電氣化正在從基礎上重塑車輛工程，使得電池電芯層級模擬成為創新中的關鍵因素。從內燃機（ICE）轉向電動車（EV）帶來了新的設計挑戰並提高了安全要求。現代工程日益仰賴多物理場（Multiphysics）模擬——從電化學到結構分析——來驅動最佳化的電芯、模組、電池包以及整車設計。讓我們探討電池電芯工程中的不同方法學如何改進電池設計，以打造高效率的電動車。
Introduction
邁向車輛電氣化是汽車技術的一次重大演進。電池技術的創新與先進模擬做為這個轉型的最前線，支撐可靠且高性能的 EV。內燃機（ICE）在過去一個多世紀中一直是車輛動力的關鍵角色，提供穩定的性能與燃油效率。然而，電動車（EV）的快速演進已成為滿足新性能與安全需求的關鍵。
在簡介電氣化對車輛工程影響的基礎上，下節將探討推動此轉型的技術進步。
車輛技術的演進
內燃機在數十年間提供可靠的性能與效率，但 EV 重新定義了輸出與設計彈性的基準。在不到十年的時間裡，EV 在某些面向上已經匹敵甚至超越 ICE 同儕的功率輸出與性能指標。這個迅速的演進帶來對可靠解決方案的需求，以應對該領域新技術的挑戰。電池技術的創新與先進模擬工具，對於處理此轉型中的新挑戰非常重要。
電池是電動車中的關鍵元件，負責產生能量並確保安全。它們結構複雜，從化學到整車整合都需要先進工程手法。本文探討模擬如何大量應用於電池電芯，以提升性能、強度、剛性與安全性，特別是在濫用（abuse）情境下。
要透過模擬處理複雜挑戰，必須使用先進的有限元素分析（FEA）工具。Abaqus 長期以來是達梭系統（Dassault Systèmes）在結構分析（包含複雜非線性問題）上的基礎工具。過去十年，該公司擴展了能力，納入其他物理領域，例如透過 PowerFLOW 進行計算流體力學（CFD）以及使用 CST Studio Suite 進行電磁場模擬。
所有這些技術都整合在3DEXPERIENCE 平台這個單一平台上。該平台提供創新的電池電芯工程模擬方式，使得不同類型模擬之間能無縫切換。因此，工程師可以確保各個零件在整體系統中最佳運作，提升電動車的安全與效率。
EV 技術的進步帶來電池設計的獨特挑戰，需要創新的方法來處理性能、安全與整合。
電池技術的挑戰與考量
電池設計與管理
EV 主要涉及三個關鍵元件的整合：
- 電池作為主要電力來源。
- 電力驅動系統（electric drive）推動車輛。
- 功率電子管理能量供應。
這些電池系統的完整設計流程涉及多個關鍵面向。工程師必須考量從材料選擇、電芯配置到先進冷卻系統的整合。舉例來說，系統必須維持小於 2°C 的溫度梯度。這個嚴苛要求有助於防止過熱，並確保電池在理想熱範圍內運作。
電池供電能力極為重要，因為它為電力驅動與車內輔助系統（例如 HVAC：暖通空調）供電。它必須適應不同的電壓需求，同時管理熱負載——這可能增加電阻與應力。前製造（pre-manufacturing）模擬對於辨識與緩解潛在失效也十分重要，藉此確保 EV 的電池系統堅固且可靠。
與笨重的內燃機不同，電池在車輛中的放置位置較為彈性。它通常放在車底，以最佳化空間並降低重心。這導致底盤設計必須做出相應調整，特別是因為電池重量大、對配重影響顯著。
HVAC 系統對乘坐舒適度至關重要，但其用電來自電池。依天候而定的 HVAC 能耗會影響 EV 的續航與性能。因此，必須審慎考量電池效率與容量。
將電池系統整合到車輛架構中，帶來額外設計考量，包括重量分配、結構調整與熱管理。
車輛架構中的關鍵考量
- 設計創新：為滿足汽車產業需求，需要創新的設計途徑。各公司做法不同；有些維持傳統結構，另一些則以全新 EV 架構創新。
- 設計模擬：多元的設計策略凸顯模擬的重要性，以評估不同架構選項的性能與適配性。
- 電芯型態：車廠對電芯型態（圓柱、軟包（pouch）、方形（prismatic））的偏好，會影響模組與電池包的設計、放置與可製造性。
- 快速模擬與分析：加速的模擬工作流程對於更快的資料驅動改進至關重要。
一個結構化的工程工作流程——從材料層級模擬開始直到整車整合——對於系統性地處理這些挑戰是必要的。
電池電芯工程工作流程
達梭系統提供的技術，支持從分子層級到整車性能的電池系統設計與開發。工程師可在分子層級，使用各種化學配方來建立與配製如陽極與陰極等元件材料。我們的姊妹品牌 BIOVIA 進一步強化了這項能力，促成分子層級模擬。
自材料獲得的性質隨後可用於連續體層級（continuum-level）模擬。這個方法延伸至電芯、模組與電池包層級的模擬，以最佳化電池系統的設計、性能與效率。在電池電芯層級會採用不同的方法學來處理工程挑戰，並延續到模組與電池包層級，以提供完整的解決方案。
1D 模擬有助於評估電池系統在功率或電壓需求方面的性能，同時整合電池管理系統（BMS）以進行有效的熱控制。像 Dymola 這類工具可透過1D 系統層級模擬分析整體系統性能。
BMS 確保最佳運作與壽命。它管理充電週期、監控電池健康，並透過熱管理提供安全性。最終，最佳化的電池設計會整合至整車模型，以辨識與解決非電池相關的問題。
本文將聚焦於電池電芯設計的關鍵工作流程，這些都屬於電池電芯工程的範疇。
工程工作流程從電池電芯的設計與分析開始，聚焦於安全性、結構完整性與操作條件下的性能。
1. 電池電芯設計、分析與安全考量
預留放圖預留放圖預留放圖
電池電芯主要分為四種類型：鈕扣型、方形（prismatic）、聚合物或軟包（pouch）與圓柱型。每種型態都有其獨特特性與熱行為。
要設計高效率的電池電芯，必須考量適當的操作條件效應，例如溫度、離子流、電壓與電流變化、濫用載荷（abused structural loads）以及正確的電芯幾何。達梭系統已開發不同的工作流程，協助工程師在各種條件下驗證與提升電池電芯性能，涵蓋多個物理領域，如電化學、熱、結構等。稍後我們將討論其中幾種方法學。
電化學性能分析是理解充放電循環、熱行為與材料交互對電芯內部影響的關鍵步驟。
2. 電化學性能分析
在電池電芯工程中，分析電化學性能極為重要。電池的性能高度取決於重複充放電循環的效應，這會造成電池容量隨時間衰減。針對電芯內離子與電子運動的詳細評估——這些運動影響溫度分佈——可為陽極、陰極與隔離膜的配置決策提供資訊。
此分析檢視微觀與巨觀的擴散、熱電損失，以及充放電效應。電化學分析可在 Abaqus/Standard 中使用多孔電極理論（PET），基於同質化 Newman 型方法來簡化複雜孔隙幾何。
在巨觀尺度上，多孔電極被建模為一個同質化介質，由活性固體電極粒子相與液態電解液相的疊加組成，且具有已知體積分率。在微觀尺度上，假設一組球形粒子，對其求解（非線性的）鋰離子擴散模型。導電黏結劑連接固體粒子，合在一起形成固體電極相。
由於相較其他電池型式具備多重優勢，鋰離子電池已成為 EV 可充電電池的支柱。這些電池的電化學性能取決於多種擴散過程之間的交互。在充電時，鋰離子透過電解液嵌入（intercalate）；同時，電子在外部電路中流動，突顯鋰離子的巨觀擴散與電子的微觀擴散的雙重性。相反地，在放電時，過程反向，強調檢視離子與電子運動的重要性，以評估整體電池性能。
電化學過程中的所有階段（微觀、巨觀擴散與嵌入）皆被數值化地納入 Newman 模型。由3D Newman 模型推導的控方程是此過程的核心，該模型使用熱–電化學耦合來模擬電池行為。
此模型允許我們在不同的電壓與電流曲線下，探討溫度分佈於不同充電倍率（charging rates）下的情形。充電倍率（C-rate）在電池性能中扮演關鍵角色。所謂 1C 代表電池在一小時內充滿；2C 則時間減半。然而，較高的充電倍率可能導致顯著的溫升，形成安全風險；較低的倍率則提供更均勻的溫度分佈，但需要更長的充電時間。因此，必須在充電時間與溫升速率之間取得權衡。
此外，因熱生成與充電倍率所致的電壓特性變化也能被研究。基於輸入條件，分析可用以選擇最有效率的電芯型式（如圓柱、軟包等），以及極耳（tabs）的正確放置位置。
進階 Newman 模型包含所謂的溫度–位移耦合電化學分析（Coupled Temperature-Displacement Electrochemical analysis）的位移效應。此作法允許檢視由溫度變化引起的體積應變。這個基於 3D Newman 模型的分層方法，藉由提供對鋰離子濃度、體積應變、溫度分佈與電位變化的洞見，協助最佳化電池充電策略，且可用於分析如腫脹引發的電解液流動、孔隙率演化、腫脹致應力、三維電極架構等現象。
一個電化學性能的通用工作流程能簡化分析過程，使在不同條件下的電芯行為評估更為有效率。
電化學性能的通用工作流程
由於電芯元件具有極薄層，通常不適合直接用精確 3D 幾何來做分析。通常，電化學性能分析會從簡化的電芯元件表徵開始。
P2D（Pseudo 2D）模擬針對簡化的電芯元件表徵，將電芯元件以平面形式呈現。該流程包含在 3D 中維持陽極、陰極與隔離膜的正確體積分率。P2D 模型建立完成後，會依據測試數據與 Newman 模型對材料參數進行校準，以確保電化學性質模擬的真實性。接著把自 P2D 模擬獲得的校準材料模型應用於更細緻的3D 有限元素（FE）建模，稱為 P4D 模擬，以評估所需輸出。此方法透過材料反覆校準與先進模擬，有效模擬真實世界的電池行為。
除了電化學性質之外，還必須評估電池電芯的機械性能，以確保在載荷下的強度、剛性與耐久性。
3. 強度、剛性與耐久性分析
電芯設計的評估包含多個步驟，除了檢視電化學性質，也要評估剛性與強度。此評估使用一個特別開發的副程式（subroutine），處理因荷電狀態（SoC）變化而產生的電芯膨脹或腫脹（swelling）。
不同的 SoC 會引發不同的腫脹行為。這些行為會在使用者副程式中以數值方式建模，並可直接套用。此作法明確地鎖定由離子轉移引起的循環腫脹問題。
進一步的分析會考量外部載荷下的強度與剛性，例如軸向壓縮、三點彎曲、徑向壓縮與衝擊。目標是量測這些載荷條件下產生的反力，以支援電芯設計決策。
為了處理運算挑戰，會套用模型階次縮減（Model Order Reduction, MOR）技術，以在維持精度的同時提升模擬效率。
4. 模型階次縮減技術
從建模觀點來看，一個電池電芯由多層組成，包括陽極、陰極與隔離膜。當以 2D 或 3D 來建模這些元件時，元素數可能會非常龐大，導致計算時間大幅增加。此挑戰可透過套用 MOR 技術來解決，藉由以實驗數據進行材料校準而不是完全仰賴詳盡的細節建模，來顯著縮減模型規模。
進階的校準技術透過使模擬參數與實驗數據對齊，來精煉材料模型，確保在操作條件下具準確預測。
5. 電芯材料最佳化的進階校準技術
材料校準使用如 Isight（或 3DEXPERIENCE 平台上的 Process Composer App）等最佳化工具，使電芯材料行為與實驗數據一致。這涉及在所選的塑性模型（例如各向異性或 Hill 塑性）內調整參數，以符合測試結果。校準流程包含執行標準測試（徑向、三點彎曲、壓痕與軸向壓縮測試），並將結果與 Abaqus 等工具的模擬輸出比較。透過改變材料常數微調模擬結果，直到與測試數據一致。
隨後，材料模型會納入荷電狀態（SoC）相依性，方法是引入場變數（field variable），實質上為材料模型加入與 SoC 相關的指數（m）。此調整可確保模擬模型能在不同 SoC 下準確重現測試結果。材料模型也會被精煉以納入應變速率相依性，使特定應變速率下的模擬輸出與實驗數據一致。
此一電芯設計評估方法結合電化學性質與結構完整性的深入分析，同時使用先進建模技術來降低計算需求。藉由嚴謹地將材料性質與實驗數據對齊，並納入 SoC 與應變速率相依性，此方法可對電芯性能做出準確且可靠的預測。在此情境中，由於材料已以真實材料校準，單一圓柱表徵即已足夠（可消除大量前處理並降低自由度數目）。
理解劣化機制（包含曆齡（calendric）與循環（cyclic）老化）對於預測容量衰退與為長壽命最佳化電池設計極為重要。
6. 劣化：曆齡與循環機制
電池劣化源於曆齡老化（受時間與儲存條件影響）與循環老化（在重複充放電循環中累積）。這些機制導致容量衰退、內阻增加以及電芯內部的機械應力。
在材料層級，關鍵的劣化機制之一是固態電解質介面（SEI）的形成與成長。雖然 SEI 初期具有保護性，但會隨循環持續演化。活性粒子表面的裂紋會暴露新鮮材料，導致 SEI 在表面裂縫內成長，進一步消耗鋰庫存並促成容量衰退。此外，SEI 的累積會降低電極孔隙率與活性表面積，從而阻礙離子傳輸並放慢反應動力學。
SIMULIA 的模擬環境可實現電化學–熱–機械耦合的建模方法，將SEI 演化、析鋰（lithium plating）、應力致裂等劣化途徑整合到設計流程中。透過在電芯內空間解析這些效應，工程師可評估非均勻老化行為並找出局部性能瓶頸。
這些洞見可直接導入以可靠度為導向的設計決策，例如熱管理、電極架構與充放電策略的最佳化。鑑於高擬真老化模型的計算成本，模型階次縮減（MOR）技術可簡化這些詳細模型——在保留關鍵劣化行為的同時，使其能在系統層級（包含 BMS 整合與控制策略開發）中更快速地模擬。
熱管理策略對於緩解劣化效應並確保在各種操作溫度下維持一致性能至關重要。
電池電芯中的熱管理
電芯的熱行為對其性能有重大影響；溫度升高會使效率明顯下降。因此，維持最佳溫度範圍可確保電芯壽命與運作效率。在此脈絡下，CFD 程式是電芯熱設計與管理中不可或缺的工具。它們提供最佳化電芯性能與耐久性所需的關鍵洞見與能力，凸顯熱管理在電池技術中的重要性。
電性與熱建模的整合，提供了最佳化電芯設計的完整框架，能同時考量相互依存的熱與電行為。
為強化電芯設計的電–熱整合建模
在當代電池技術開發中，電性與熱現象的相依性至關重要。為避免精度損失，準確的建模要求整合電與熱模型。像 PowerFLOW 這樣的 CFD 工具可進行同步建模，使用電壓與電流數據來生成溫度、電阻與荷電狀態（SoC）的響應曲面。此方法促進系統層級的更新，並透過等效電路模型（例如 Newman–Tiedemann–Gu（NTG） 與 NREL）納入溫度效應。該方法允許精確計算溫度分布，這對於評估與最佳化如極耳尺寸與位置、電芯面積、集流體厚度等設計參數非常重要。此一整合模擬方法旨在設計可承受各種載荷條件的電化學電芯，確保其在操作環境中的性能與安全。
原文轉載來自: Ritu Singh – Battery Cell Engineering in Modern Vehicle Design
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