化學(xué)性能的負(fù)擔(dān)。

BDS及STAR-CCM+

BDS軟件功能

Battery Design Studio簡(jiǎn)稱BDS，BDS是一款電芯設(shè)計(jì)軟件。BDS的特點(diǎn)是，在電極層面支持輸入基于SEM掃描重構(gòu)幾何模型和隨機(jī)構(gòu)建的虛擬幾何建模，

同時(shí)BDS還可以與STAR-CCM+中的BSM模塊聯(lián)合實(shí)現(xiàn)電化學(xué)和流/固體傳熱的雙向強(qiáng)耦合分析，可以用于涂布輥壓工藝仿真和熱管理仿真。STAR-CCM+的流體仿真功能也支持模組和系統(tǒng)級(jí)別的設(shè)計(jì)需求。

與COMSOL不同的是，BDS不支持用戶自定義修改控制方程，模型是固定好的，所以對(duì)于鋰電池這個(gè)機(jī)理模型還在不斷發(fā)展的領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，用戶使用的友好度和適用性就相對(duì)弱了一些。

達(dá)索

達(dá)索電池相關(guān)仿真軟件

達(dá)索由于過(guò)往收購(gòu)的工業(yè)仿真軟件很多，因此能拿出來(lái)很多不同軟件形成一套從電芯到模組到系統(tǒng)級(jí)別的仿真解決方案。電芯設(shè)計(jì)方面是由Abaqus支持，Abaqus最新版本中的電化學(xué)模型是基于擴(kuò)展的三維多孔電極理論 Porous Electrode Theory（PET） Newman本構(gòu)模型。Abaqus本身在結(jié)構(gòu)物理場(chǎng)上優(yōu)勢(shì)也在鋰電池仿真中加以應(yīng)用，可以通過(guò)熱-電化學(xué)-結(jié)構(gòu)多物理場(chǎng)耦合來(lái)對(duì)電芯3D模型的熱電化學(xué)結(jié)構(gòu)特性提供定量的仿真模擬，預(yù)測(cè)電芯的溫度、電流、變形之間的耦合效應(yīng)，避免電芯變形過(guò)大造成內(nèi)部短路，還可以對(duì)電池模組、電池包的振動(dòng)和沖擊、跌落進(jìn)行分析。PowerFLOW可以對(duì)動(dòng)力電池的熱管理問(wèn)題進(jìn)行瞬態(tài)精確模擬。

ANSYS

ANSYS電池仿真軟件

ANSYS強(qiáng)項(xiàng)在結(jié)構(gòu)力學(xué)和熱管理的流體仿真，對(duì)于電芯本身的電化學(xué)反應(yīng)仿真能力相對(duì)而言較為薄弱，沒(méi)有提供獨(dú)立的電芯仿真軟件。在流體仿真用于熱管理方面，ANSYS可以提供ROM降階模型以縮短仿真計(jì)算時(shí)間，精度與經(jīng)典的三維CFD方法接近，對(duì)于設(shè)計(jì)控制策略和開發(fā)BMS系統(tǒng)有較大幫助。

小結(jié)：總體上看，現(xiàn)有電池仿真軟件仿真覆蓋的尺度多集中在電芯及模組系統(tǒng)方面，對(duì)于電化學(xué)過(guò)程的仿真能力上存在一定的瓶頸，在業(yè)界部分設(shè)計(jì)實(shí)踐過(guò)程中很難提供有效的指導(dǎo)，而突破這些瓶頸需要結(jié)合鋰電池電化學(xué)模型的理論創(chuàng)新來(lái)實(shí)現(xiàn)。下面我們就會(huì)介紹鋰電池仿真技術(shù)前沿發(fā)展趨勢(shì)。

二、鋰電池仿真技術(shù)前沿發(fā)展趨勢(shì)

多尺度仿真

現(xiàn)有的電池研發(fā)方式是以實(shí)驗(yàn)為主導(dǎo)的，通常需要耗費(fèi)大量的人力、物料、測(cè)試機(jī)器等成本，測(cè)試和驗(yàn)證的周期很長(zhǎng)。同時(shí)，現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)試錯(cuò)方法很難完全控制某個(gè)單一變量,也很難考慮到多個(gè)因素共同作用下的影響機(jī)制。而鋰離子電池本身是一個(gè)復(fù)雜的電化學(xué)系統(tǒng)，電池性能受到多個(gè)尺度、多個(gè)物理場(chǎng)內(nèi)不同因素的影響，而且這些因素往往是互相耦合的。

因此，提高鋰離子電池的性能、合理優(yōu)化電池材料和結(jié)構(gòu)上的設(shè)計(jì)，就需要系統(tǒng)地研究電池內(nèi)部各物理場(chǎng)的耦合作用機(jī)理，從多尺度范圍上深入理解電池運(yùn)行機(jī)理，建立數(shù)學(xué)物理模型，并通過(guò)數(shù)值模擬仿真技術(shù)，在電池材料本征特性（微觀原子、分子層面）、活性材料顆粒、極片、電芯以及電池模組、電池包多個(gè)尺度上進(jìn)行仿真模擬和設(shè)計(jì)優(yōu)化。

下圖展示了從材料探索到系統(tǒng)設(shè)計(jì)的多尺度設(shè)計(jì)和模擬[2]。

圖 鋰離子電池多尺度設(shè)計(jì)和模擬概況[2]

宏觀尺度上電池模組、電池包及系統(tǒng)的仿真模擬發(fā)展相對(duì)成熟，下文中我們重點(diǎn)探討微觀尺度和介觀顆粒尺度以及電芯尺度上的前沿進(jìn)展。

微觀尺度上，原子、分子層面主要采用的理論方法包括基于密度泛函理論的第一性原理計(jì)算（DFT）、分子動(dòng)力學(xué)（MD）、蒙特卡洛模擬、相場(chǎng)模擬等。

其中，DFT常用于計(jì)算電極材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、嵌鋰電位、遷移路徑及鋰離子傳輸動(dòng)力學(xué)和脫嵌鋰相變等性質(zhì)[3]。但是目前可以模擬的原子數(shù)量較少，和實(shí)際情況的匹配度還不夠高。

分子動(dòng)力學(xué)可以獲得原子的位置和運(yùn)動(dòng)速度等信息，可以揭示材料中離子的擴(kuò)散機(jī)制，特別是在探測(cè)電解液溶劑化結(jié)構(gòu)方面具有天然優(yōu)勢(shì)，而離子電導(dǎo)率和介電常數(shù)也與電解液結(jié)構(gòu)相關(guān)[4]。因此目前業(yè)界會(huì)使用分子動(dòng)力學(xué)等方法來(lái)進(jìn)行新型電解液開發(fā)時(shí)的初次篩選，即先確定一個(gè)大致的范圍，之后再通過(guò)實(shí)驗(yàn)等方法進(jìn)行精細(xì)的篩選，一定程度上縮短了電解液的研發(fā)設(shè)計(jì)流程和周期，可以節(jié)省一定的研發(fā)成本。但目前仍然要解決計(jì)算模擬成本較高、界面反應(yīng)機(jī)理模擬仍很有限等問(wèn)題。

在原子分子層面的計(jì)算材料模擬，國(guó)內(nèi)不少高校課題組開展了很多工作，有的也開發(fā)出相應(yīng)的仿真模擬軟件，比如北大深研院潘鋒教授團(tuán)隊(duì)自主開發(fā)了基于 GPU 高通量計(jì)算集群的第一性原理計(jì)算程序 PWmat，相比于VASP軟件，計(jì)算速度更快[5]；華東理工大學(xué)團(tuán)隊(duì)開發(fā)的軟件可以介入電極電解液界面反應(yīng)的尺度，幫助篩選電解液[6]。

從顆粒尺度上看，在材料開發(fā)和改性的基礎(chǔ)上，材料組分已經(jīng)確定的情況下，優(yōu)化電極的介觀結(jié)構(gòu)成為提高電極及電池性能的方法途徑之一。因?yàn)榧幢闶峭环N類的正負(fù)極材料, 如果材料的微觀結(jié)構(gòu)不同，宏觀上表現(xiàn)出來(lái)的電池性能也會(huì)不同。

如果想要深入研究電極結(jié)構(gòu)對(duì)性能的影響，憑借現(xiàn)有的P2D模型無(wú)法做到。因?yàn)镹ewman的P2D模型的假設(shè)基于體積平均法，這種方法對(duì)電極復(fù)雜微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，將鋰離子電池多孔電極固液兩相看做一種均勻介質(zhì)，這使得模型忽略了電極內(nèi)部反應(yīng)速率不均勻性等問(wèn)題，仿真的范圍受到限制，因此無(wú)法進(jìn)一步探究多孔電極介觀微結(jié)構(gòu)對(duì)電池性能的影響。

目前許多介觀的電極結(jié)構(gòu)模型和表征成像技術(shù)陸續(xù)被開發(fā)出來(lái)[7]。模型構(gòu)建方法一般分為兩類，一類是把電極顆粒采用隨機(jī)堆疊方式構(gòu)建出虛擬電極結(jié)構(gòu)，逐步逼近電極真實(shí)結(jié)構(gòu)，一般被稱為顆粒堆疊模型，隨機(jī)堆疊方法包括蒙特卡洛法等。FANG利用非均相的電極結(jié)構(gòu)來(lái)計(jì)算等效參數(shù)，提出了擴(kuò)展均相多孔電極模型，可以建立負(fù)極區(qū)域顆粒粒徑分布與電池倍率性能之間的關(guān)系，并且因?yàn)闆](méi)有直接基于非均相結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真，節(jié)省了計(jì)算周期和成本[8]。類似的，還有研究建立了二維的團(tuán)聚體顆粒堆疊半電池模型[9]。

另一類是基于高精度層析成像技術(shù)如nano-CT、SEM等，獲取真實(shí)的電極二維形貌圖像后再重構(gòu)出電極材料的三維微觀結(jié)構(gòu)，一般被稱為幾何重構(gòu)模型。三維幾何重構(gòu)模型可以考察電極孔隙率和曲折系數(shù)的關(guān)系，探究不同的孔隙率對(duì)鋰離子傳輸過(guò)程的影響[10]。

此外，還可以借助相場(chǎng)模型在電極顆粒尺度研究鋰離子嵌入和脫出過(guò)程中的傳輸行為、應(yīng)力變化規(guī)律，這對(duì)設(shè)計(jì)優(yōu)化電極微結(jié)構(gòu)來(lái)提升電極的倍率性能，即快充性能具有重要指導(dǎo)意義[11]。

通過(guò)材料顆粒尺度的三維重構(gòu)結(jié)合鋰離子電池電化學(xué)模型，可以更直觀的研究鋰離子的濃度分布、電勢(shì)分布與電極介觀微結(jié)構(gòu)間的關(guān)系，相較于P2D模型其仿真結(jié)果更加貼近實(shí)際。比如構(gòu)建包含顆粒尺度的三維異構(gòu)電化學(xué)-機(jī)械模型，該模型能夠同時(shí)考察顆粒尺度以及電極尺度中的電化學(xué)-機(jī)械耦合過(guò)程，可以輔助不同材料體系下活性顆粒和電極層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[12]。同時(shí)由于考慮到顆粒尺度，這種基于顆粒尺度的電化學(xué)模型可以更好地和制程工藝相結(jié)合。

已有研究系統(tǒng)梳理了電極結(jié)構(gòu)的孔隙率、迂曲度以及導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑分布會(huì)如何影響電極和電池的電化學(xué)性能，總結(jié)了微結(jié)構(gòu)-工藝-性能的關(guān)聯(lián)關(guān)系，以及用哪些方法來(lái)優(yōu)化電極介觀微結(jié)構(gòu)[13,14]。

圖 鋰離子電池電極制造工藝-微結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系[14]

但更為關(guān)鍵的是，需要建立電池性能與電極微結(jié)構(gòu)以及工藝參數(shù)之間模型化的表達(dá)，比如正負(fù)極材料特征參數(shù)（顆粒結(jié)構(gòu)、D10/D50/D90粒徑指標(biāo)、石墨負(fù)極的焦原材料等）、極片結(jié)構(gòu)參數(shù)（極片孔隙率、孔隙分布、曲折度）與電池倍率性能、能量密度、循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)聯(lián)，能否建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)物理模型，并以此為基礎(chǔ)開發(fā)一套仿真軟件系統(tǒng)或者叫平臺(tái)，來(lái)系統(tǒng)地指導(dǎo)材料選型與電極設(shè)計(jì)。

這方面歐洲的Alejandro A. Franco團(tuán)隊(duì)做了一系列的工作，建立了一個(gè)模擬鋰離子電池制造過(guò)程并預(yù)測(cè)其電化學(xué)性能的多尺度仿真平臺(tái)。該仿真平臺(tái)涵蓋了電極介觀結(jié)構(gòu)生成、網(wǎng)格劃分、有限元或有限體積以及格子玻爾茲曼（LBM）和離散元（DEM）的數(shù)值模擬仿真應(yīng)用[15]。

該平臺(tái)采用粗?；肿觿?dòng)力學(xué)（CGMD，coarse grained molecular dynamics）模型用于漿料制備和電極干燥過(guò)程介觀結(jié)構(gòu)的生成，從電極制備工藝追溯模擬電極介觀的生成，而不是通過(guò)前述的兩類模型構(gòu)建方法，因?yàn)槌上窦夹g(shù)或者模擬產(chǎn)生的介觀結(jié)構(gòu)并不是電極的全貌，一般都是根據(jù)電極樣品的平均特性來(lái)表征電極特征。而且CGMD模型考慮了活性顆粒（AM）和碳膠相顆粒（CBD），可以評(píng)估CBD的空間位置及其對(duì)鋰離子傳輸效果這兩點(diǎn)對(duì)于整體電化學(xué)性能的影響[16]。

圖 多尺度仿真平臺(tái)

干燥后的電極介觀結(jié)構(gòu)會(huì)再通過(guò)離散元法（DEM）來(lái)模擬輥壓工藝過(guò)程、LBM（Lattice Boltzmann Model）來(lái)模擬注液過(guò)程，分析輥壓和注液對(duì)電極介觀結(jié)構(gòu)的影響，包括孔徑分布、迂曲度和顆粒排列等。最后，利用有限元或有限體積法進(jìn)行單體電芯尺度上的電化學(xué)仿真。如此基于3D電極介觀結(jié)構(gòu)建立電化學(xué)模型，可以分析電極輥壓程度和注液過(guò)程對(duì)宏觀電化學(xué)行為的影響，可以建立輥壓和注液工藝、電極介觀結(jié)構(gòu)及電池整體性能之間的聯(lián)系。從而幫助設(shè)計(jì)優(yōu)化材料選型、電極結(jié)構(gòu)和工藝過(guò)程[17,18]。

Alejandro A. Franco團(tuán)隊(duì)還開發(fā)了電池?cái)?shù)值模擬前處理中的網(wǎng)格劃分工具，該工具內(nèi)置了基于MATLAB開發(fā)的體素化網(wǎng)格劃分算法，可以將輸入的三維電極介觀結(jié)構(gòu)（無(wú)論是掃描還是重構(gòu)得到的）離散成若干個(gè)四面體網(wǎng)格，之后網(wǎng)格可以輸入到COMSOL中進(jìn)行宏觀尺度上的有限元仿真模擬。INNOV劃分網(wǎng)格時(shí)可以充分考慮孔隙以及活性材料顆粒（AM）和碳膠相顆粒（CBD）的狀態(tài)，而不是簡(jiǎn)單的把AM和CBD簡(jiǎn)化為一個(gè)相。INNOV還可以用來(lái)生成全固態(tài)電池的結(jié)構(gòu)模型[19,20]。

圖 INNOV網(wǎng)格劃分算法工作流程

此外，該團(tuán)隊(duì)還綜合利用DoE試驗(yàn)設(shè)計(jì)（Design of Experiement）、仿真模型和機(jī)器學(xué)習(xí)算法的混合建模方法，來(lái)預(yù)測(cè)材料、電極制造和電池性能之間的最佳組合。即將DoE試驗(yàn)和仿真模型得到的結(jié)果，經(jīng)過(guò)一個(gè)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的隨機(jī)電極介觀結(jié)構(gòu)生成器擴(kuò)大樣本，再將這些樣本用于訓(xùn)練機(jī)器學(xué)習(xí)算法，以求得到制造工藝參數(shù)與電極性能之間的關(guān)系。有效評(píng)估輥壓壓力、電極組分和初始孔隙率對(duì)極片孔隙曲折度、離子/電子電導(dǎo)率等電極微結(jié)構(gòu)特征的影響，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)其對(duì)電池電化學(xué)性能的作用規(guī)律[21]。

單體電芯尺度上，可以結(jié)合前述顆粒尺度模型進(jìn)行全極片的仿真分析，分析極片層級(jí)的不均勻性對(duì)電池?zé)岱植?、壽命及安全性的影響。針?duì)電池?zé)峁芾恚⒏弑Ｕ娑鹊碾娀瘜W(xué)-熱耦合仿真模型，以此進(jìn)行電池結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及其熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)。此外，為了深入了解電池老化機(jī)制，學(xué)界也在持續(xù)構(gòu)建新的電化學(xué)-力學(xué)耦合模型和析鋰模型等。

小結(jié)：

提升鋰電池正向設(shè)計(jì)能力需要從材料-結(jié)構(gòu)-工藝-性能這個(gè)四面體關(guān)系出發(fā)。材料基因組、DFT、MD等方法更多是從材料本征特性出發(fā)，篩選出新型正負(fù)極、電解液以及粘結(jié)劑等材料，開發(fā)新的化學(xué)材料體系，滿足新型電池能量密度、功率或者安全性上的要求。顆粒尺度則更多是從電極微觀結(jié)構(gòu)出發(fā)提高電池整體性能，并且可以與加工工藝結(jié)合，優(yōu)化工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)與制造兩端協(xié)同優(yōu)化。

之前所提到的COMSOL等多個(gè)商業(yè)仿真軟件都是在單體電芯及模組和電池包這些宏觀尺度上運(yùn)用有限元FEM、有限體積FVM等方法進(jìn)行仿真模擬。而鋰電池仿真模擬的前沿方向是要向更微觀的層面探索，基于從微觀、介觀上發(fā)現(xiàn)的電化學(xué)機(jī)理來(lái)構(gòu)建更為精準(zhǔn)的數(shù)學(xué)物理模型，進(jìn)而開發(fā)仿真模擬軟件。這一點(diǎn)是國(guó)內(nèi)鋰電池CAE軟件發(fā)展最重要的突破口之一，我們將在下文中繼續(xù)探討。

數(shù)值模擬

數(shù)值模擬是求解理論模型的方法手段，目前一些相對(duì)新興的數(shù)值模擬技術(shù)被用來(lái)探究介觀尺度上的電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程機(jī)理[22]，同時(shí)一些模型降階、時(shí)間離散等計(jì)算加速方法也被應(yīng)用進(jìn)來(lái)，以達(dá)到兼顧模型精度和計(jì)算效率的目的[23]。

數(shù)值模擬算法方面，LBM可以用來(lái)研究電極介觀微結(jié)構(gòu)對(duì)于電池電化學(xué)性能的影響。比如利用LBM模擬鋰離子和電子的傳輸過(guò)程，研究極片顆粒粒徑和孔隙率對(duì)鋰離子濃度分布和放電深度的影響[24]，以及模擬電解液在一個(gè)3D鋰離子電極模型中的浸漬過(guò)程，考察電極結(jié)構(gòu)對(duì)電解質(zhì)潤(rùn)濕速度的影響[25,26]。相較于FEM/FVM，LBM網(wǎng)格生成效率更高，支持解決復(fù)雜的幾何形狀、邊界條件和多孔介質(zhì)，其在多相流多組分仿真的優(yōu)勢(shì)可以在電極介觀尺度上發(fā)揮出來(lái)。

而且LBM這種算法本身就具有極強(qiáng)的并行計(jì)算能力，支持并行數(shù)據(jù)分析，非常適合于現(xiàn)有的并行計(jì)算集群，可以將LBM和并行計(jì)算硬件資源結(jié)合起來(lái)，進(jìn)一步加快模型求解速度。

計(jì)算加速方法方面，有學(xué)者提出一種準(zhǔn)顯式非線性多尺度電池模型GH-MSMD，以提高先前開發(fā)的MSMD的計(jì)算速度，在時(shí)間離散的方法下，無(wú)需傳統(tǒng)計(jì)算方法中的嵌套迭代，該模型可以在顆粒、電極、電池以及電池模組的尺度上進(jìn)行仿真[27]。

還有學(xué)者使用降階的多尺度多維模型（MSMD），采用基于伽遼金投影法的模型降階方法，降低了計(jì)算的復(fù)雜性，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證該模型的高保真度，結(jié)果表明，該MSMD模型的計(jì)算復(fù)雜度顯著降低，并且提供了高精度的電化學(xué)和熱性質(zhì)分布情況[28]。

三、CAE仿真軟件發(fā)展趨勢(shì)

CAE仿真軟件一直在不斷發(fā)展，一些重要的發(fā)展趨勢(shì)值得國(guó)內(nèi)CAE軟件公司參考。如果在鋰電池領(lǐng)域開發(fā)國(guó)產(chǎn)自主的CAE仿真軟件，除了具備前文中所提到的需要將前沿電化學(xué)理論參數(shù)化表達(dá)，如果進(jìn)一步形成系統(tǒng)的代碼以及開發(fā)相應(yīng)的仿真軟件，依然需要符合CAE軟件開發(fā)的一般規(guī)律，開發(fā)出來(lái)的軟件產(chǎn)品需要具備比肩甚至超越國(guó)外CAE軟件的性能。下面先就CAE軟件的產(chǎn)品模塊和功能特點(diǎn)進(jìn)行分析。

功能和架構(gòu)：

從大的方面來(lái)說(shuō)，CAE軟件通常是綜合了數(shù)學(xué)、物理、電化學(xué)等多學(xué)科理論基礎(chǔ)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、工程應(yīng)用實(shí)踐三方面的知識(shí)。對(duì)于現(xiàn)實(shí)客觀世界的建模通常依靠物理、電化學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科理論，深入理解描述物理、電化學(xué)等過(guò)程的原理理論。原理理論的開拓通常需要無(wú)數(shù)數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家、化學(xué)家以及科研工作者持續(xù)的探索和歸納，不斷提出對(duì)客觀規(guī)律更為精準(zhǔn)的描述方法。電化學(xué)過(guò)程目前普遍采用Newman提出的偽二維模型來(lái)描述，遵循電荷守恒和物料守恒。流體仿真中描述流動(dòng)的底層物理規(guī)律是動(dòng)量、質(zhì)量守恒，其中N-S方程被用來(lái)描述動(dòng)量守恒過(guò)程，連續(xù)性方程描述質(zhì)量守恒。每一種物理場(chǎng)都可以用若干模型和方程來(lái)描述，當(dāng)涉及到多個(gè)物理場(chǎng)時(shí)，還要建立耦合模型，構(gòu)成偏微分方程組再進(jìn)行求解。

這些現(xiàn)實(shí)客觀世界的建模所設(shè)立的方程通常為偏微分方程，從這一點(diǎn)來(lái)說(shuō)，偏微分方程是人類用來(lái)描述客觀世界的工具，而CAE仿真軟件就是要通過(guò)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)客觀世界的建模、求解、結(jié)果展示以及優(yōu)化設(shè)計(jì)。

CAE軟件從產(chǎn)品角度來(lái)看有三個(gè)重要的組成部分，分別是前處理器、求解器和后處理器。后處理器用于展示CAE求解結(jié)果，這里通常運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)來(lái)開發(fā)。CAE軟件的核心在于對(duì)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)象的精準(zhǔn)建模以及實(shí)現(xiàn)高保真度的數(shù)值模擬求解。CAE軟件的仿真質(zhì)量和數(shù)值模擬的質(zhì)量直接相關(guān)。

數(shù)值模擬計(jì)算一般分為三個(gè)環(huán)節(jié)：網(wǎng)格離散（網(wǎng)格劃分）、邊界條件設(shè)定和求解過(guò)程本身。數(shù)值模擬求解的核心在于網(wǎng)格離散和數(shù)值算法，因此前處理器中的網(wǎng)格劃分模塊和求解器是CAE軟件中最為關(guān)鍵的兩個(gè)部分。

首先，數(shù)值計(jì)算需要輸入高質(zhì)量的網(wǎng)格數(shù)據(jù)，否則就會(huì)是“garbage in, garbage out”，網(wǎng)格剖分的好壞直接決定了仿真質(zhì)量的高低，因此網(wǎng)格生成的算法技術(shù)非常重要。而且網(wǎng)格生成的密度還要結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用場(chǎng)景，平衡計(jì)算精度和計(jì)算效率。目前實(shí)際仿真場(chǎng)景中前處理仍主要依靠人工處理，處理時(shí)間較長(zhǎng)，往往40%左右的時(shí)間都花在網(wǎng)格處理上面。目前業(yè)界主要通過(guò)自適應(yīng)網(wǎng)格加密劃分技術(shù)和AI來(lái)提高前處理中網(wǎng)格劃分的效率。

求解器的開發(fā)實(shí)際上是運(yùn)用C++/Fortran等語(yǔ)言將數(shù)值計(jì)算方法編寫成軟件程序，求解過(guò)程就是求解程序在硬件上運(yùn)行，求解的對(duì)象是基于網(wǎng)格數(shù)據(jù)生成的大規(guī)模線性方程組。求解器的魯棒性和收斂性至關(guān)重要，計(jì)算求解如果很容易發(fā)散，得不到收斂的結(jié)果，那么開發(fā)出來(lái)的仿真軟件市場(chǎng)反響就不會(huì)很好。目前很多數(shù)值計(jì)算方法已經(jīng)相對(duì)成熟，比如有限元法、有限體積法等，這些也都是現(xiàn)有商業(yè)軟件廣泛應(yīng)用的數(shù)值方法。而面對(duì)電池領(lǐng)域尚未得到很好解答的一些問(wèn)題，比如涉及到介觀尺度方面的仿真模擬問(wèn)題，就可以運(yùn)用一些相對(duì)新興的數(shù)值解法如LBM、SPH等，這在前文中已詳細(xì)介紹過(guò)。

另一方面，實(shí)際仿真過(guò)程的計(jì)算時(shí)間有可能長(zhǎng)達(dá)幾天甚至幾個(gè)月，仿真工程師都希望仿真的速度能夠進(jìn)一步提升。目前業(yè)界在通過(guò)降階模型（ROM）和高性能計(jì)算等技術(shù)來(lái)緩解“仿真計(jì)算速度焦慮”。

簡(jiǎn)要總結(jié)一下，自主開發(fā)的CAE軟件需要具備的功能特點(diǎn)：

前處理器：支持生成多種網(wǎng)格類型（四面體、六面體等等），易用性好，劃分速度快；圖形界面操作方便，交互頁(yè)面簡(jiǎn)單易懂、方便工程師快速設(shè)置求解模型的多種邊界條件。 求解器：收斂性和穩(wěn)定性，不容易發(fā)散；計(jì)算速度快、計(jì)算精度高，誤差小 后處理器：圖形引擎穩(wěn)定性高，可生成各種后處理圖形和動(dòng)畫，可視化效果好

除了軟件產(chǎn)品需要具備上述功能特點(diǎn)，技術(shù)支持團(tuán)隊(duì)要能提供高質(zhì)量的仿真應(yīng)用支持服務(wù)，要保證仿真軟件應(yīng)用效果和用戶應(yīng)用體驗(yàn)，以此保障交付和訂單的可持續(xù)性，特別是在工業(yè)仿真軟件也在向SaaS轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)下。要搭建完善的客戶交付體系，在用戶培訓(xùn)、軟件試用以及技術(shù)支持的各個(gè)環(huán)節(jié)都要能快速響應(yīng)、解決問(wèn)題。

多物理場(chǎng)耦合、多尺度仿真

仿真已經(jīng)從單一物理場(chǎng)仿真演進(jìn)為多物理場(chǎng)耦合仿真，考慮兩種或多種物理場(chǎng)的交叉作用和相互耦合，多物理場(chǎng)耦合仿真會(huì)涉及到模型交互、幾何網(wǎng)格匹配、求解等多種挑戰(zhàn)。以電池為例，就涉及到物理、電化學(xué)、流體、機(jī)械結(jié)構(gòu)、電磁兼容等諸多物理場(chǎng)。

未來(lái)仿真不僅僅是多物理場(chǎng)耦合，也將會(huì)是從材料到系統(tǒng)層次覆蓋多尺度的，和前述我們分析電池仿真類似的還有半導(dǎo)體仿真，半導(dǎo)體器件仿真也在將器件性能與材料特性聯(lián)系起來(lái)，系統(tǒng)研究材料、幾何形狀以及工藝的變化將如何影響器件的電學(xué)性能，以此優(yōu)化器件設(shè)計(jì)。應(yīng)用材料公司在2021年提出Materials to Systems Co-Optimization，希望實(shí)現(xiàn)從材料到系統(tǒng)的多尺度協(xié)同優(yōu)化，以此確定最佳工藝路線和參數(shù)（覆蓋前道、中道及后道中多個(gè)工藝環(huán)節(jié)）。

國(guó)外工業(yè)軟件大廠也在多尺度仿真上早有動(dòng)作，2014年達(dá)索收購(gòu)acclrys，現(xiàn)更名為BIOVIA，BIOVIA主要側(cè)重生物科學(xué)。2020年西門子收購(gòu)了計(jì)算化學(xué)公司Culgi，Culgi軟件可以提供量子化學(xué)和分子模擬功能。

全流程協(xié)同

仿真與測(cè)試協(xié)同

仿真是企業(yè)研發(fā)的重要一環(huán)，除了提供高效的仿真分析，仿真軟件還要提供仿真流程與數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，有效管理海量的、不同類型的仿真文檔和數(shù)據(jù)，建立分析文檔與產(chǎn)品模型的對(duì)應(yīng)關(guān)系，幫助企業(yè)建立專有的仿真知識(shí)庫(kù)和流程規(guī)范，提高對(duì)仿真知識(shí)、流程的可復(fù)用程度。

研發(fā)不僅僅是仿真。研發(fā)過(guò)程中仿真-測(cè)試共同產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)蘊(yùn)藏著重要價(jià)值，因此工業(yè)仿真軟件不僅僅要沉淀工藝經(jīng)驗(yàn)知識(shí)的仿真數(shù)據(jù)，還需要沉淀研發(fā)管理、設(shè)計(jì)仿真的數(shù)據(jù)管理經(jīng)驗(yàn)，將設(shè)計(jì)-仿真-測(cè)試全流程標(biāo)準(zhǔn)化。

仿真軟件除了要提供杰出的仿真技術(shù)為設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)依據(jù)外，還可以深入研發(fā)測(cè)試環(huán)節(jié)，提供仿真-測(cè)試的綜合服務(wù)。比如西門子2012年收購(gòu)的比利時(shí)LMS公司，就是一家可以為汽車企業(yè)客戶提供NVH方面綜合的仿真-測(cè)試解決方案。LMS提供了測(cè)試所需要的軟硬件產(chǎn)品，其中就包括測(cè)試數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，可以最大限度地減少客戶處理測(cè)試數(shù)據(jù)和創(chuàng)建報(bào)告所花費(fèi)的時(shí)間，幫助客戶提高整個(gè)組織的協(xié)作效率。

研發(fā)數(shù)據(jù)管理問(wèn)題對(duì)于電池企業(yè)愈發(fā)凸顯，由于電池研發(fā)本身是一個(gè)復(fù)雜工程，研發(fā)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生的TB級(jí)以上的數(shù)據(jù)量，如何有效地管理這些研發(fā)測(cè)試數(shù)據(jù)，為數(shù)據(jù)分析和引入AI算法做好基礎(chǔ)工作，是目前電池及電池材料企業(yè)研發(fā)管理需要解決的一個(gè)重要問(wèn)題。

目前多數(shù)電池及電池材料企業(yè)仍然主要以紙質(zhì)或者借助簡(jiǎn)單的Excel表格存儲(chǔ)管理研發(fā)數(shù)據(jù)。少數(shù)頭部企業(yè)通過(guò)上線研發(fā)試驗(yàn)管理系統(tǒng)來(lái)提高研發(fā)數(shù)據(jù)管理水平，保證測(cè)試數(shù)據(jù)的可追溯性和可重用性。在部分電池企業(yè)，這類管理系統(tǒng)會(huì)覆蓋電池常規(guī)測(cè)試、電池表征測(cè)試、電池失效分析等方面。少數(shù)材料企業(yè)希望以此實(shí)現(xiàn)材料包覆、預(yù)鋰預(yù)鎂等工藝的研發(fā)測(cè)試管理數(shù)字化。電池及材料企業(yè)都希望借此提高研發(fā)效率、降低研發(fā)運(yùn)營(yíng)成本[29]。

仿真軟件還可以增加與測(cè)試數(shù)據(jù)的對(duì)比以獲得更好的工程洞察力。比如西門子的Teamcenter就包括創(chuàng)建虛擬傳感器的技術(shù)，客戶可以在難以放置真實(shí)傳感器的區(qū)域獲取數(shù)據(jù)，Teamcenter內(nèi)置的數(shù)據(jù)管理軟件可以匯聚企業(yè)測(cè)試得到的真實(shí)數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)。通過(guò)將設(shè)計(jì)、仿真和測(cè)試數(shù)據(jù)匯集在一起，在軟件中創(chuàng)建驗(yàn)證序列，企業(yè)客戶可以快速定位問(wèn)題、更好地評(píng)估設(shè)計(jì)方案。

材料數(shù)據(jù)庫(kù)

仿真不可避免會(huì)涉及到各種材料，所以部分仿真軟件配置相關(guān)的材料數(shù)據(jù)庫(kù)，比如COMSOL和ANSYS，以ANSYS為例，ANSYS于2019年收購(gòu)了Granta Design公司，并將它重組為ANSYS的材料事業(yè)部門。Granta Materials同時(shí)融合了多種標(biāo)準(zhǔn)材料數(shù)據(jù)庫(kù)，能夠?yàn)楫a(chǎn)品設(shè)計(jì)提供豐富的材料數(shù)據(jù)信息。這些數(shù)據(jù)庫(kù)涵蓋了通用材料、航空航天、塑料、醫(yī)療器械等多個(gè)領(lǐng)域。同時(shí)支撐企業(yè)自有數(shù)據(jù)錄入。

總結(jié)一下，仿真軟件公司介入研發(fā)測(cè)試數(shù)據(jù)管理具有很強(qiáng)的重要性：研發(fā)數(shù)據(jù)很重要富有研發(fā)價(jià)值；仿真-測(cè)試綜合服務(wù)有利于為客戶提出更多有價(jià)值的研發(fā)建議，提高客戶粘性；未來(lái)引入AI和計(jì)算材料學(xué)方法需要良好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。此外，仿真軟件會(huì)配置相關(guān)材料數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)減輕企業(yè)仿真負(fù)擔(dān)、提升仿真精度。

對(duì)于國(guó)內(nèi)鋰電池領(lǐng)域的仿真軟件公司來(lái)說(shuō)，可以在提供電池測(cè)試數(shù)據(jù)管理功能模塊的基礎(chǔ)上，通過(guò)建立電池表征管理和電化學(xué)參數(shù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)電池測(cè)試數(shù)據(jù)和材料數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化存儲(chǔ)，為之后將測(cè)試數(shù)據(jù)和仿真所需參數(shù)結(jié)合起來(lái)打好基礎(chǔ)。統(tǒng)一的研發(fā)數(shù)據(jù)管理分析平臺(tái)，為用戶提供自動(dòng)化、標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試和仿真分析報(bào)告，幫助電池企業(yè)實(shí)現(xiàn)電池研發(fā)數(shù)據(jù)的全過(guò)程追溯，以及跨部門、跨組織的研發(fā)協(xié)同。

而且電池研發(fā)也會(huì)涉及到種類繁多的金屬和非金屬材料，不同供應(yīng)商提供的同種材料、不同工藝制備出來(lái)的同類型材料都可能在材料屬性特征上存在差異，加上摻雜、包覆等多種工藝，使得電池材料的管理也非常復(fù)雜。電池仿真軟件如果能夠幫助企業(yè)有效管理研發(fā)所用到的材料數(shù)據(jù)，綜合企業(yè)內(nèi)部的試驗(yàn)、設(shè)計(jì)、歷史積累數(shù)據(jù)和企業(yè)外部材料信息數(shù)據(jù)資源，最終形成一個(gè)覆蓋范圍廣泛的企業(yè)級(jí)電池材料信息管理系統(tǒng)，幫助企業(yè)更加方便地獲取準(zhǔn)確的材料數(shù)據(jù)，將有效提升企業(yè)電池研發(fā)仿真精度與效率。

設(shè)計(jì)仿真與制造工藝、產(chǎn)品運(yùn)行等環(huán)節(jié)的協(xié)同

整體上看各行業(yè)仿真與制造工藝的協(xié)同趨勢(shì)已然顯現(xiàn)，其中以半導(dǎo)體的DTCO為代表，這種協(xié)同不單單是一個(gè)企業(yè)內(nèi)部跨部門、跨組織的協(xié)同，甚至有可能是跨上下游的協(xié)同，因此需要第三方的工業(yè)軟件公司來(lái)承擔(dān)起作用。鋰電池領(lǐng)域設(shè)計(jì)仿真與制造工藝協(xié)同也有所發(fā)展，但是需求主體和強(qiáng)烈度、發(fā)展節(jié)奏和成熟度與半導(dǎo)體行業(yè)DFM和DTCO的有所不同。

一個(gè)好的設(shè)計(jì)必須要考慮制造環(huán)節(jié)的工藝過(guò)程，而設(shè)計(jì)與工藝的協(xié)同就需要導(dǎo)入仿真技術(shù)，特別是對(duì)于工藝變化很快的領(lǐng)域。以動(dòng)力電池為例，工藝變化速度較快。目前實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的試錯(cuò)法又無(wú)法全局考慮問(wèn)題，會(huì)導(dǎo)致制造現(xiàn)場(chǎng)不斷調(diào)整參數(shù)。而且新方案測(cè)試耗時(shí)也很長(zhǎng)。一個(gè)新的材料新配方去做驗(yàn)證可能需要12個(gè)月左右，導(dǎo)致新產(chǎn)品開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化節(jié)奏較慢。因此，必須導(dǎo)入仿真技術(shù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)仿真和制造工藝的協(xié)同，加速推動(dòng)產(chǎn)品的正向設(shè)計(jì)。

目前面向制造工藝的仿真技術(shù)有下圖中所列的五大類[30]：

面向制造工藝的仿真模型

同時(shí)，仿真要實(shí)現(xiàn)與設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行的全流程協(xié)同，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)工藝、質(zhì)量測(cè)試、實(shí)際運(yùn)行乃至產(chǎn)品回收等各環(huán)節(jié)都要進(jìn)行相關(guān)仿真。這就意味著，不僅僅是在設(shè)計(jì)仿真過(guò)程要建立數(shù)字化的模型，而是要形成一個(gè)全生命周期的數(shù)字化模型，不斷逼近物理實(shí)體狀態(tài)，輔助實(shí)際決策。以電池為例，除了單體電芯級(jí)別的仿真模型之外，還需要將從電池到PACK到電池管理的仿真融合起來(lái)。這對(duì)仿真的實(shí)時(shí)性、精度和效率都提出了非常高的要求。

仿真要融入產(chǎn)品實(shí)際運(yùn)行的環(huán)節(jié)過(guò)程中，就要與實(shí)際業(yè)務(wù)的應(yīng)用場(chǎng)景緊密結(jié)合，比如通過(guò)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，再通過(guò)仿真技術(shù)實(shí)時(shí)提供仿真預(yù)測(cè)，輔助實(shí)際業(yè)務(wù)的決策。例如在電池領(lǐng)域，就可以考慮將電池實(shí)際運(yùn)行的工況數(shù)據(jù)納入仿真體系中來(lái)，除了用于實(shí)時(shí)的壽命預(yù)測(cè)和健康管理之外，還可以將老化數(shù)據(jù)與仿真模型進(jìn)行對(duì)照，結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)進(jìn)一步優(yōu)化仿真精度，還可以反饋優(yōu)化設(shè)計(jì)和工藝。

隨著上下游協(xié)同性的增強(qiáng)，仿真軟件的使用者將從單純的仿真工程師拓展到工藝人員等其他部門乃至上下游企業(yè)。以電池行業(yè)為例，可能電池廠的電芯工程師、工藝工程師要和上游的材料工程師、下游汽車主機(jī)廠的工程師和設(shè)計(jì)人員一起在仿真軟件上探討如何優(yōu)化電芯的設(shè)計(jì)方案。

仿真反饋設(shè)計(jì)優(yōu)化

仿真的目的在于優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案，當(dāng)前仿真、設(shè)計(jì)與優(yōu)化三者結(jié)合的趨勢(shì)越來(lái)越緊密。仿真軟件目前會(huì)通過(guò)提供多種方案的評(píng)估對(duì)比，提供仿真結(jié)果輔助設(shè)計(jì)參數(shù)的優(yōu)化，未來(lái)將會(huì)有更多和業(yè)務(wù)場(chǎng)景深度結(jié)合的優(yōu)化應(yīng)用出現(xiàn)。

小結(jié)：

無(wú)論是多物理場(chǎng)還是多尺度仿真，還是和測(cè)試、制造工藝等全流程結(jié)合協(xié)同優(yōu)化，目的都是為了增強(qiáng)仿真置信度、加強(qiáng)仿真在研發(fā)設(shè)計(jì)中的指導(dǎo)作用，即讓仿真輔助設(shè)計(jì)優(yōu)化甚至決定材料的選取、工藝參數(shù)的設(shè)定、器件乃至系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，這是當(dāng)前非常重要的發(fā)展趨勢(shì)。

以長(zhǎng)安汽車為例，長(zhǎng)安汽車對(duì)標(biāo)福特汽車、通用公司建立CAE仿真置信度5級(jí)評(píng)價(jià)體系，第一級(jí)為由試驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)計(jì)，不做仿真，第二級(jí)為運(yùn)用仿真預(yù)測(cè)變化趨勢(shì)，第三級(jí)為仿真篩選優(yōu)化方案、減少試驗(yàn)次數(shù)，第四級(jí)為仿真篩選試驗(yàn)，試驗(yàn)只做一次，第五級(jí)則是由仿真直接驗(yàn)證設(shè)計(jì)，無(wú)需試驗(yàn)。對(duì)照這五級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，如前所述鋰電池行業(yè)目前普遍仍以實(shí)驗(yàn)試錯(cuò)法為主導(dǎo)[31]。

云仿真和SaaS

當(dāng)前仿真軟件也在逐步走向云端，相較于本地仿真，在云端仿真對(duì)于企業(yè)用戶有以下幾方面優(yōu)勢(shì)：

對(duì)于超大規(guī)模模型的仿真，提交到云端仿真可以進(jìn)行多核并行計(jì)算，計(jì)算效率提升會(huì)非常明顯。借助彈性的云計(jì)算功能，用戶可以根據(jù)需要同時(shí)運(yùn)行盡可能多的模擬。此外，用戶可以隨時(shí)按需擴(kuò)展計(jì)算資源。 計(jì)算資源來(lái)自云端，可以為企業(yè)用戶節(jié)省大量的硬件成本 通過(guò)“用戶-角色-權(quán)限”的授權(quán)方式，即為用戶分配角色來(lái)分配相應(yīng)權(quán)限，可以簡(jiǎn)化常規(guī)的賦予和取消等權(quán)限管理，減少系統(tǒng)開銷的同時(shí)有效保障企業(yè)的數(shù)據(jù)安全 項(xiàng)目所有相關(guān)人員都可以在云端軟件內(nèi)實(shí)時(shí)查看相同的仿真模型數(shù)據(jù)，有效增強(qiáng)用戶之間的協(xié)作。 便于企業(yè)用戶進(jìn)行分布式存儲(chǔ)備份和版本管理 用戶可以在任何地點(diǎn)參與仿真操作，提高了辦公靈活性 節(jié)省軟件安裝、更新成本

對(duì)于仿真軟件開發(fā)公司來(lái)說(shuō)，選擇交付云端SaaS版仿真軟件也是一個(gè)不小的挑戰(zhàn)，會(huì)帶來(lái)以下轉(zhuǎn)變：

SaaS交付的銷售價(jià)格將會(huì)更低，企業(yè)短期內(nèi)收入會(huì)承受一定壓力。 如果產(chǎn)品體驗(yàn)不佳，用戶很可能取消訂閱，企業(yè)需要拿出比“銷售永久license時(shí)代”更好的客戶交付服務(wù)，確?？蛻羰褂皿w驗(yàn)長(zhǎng)期維持在高水平。因?yàn)檫@不再是一錘子買賣。 云端頁(yè)面的交互顯示十分重要，這對(duì)仿真軟件企業(yè)在圖形渲染、軟件架構(gòu)技術(shù)方面提出更高的要求。

近年來(lái)越來(lái)越多的工程師開始采用云端仿真，根據(jù)ANSYS的報(bào)告數(shù)據(jù)，52%的受訪工程師表示在設(shè)計(jì)仿真過(guò)程中所面臨的最大業(yè)務(wù)挑戰(zhàn)是如何縮短設(shè)計(jì)周期，為了加速完成一些規(guī)模較大的仿真任務(wù)，工程師必須要獲取大量的計(jì)算資源。在2014年的報(bào)告中，只有10％的工程師使用超過(guò)32個(gè)以上的內(nèi)核，而2021年有44％的用戶使用了12個(gè)以上的內(nèi)核并行處理其最大的仿真應(yīng)用程序，18％的用戶使用的內(nèi)核數(shù)量超過(guò)36個(gè)。中大型公司對(duì)多核計(jì)算資源的需求表現(xiàn)更為明顯。同時(shí)工業(yè)仿真計(jì)算場(chǎng)景已經(jīng)從單個(gè)工作站的單機(jī)模式逐漸演變?yōu)榘ぷ髡尽⒐P記本、集群和云端的復(fù)雜混合環(huán)境[32]。

在解決仿真效率問(wèn)題方面，云技術(shù)和HPC（高性能計(jì)算）是緊密結(jié)合的，HPC硬件部分包括CPU、GPU、NPU等，軟件部分主要解決集群資源調(diào)度問(wèn)題。目前云廠商如阿里云，騰訊云等會(huì)提供開放式的云端硬件計(jì)算平臺(tái)，將商業(yè)CAE仿真軟件安裝在云端HPC服務(wù)器上，按照資源使用時(shí)間收費(fèi)。也有第三方公司如國(guó)內(nèi)的速石科技和國(guó)外的Rescale等，比如速石科技就是綜合多家云廠商資源和多種仿真軟件，為企業(yè)用戶提供集群運(yùn)行仿真服務(wù)，解決企業(yè)資源峰值需求，避免過(guò)度投資或者預(yù)估資源不足的情況。

國(guó)外云端CAE軟件公司有Simscale、Onscale、Designworld、Caeplex、Ceetron等，以Simscale為例，其采用SaaS模式進(jìn)行交付。Simscale希望通過(guò)SaaS交付來(lái)為用戶進(jìn)一步節(jié)省下IT資源的部署投入，為工程師提供另一條更低成本的選擇，而不是只能高價(jià)購(gòu)買仿真軟件的license。Simscale可以進(jìn)行多物理場(chǎng)仿真，覆蓋結(jié)構(gòu)、熱、流體等領(lǐng)域。但是，Simscale的求解器模塊采用開源的OpenFOAM和CalculiX，OpenFOAM用于流體仿真，而CalculiX用于結(jié)構(gòu)力學(xué)仿真，這意味著Simscale的仿真求解功能有限，只能解決一些基本問(wèn)題，無(wú)法向高端市場(chǎng)躍進(jìn)[33]。下圖為Simscale與其他部署類型仿真軟件之間的對(duì)比。

Simscale軟件特點(diǎn)

國(guó)外大型仿真軟件公司近年也一直在云端仿真方面持續(xù)推進(jìn)，達(dá)索將自身不同仿真領(lǐng)域的軟件集成到3D EXPERIENCE平臺(tái)上，支持4-16核的本地計(jì)算機(jī)并行計(jì)算和云端計(jì)算，對(duì)于超大規(guī)模模型，如果用戶想提升計(jì)算速度，可以將模型提交到云端計(jì)算。

ANSYS在今年4月收購(gòu)云仿真供應(yīng)商Onscale，意圖將Onscale的云技術(shù)與自身先進(jìn)的仿真求解功能結(jié)合起來(lái)為客戶提供服務(wù)，用戶通過(guò)web就可以訪問(wèn)。ANSYS今年5月還宣布和AWS合作開發(fā)基于云端的Ansys Gateway 仿真解決方案，發(fā)展云端高性能計(jì)算，推出EDA、CAE和CAD云端解決方案。種種動(dòng)作表明ANSYS似乎想要搭建統(tǒng)一的云平臺(tái)，把自身各條業(yè)務(wù)線產(chǎn)品都放到云平臺(tái)上，客戶可以在這個(gè)平臺(tái)上進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真的所有操作，這一步可以說(shuō)要比達(dá)索的3D EXPERIENCE平臺(tái)更加貼近云原生。

實(shí)現(xiàn)更為高效的云仿真還需要面對(duì)很多挑戰(zhàn)：仿真協(xié)同方面，如何有效應(yīng)對(duì)大規(guī)模復(fù)雜模型仿真，不同領(lǐng)域仿真模型實(shí)現(xiàn)高效耦合；易用性方面，如何集成多種仿真平臺(tái)工具的并提供簡(jiǎn)單易用的使用方式；作業(yè)運(yùn)行方面，如何采取有效的仿真應(yīng)用資源調(diào)度方法來(lái)提高仿真應(yīng)用運(yùn)行效率；網(wǎng)絡(luò)化方面，未來(lái)云端仿真如何更好地和物聯(lián)網(wǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)融合起來(lái)等[34]。

面向電池領(lǐng)域的仿真軟件也需要考慮利用云和HPC技術(shù)來(lái)增強(qiáng)用戶項(xiàng)目組內(nèi)部以及和上下游之間的仿真協(xié)作、提升用戶仿真效率，特別是注重利用云端仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)電池?cái)?shù)據(jù)的全生命周期管理。對(duì)于仿真軟件來(lái)說(shuō)，上云和SaaS是成為行業(yè)頭部企業(yè)的必要非充分條件，技術(shù)上的突破才是根本，即要在理論模型和數(shù)值模擬算法上立住腳。

四、國(guó)內(nèi)鋰電池CAE仿真軟件的突破口

一方面電化學(xué)建模逐步深入到電極介觀尺度，另一方面一些相對(duì)新興的數(shù)值模擬技術(shù)被用來(lái)探究介觀尺度上的電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程機(jī)理。國(guó)內(nèi)鋰電池CAE軟件應(yīng)當(dāng)聚焦這兩個(gè)方面進(jìn)行突破。同時(shí)要使用恰當(dāng)?shù)哪Ｐ徒惦A、時(shí)間離散等計(jì)算加速方法，兼顧模型的精度和計(jì)算效率。

一是不斷優(yōu)化仿真模型及其控制方程，及時(shí)跟蹤電池仿真在微觀、介觀尺度上的前沿進(jìn)展，將精度更好的理論模型內(nèi)置在軟件之中，并開發(fā)出適配電池領(lǐng)域的網(wǎng)格劃分工具。其次是可以向COMSOL學(xué)習(xí)，保持軟件的開放性，這一點(diǎn)是指在建模階段仿真工程師可以自定義修改設(shè)立控制方程組（偏微分方程組）及其假設(shè)條件，而不是只能采用軟件內(nèi)置的方程組。軟件不斷跟進(jìn)業(yè)界的先進(jìn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)加強(qiáng)與業(yè)界人員的合作來(lái)優(yōu)化迭代自身軟件求解器的性能。相較于其他成熟的仿真領(lǐng)域，這一點(diǎn)對(duì)于電池領(lǐng)域的仿真軟件更為凸顯。

求解方法方面注重運(yùn)用新的求解方法，并將多種數(shù)值算法結(jié)合起來(lái)，比如LBM、DEM、FEM和FVM 結(jié)合起來(lái)，并注重?cái)?shù)值計(jì)算方法和工程實(shí)際業(yè)務(wù)場(chǎng)景深度結(jié)合。同時(shí)工業(yè)仿真軟件需要權(quán)衡精度和效率，這就需要恰當(dāng)?shù)厥褂媒惦A模型、伽遼金投影法、時(shí)間離散方法如龍格－庫(kù)塔法（Runge-Kutta methods）等計(jì)算方法，盡可能確保在不損失仿真精度的情況下提高計(jì)算效率。

除了理論模型和數(shù)值算法，仿真軟件還需要注重工程經(jīng)驗(yàn)的積累，特別是對(duì)于電池這一非線性的復(fù)雜系統(tǒng)來(lái)說(shuō)。因此，國(guó)內(nèi)鋰電池CAE軟件公司一方面需要在產(chǎn)品功能上加強(qiáng)與實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)的結(jié)合，為設(shè)計(jì)和仿真人員提供更便捷的仿真服務(wù)。這里具體來(lái)說(shuō)，電池仿真通常需要大量參數(shù)輸入，部分參數(shù)需要標(biāo)定和實(shí)驗(yàn)以及文獻(xiàn)參考得來(lái)，如果積累了大量的測(cè)試數(shù)據(jù)，就可以提供一個(gè)豐富的數(shù)據(jù)庫(kù)，更加方便快捷提供模擬仿真所需參數(shù)，避免因?yàn)榉抡嫒藛T標(biāo)定出現(xiàn)問(wèn)題帶來(lái)較大的偏差，進(jìn)一步縮短設(shè)計(jì)驗(yàn)證周期。

另一方面，國(guó)內(nèi)鋰電池CAE軟件公司需要注重加強(qiáng)與電池企業(yè)的合作，更好地積累測(cè)試和實(shí)際制造的數(shù)據(jù)，以此優(yōu)化仿真軟件性能，更好地實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)仿真與制造工藝協(xié)同。總之，要充分利用好我國(guó)掌握鋰電全產(chǎn)業(yè)鏈這一龐大制造規(guī)模的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)楹Ａ繙y(cè)試和制造數(shù)據(jù)中蘊(yùn)藏著巨大的數(shù)據(jù)優(yōu)勢(shì)，利用好這些數(shù)據(jù)資產(chǎn)，有利于國(guó)內(nèi)鋰電池CAE軟件公司加速發(fā)展起來(lái)。

綜合本文前述內(nèi)容，鋰電池仿真軟件的突破，要實(shí)現(xiàn)多尺度、多物理場(chǎng)、全生命周期的仿真服務(wù)，同時(shí)要利用好工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算技術(shù)，將電池的設(shè)計(jì)、仿真、制造以及使用過(guò)程中產(chǎn)生的海量工藝技術(shù)、工況數(shù)據(jù)形成數(shù)字化資產(chǎn)。

鋰電池仿真軟件不僅僅擔(dān)負(fù)著仿真驅(qū)動(dòng)正向設(shè)計(jì)的功能，也是推動(dòng)整體鋰電池領(lǐng)域研發(fā)數(shù)字化進(jìn)程的重要力量。由獨(dú)立于上下游企業(yè)主體的第三方軟件公司驅(qū)動(dòng)行業(yè)研發(fā)數(shù)字化、通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的流程、功能完善的仿真平臺(tái)帶動(dòng)，實(shí)現(xiàn)上下游研發(fā)的網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同。

目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)一些鋰電池仿真軟件公司，如易來(lái)科得、屹艮科技、鴻陽(yáng)智能、海仿科技等。

實(shí)現(xiàn)電池領(lǐng)域的多尺度多物理場(chǎng)耦合仿真道阻且長(zhǎng)，需要多學(xué)科人才、知識(shí)積累乃至多個(gè)細(xì)分軟件工具的融合，參照COMSOL的發(fā)展歷程[35]（COMSOL產(chǎn)品發(fā)布?xì)v程 (comsol.com)），這將會(huì)是一個(gè)長(zhǎng)達(dá)20-30年的過(guò)程。

開源問(wèn)題

CAE仿真領(lǐng)域有不少開源軟件，鋰電池仿真領(lǐng)域就有TauFactor、OpenPNM等開源軟件。關(guān)于開源是否能夠加速國(guó)產(chǎn)CAE仿真軟件的發(fā)展，也曾被多次討論過(guò)，這里簡(jiǎn)要表達(dá)我們對(duì)工業(yè)仿真軟件領(lǐng)域開源的看法：

軟件開源能否提高國(guó)產(chǎn)工業(yè)軟件迭代升級(jí)、向歐美成熟工業(yè)軟件追趕的速度？

我們目前認(rèn)為是不能。一般基礎(chǔ)軟件通過(guò)開源獲取技術(shù)迭代助力的邏輯并不適用于工業(yè)軟件。首先，工業(yè)軟件的底層核心在于基礎(chǔ)理論和數(shù)值算法，這兩方面的理論突破和算法創(chuàng)新才能從根本上實(shí)現(xiàn)工業(yè)軟件的技術(shù)突破，很難通過(guò)無(wú)數(shù)軟件開發(fā)人員的使用、貢獻(xiàn)代碼來(lái)提高CAE軟件的性能，比如仿真計(jì)算速度更快、收斂更好、精度更高。

其次，仿真軟件并不是一個(gè)互聯(lián)網(wǎng)研發(fā)編寫程序時(shí)需要用到的基礎(chǔ)軟件，而是一個(gè)受眾面相對(duì)較小的專用軟件，并且仿真軟件代碼編寫的門檻很高，通過(guò)開源無(wú)法像互聯(lián)網(wǎng)開源基礎(chǔ)軟件獲得很多程序員的開發(fā)助力。

此外，互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)軟件通過(guò)源代碼開源吸引廣大的開發(fā)者，這些開發(fā)者多數(shù)也會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蛻?，意味著基礎(chǔ)軟件的開源本身就是一種營(yíng)銷手段，開源基礎(chǔ)軟件無(wú)需付出高昂的銷售成本就可以獲得大量的用戶。但是對(duì)于工業(yè)軟件來(lái)說(shuō)，代碼開源并不意味著工程師就會(huì)使用這款軟件甚至成為付費(fèi)用戶。由于制造業(yè)的行業(yè)屬性，工程師需要選擇穩(wěn)定性更好、仿真質(zhì)量更佳的軟件，免費(fèi)并不能構(gòu)成一個(gè)富有競(jìng)爭(zhēng)力的因素。

使用開源軟件（組件）可能存在的弊端：

從技術(shù)研發(fā)角度看，如果前處理和求解器部分采用開源軟件，相當(dāng)于將技術(shù)核心命脈交在了別人手中，技術(shù)體系的更新完全依賴于開源軟件的迭代升級(jí)。

從產(chǎn)品功能角度看，工業(yè)軟件需要具備高可靠性和優(yōu)異性能，并能與實(shí)際工程應(yīng)用場(chǎng)景深度結(jié)合。開源軟件通常自身性能和穩(wěn)定性較低，一旦面對(duì)整體非常復(fù)雜的大型模型仿真，使用開源軟件很可能出現(xiàn)計(jì)算不容易收斂或者求解速度過(guò)慢等問(wèn)題。此外，開源軟件通常缺乏大量的實(shí)際應(yīng)用案例和幫助文檔，可能無(wú)法回應(yīng)仿真工程師的實(shí)際需求[36]。

從軟件架構(gòu)角度看，如果在某些功能模塊采用開源軟件（組件），也可能會(huì)出現(xiàn)架構(gòu)耦合上的問(wèn)題，軟件升級(jí)后也會(huì)涉及和其他功能模塊協(xié)同的問(wèn)題，甚至?xí)枰{(diào)整開源軟件的架構(gòu)，如此一來(lái)需要投入很多研發(fā)資源，結(jié)果可能得不償失，還不如一開始就選擇自主研發(fā)。

自主開發(fā)才是正途。這是一條少有人走的路?；蛴衅髽I(yè)在開源軟件基礎(chǔ)上二次開發(fā)，套上一層殼就宣稱自己是國(guó)產(chǎn)替代。這種做法只是看上去在走捷徑，實(shí)際上是選擇依附在其他公司的技術(shù)體系內(nèi)，企業(yè)并未形成基于自身實(shí)際經(jīng)驗(yàn)的產(chǎn)品原始研發(fā)能力。只有當(dāng)企業(yè)以自主研發(fā)理念創(chuàng)新、性能先進(jìn)的商業(yè)產(chǎn)品為目標(biāo)時(shí)，企業(yè)才可能產(chǎn)生更強(qiáng)的創(chuàng)新動(dòng)力和學(xué)習(xí)能力，才能在自主開發(fā)產(chǎn)品中突破技術(shù)瓶頸、逐漸掌握工業(yè)軟件的研發(fā)能力。

自主開發(fā)也不意味著完完全全從頭做起，除底層技術(shù)需要自身突破外，部分非核心軟件模塊可以考慮采用已經(jīng)非常成熟的商業(yè)開發(fā)工具，比如GUI組件和圖形渲染方面。在軟件生態(tài)上也要加強(qiáng)合作，開放仿真上下游的第三方軟件API接口，做好數(shù)據(jù)兼容，進(jìn)一步增強(qiáng)軟件的易用性和包容性，融入現(xiàn)有的設(shè)計(jì)仿真工具鏈中，降低工程師的軟件使用成本。

五、鋰電池CAE仿真軟件市場(chǎng)分析

前文我們從理論、技術(shù)、產(chǎn)品三個(gè)方面進(jìn)行了詳細(xì)闡述，下面從市場(chǎng)側(cè)進(jìn)行簡(jiǎn)要的分析。

軟件的需求問(wèn)題：通常電池企業(yè)的制樣測(cè)試周期長(zhǎng)達(dá)8-36個(gè)月，包括物料、測(cè)試通道設(shè)備、人工等在內(nèi)的耗費(fèi)成本甚至可能要上億元。而仿真軟件減少幾次制樣測(cè)試的成本基本可以就完全覆蓋掉軟件的采購(gòu)價(jià)格，為企業(yè)帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益和投入產(chǎn)出比是非常高的。但是要注意用戶對(duì)于仿真軟件的精度、穩(wěn)定性要求很高，工業(yè)仿真軟件不存在所謂明顯意義上的中低端市場(chǎng)。

鋰電池CAE仿真軟件國(guó)內(nèi)總體市場(chǎng)規(guī)?？梢酝ㄟ^(guò)國(guó)內(nèi)鋰電池企業(yè)數(shù)量、軟件購(gòu)買數(shù)量和軟件單價(jià)（單機(jī)版）或訂閱費(fèi)用（按年計(jì)算）估算獲得，如果假定以SaaS形式交付，具體軟件購(gòu)買量可以通過(guò)現(xiàn)有鋰電池企業(yè)仿真人員數(shù)量、使用頻次及時(shí)長(zhǎng)估算得到。

從市場(chǎng)用戶拓展來(lái)看，多尺度以及和制造工藝協(xié)同的仿真，可以使仿真軟件串聯(lián)起鋰電產(chǎn)業(yè)上下游，未來(lái)有希望可以覆蓋整車企業(yè)、電芯企業(yè)及電池材料企業(yè)。

展望

我國(guó)已經(jīng)建立起了鋰電池行業(yè)材料-電芯-模組-新能源汽車的完整產(chǎn)業(yè)鏈，中國(guó)制造的電池產(chǎn)品遠(yuǎn)銷歐美發(fā)達(dá)國(guó)家市場(chǎng)以及印度等新興市場(chǎng)，部分電池企業(yè)也和國(guó)外的主機(jī)廠展開合作，將電池制造技術(shù)帶到歐美，由此可見(jiàn)中國(guó)鋰電行業(yè)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品輸出和制造技術(shù)輸出甚至是資本輸出。

但是從產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的視角來(lái)看，鋰電池的設(shè)計(jì)仿真這一核心技術(shù)仍未掌握，現(xiàn)有成熟的商業(yè)仿真軟件仍屬海外公司，國(guó)外科研人員和公司也都在加緊開發(fā)更加前沿的鋰電池仿真技術(shù)，希望從源頭的設(shè)計(jì)端突破，重新掌握鋰電產(chǎn)業(yè)的主導(dǎo)權(quán)。所以，掌握設(shè)計(jì)仿真技術(shù)將是我國(guó)鋰電產(chǎn)業(yè)未來(lái)發(fā)展的一個(gè)重要目標(biāo)。占據(jù)正向設(shè)計(jì)仿真技術(shù)這一產(chǎn)業(yè)發(fā)展的制高點(diǎn)，將有利于推動(dòng)我國(guó)鋰電產(chǎn)業(yè)從依靠制造優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)變?yōu)橐揽考夹g(shù)創(chuàng)新優(yōu)勢(shì)的發(fā)展方式。

鋰電池仿真技術(shù)無(wú)論是在理論上還是數(shù)值模擬方法上都存在拓展的空間，這就為國(guó)內(nèi)鋰電池仿真軟件發(fā)展提供了技術(shù)研發(fā)上的條件和空間，而國(guó)內(nèi)鋰電全產(chǎn)業(yè)鏈的龐大制造規(guī)模優(yōu)勢(shì)，潛在的測(cè)試數(shù)據(jù)規(guī)模優(yōu)勢(shì)，也為國(guó)內(nèi)鋰電池CAE仿真軟件的發(fā)展提供了豐厚的土壤。新興制造業(yè)發(fā)展引發(fā)新產(chǎn)品和新工藝開發(fā)，進(jìn)而產(chǎn)生新的設(shè)計(jì)和仿真需求，為促進(jìn)仿真軟件的發(fā)展提供了市場(chǎng)條件。從這個(gè)角度上說(shuō)，鋰電池仿真是國(guó)內(nèi)CAE仿真軟件的一個(gè)突破口。

工業(yè)仿真軟件發(fā)展周期長(zhǎng)、開發(fā)難度很高，以多物理場(chǎng)仿真軟件COMSOL為例，公司成立于1998年，發(fā)展到今天也已經(jīng)走過(guò)近30年。開發(fā)工業(yè)仿真軟件需要數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、流體力學(xué)、材料科學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等眾多基礎(chǔ)科學(xué)和工程科學(xué)的科技人才。而且工業(yè)軟件只有邁向高端這華山一條路可以走，工業(yè)仿真軟件企業(yè)需要從創(chuàng)立之初就秉承著研發(fā)高端技術(shù)產(chǎn)品的信念，才有可能從小到大、從弱到強(qiáng)發(fā)展起來(lái)。

唯有技術(shù)持續(xù)創(chuàng)新發(fā)展，才能使產(chǎn)業(yè)不斷走向繁榮。從原理出發(fā)，站在基礎(chǔ)科學(xué)的前沿上實(shí)現(xiàn)理論工程化的實(shí)際突破，才有可能真正實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)的發(fā)展。工業(yè)仿真軟件恰是會(huì)承擔(dān)起這樣的作用。

由于筆者時(shí)間、視野、認(rèn)知有限，本文難免出現(xiàn)錯(cuò)誤、疏漏等問(wèn)題，期待各位讀者朋友、業(yè)界專家指正交流。

文中部分業(yè)界觀點(diǎn)獲得六度智囊支持，在此表示感謝

參考文獻(xiàn)

【智能制造會(huì)議報(bào)告-施翀】多物理場(chǎng)仿真助力鋰離子電池研發(fā) (qq.com) Liu X, Zhang L, Yu H, et al. Bridging Multiscale Characterization Technologies and Digital Modeling to Evaluate Lithium Battery Full Lifecycle[J]. Advanced Energy Materials, 2022, Jun 15:2200889. 黃杰,凌仕剛,王雪龍,蔣禮威,胡勇勝,肖睿娟,李泓.鋰離子電池基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題(ⅩⅣ)——計(jì)算方法[J].儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù),2015,4(02):215-230. Yao N, Chen X, Fu ZH, Zhang Q. Applying Classical, Ab Initio, and Machine-Learning Molecular Dynamics Simulations to the Liquid Electrolyte for Rechargeable Batteries[J]. Chemical Reviews. 2022 林海,鄭家新,林原,潘鋒.材料基因組技術(shù)在新能源材料領(lǐng)域應(yīng)用進(jìn)展[J].儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù),2017,6(05):990-999. 鋰離子電池多尺度多物理場(chǎng)模擬方法發(fā)展與應(yīng)用_嗶哩嗶哩_bilibili https://www.bilibili.com/video/BV1Lr4y1u7ud?spm_id_from=333.880.my_history.page.click Chen, Z., Danilov, D. L., Eichel, R. A., & Notten, P. H. (2022). Porous Electrode Modeling and its Applications to Li‐Ion Batteries. Advanced Energy Materials, 2201506. FANG Ruqing, GE Hao, WANG Ziheng, et al. A two-dimensional heterogeneous model of lithium-ion battery and application on designing electrode with non-uniform porosity[J]. Journal of the Electrochemical Society, 2020, 167(13): 130513. 王子珩. 團(tuán)聚體堆疊型多孔電極模型構(gòu)建與應(yīng)用[D]. 北京: 清華大學(xué), 2017. Stephenson, David E., et al. Modeling 3D microstructure and ion transport in porous Li-ion battery electrodes[J] Journal of The Electrochemical Society , 2011，158(7): A781. 常力戈. 鋰離子電池電極性能與顆粒微結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)的相場(chǎng)模擬[D].中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué),2021. 項(xiàng)李志. 顆粒尺度電化學(xué)-機(jī)械模型構(gòu)建與應(yīng)用研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué),2020. 巫湘坤,詹秋設(shè),張?zhí)m,張鎖江.鋰電池極片微結(jié)構(gòu)優(yōu)化及可控制備技術(shù)進(jìn)展[J].應(yīng)用化學(xué),2018,35(09):1076-1092. 李茂源,張?jiān)?汪正堂,譚鵬輝,劉興鵬,張道琦,李光,解晶瑩,周華民.鋰離子電池極片制造中的微結(jié)構(gòu)演化[J].科學(xué)通報(bào),2022,67(11):1088-1102. Ngandjong A , Rucci A , Maiza M , et al. A Multiscale Simulation Platform Linking Lithium Ion Battery Electrode Fabrication Process With Performance At The Cell Level[J]. Journal of Physical Chemistry Letters, 2017:5966. Chouchane M , Rucci A , Lombardo T , et al. Lithium ion battery electrodes predicted from manufacturing simulations: Assessing the impact of the carbon-binder spatial location on the electrochemical performance[J]. Journal of power sources, 2019, 444(Dec.31):227285.1-227285.6. Rucci A , Ngandjong A C , Primo E N , et al. Tracking variabilities in the simulation of Lithium Ion Battery electrode fabrication and its impact on electrochemical performance[J]. Electrochimica Acta, 2019. Acna B , Tla B , Enpa B , et al. Investigating electrode calendering and its impact on electrochemical performance by means of a new discrete element method model: Towards a digital twin of Li-Ion battery manufacturing - ScienceDirect[J]. Journal of Power Sources, 2021, 485. Chouchane M , Rucci A , Franco A A . A Versatile and Efficient Voxelization-Based Meshing Algorithm of Multiple Phases[J]. ACS Omega, 2019, 4(6):11141-11144. Chouchane M , Franco A A . An Invitation to Engage with Computational Modeling: User-friendly Tool for In Silico Battery Component Generation and Meshing[J]. Batteries & Supercaps, 2021. Duquesnoy M , Lombardo T , Chouchane M , et al. Data-driven assessment of electrode calendering process by combining experimental results, in silico mesostructures generation and machine learning[J]. Journal of Power Sources, 2020, 480:229103. Ryan E M , Mukherjee P P . Mesoscale modeling in electrochemical devices—A critical perspective[J]. Progress in Energy and Combustion Science, 2019, 71(MAR.):118-142. Bermejo R , Sastre P . An implicit-explicit Runge-Kutta-Chebyshev finite element method for the nonlinear Lithium-ion battery equations[J]. Applied Mathematics and Computation, 2019, 361:398-420. Jiang Z Y , Qu Z G , Zhou L , et al. A microscopic investigation of ion and electron transport in lithium-ion battery porous electrodes using the lattice Boltzmann method[J]. Applied Energy, 2016, 194(MAY15):530-539. Shodiev A , Primo E , Arcelus O , et al. Insight on Electrolyte Infiltration of Lithium Ion Battery Electrodes by Means of a New Three-Dimensional-Resolved Lattice Boltzmann Model[J]. Energy Storage Materials, 2021, 38(8). Asa B , Fmza B , Jia Y , et al. Designing Electrode Architectures to Facilitate Electrolyte Infiltration for Lithium-Ion Batteries[J]. Energy Storage Materials, 2022. Kim G H , Smith K , Lawrence-Simon J , et al. Efficient and Extensible Quasi-Explicit Modular Nonlinear Multiscale Battery Model: GH-MSMD[J]. Journal of the Electrochemical Society, 2017, 164(6):A1076-A1088. Fan G , Pan K , Storti G L , et al. A Reduced-Order Multi-Scale, Multi-Dimensional Model for Performance Prediction of Large-Format Li-Ion Cells[J]. Journal of The Electrochemical Society, 2017, 164(2):A252-A264. 淺談電池研發(fā)實(shí)驗(yàn)管理數(shù)字化成熟度模型的價(jià)值與應(yīng)用 (qq.com) Ayerbe E, Berecibar M, Clark S, Franco AA, Ruhland J. Digitalization of battery manufacturing: Current Status, challenges, and opportunities[J]. Advanced Energy Materials, 2022 May;12(17):2102696. 仿真驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì) (qq.com) https://fastonetech.com/blog/cae-ansys-simulation-20210531/ SimScale – Wikipedia 段紅,邱曉剛.網(wǎng)絡(luò)化仿真及其發(fā)展趨勢(shì)[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2021,33(07):1526-1533. COMSOL產(chǎn)品發(fā)布?xì)v程 (comsol.com) https://cn.comsol.com/release-history 專題討論70--開源CFD軟件和商用CFD軟件_嗶哩嗶哩_bilibili https://www.bilibili.com/video/BV1Et4y147NX?spm_id_from=333.880.my_history.page.click

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