摘要：目前锂电池发展已经出现了多条技术路线，对能量密度、功率密度、寿命及安全性的要求越来越高，而耗时长、成本高的实验试错研发方法越来越难以适应下游市场的需求，因此需要在设计仿真方面实现较大的突破。Simcenter BDS工具中主要包括Newman伪二维（P2D）模型为主的电化学模型、等效电路模型和热电耦合模型这三大类锂电池仿真模型，可以帮助客户预测和了解真实的物理现象，在设计的早期探索各种设计变体。通过本次分享，用户对BDS工具建模的关键技术和DIST模型（一种扩展的Newman 模型）预测精度会有深入的认识。
1. 前言从电池现有的标准体系看，指定整个电池标准的时候，是按照六个方面的性能来分类的，分别是电性能、寿命、安全性、互换性、回收利用以及关键附件。对于单电芯的研发设计来说，就是要在满足规范要求的前提下尽可能的提升电池单体性能。过去传统的电芯设计采用试验试错法：
根据订单确认m个可设计参数，每个参数可能有n个不同取值制作电芯原型，开展正交试验，一般会产生数十个电芯原型开展性能测试、规范性测试方案评价，如不满足要求则重新开展制样-试验的试错流程这种方法的劣势非常明显，包括大量的制样和多次试验，时间成本和经济成本都很难接受。仿真设计方法被更广泛应用于电芯设计流程中，仿真的意义和作用就在于帮助企业尽可能减少制样测试的次数，避免盲目试错，获得更优的设计方案。
市面上常见的电芯仿真设计工具包括COMSOL、BDS、Autolion等，主要包含Newman伪二维（P2D）模型为主的电化学模型、等效电路模型和热电耦合模型这三大类，此外部分工具还包括电化学-力学耦合模型等。其中以Newman伪二维（P2D）模型为代表的电化学模型主要用于电极与单体电芯的设计和性能仿真，通过一系列偏微分方程组来描述锂离子电池内部发生的电化学反应，包括锂离子固液两相扩散、电解质中锂离子的迁移、固液界面的电荷转移等过程。该模型自1993年提出以来经过不断的验证和完善，已经可以很好的预测电芯常规性能。本文主要介绍Simcenter BDS工具建模的关键技术，以及DIST模型的验证案例。
Simcenter BDS工具建模的关键技术2.1 闭环电芯建模与验证工作流程BDS作为一款商业软件，完全按照电芯的标准设计流程进行开发，客户可以根据引导流程建立详细的电化学模型：
首先电池厂的客户提出需求，设计人员将其整理成各种性能指标初步设定电芯的几何尺寸，完成电极、分离器、电解液的选定以及参数输入选择封装形式，并输入电池单元电压等参数生成一个IET模型，并结合外部负载完成各种工况测试仿真结果判断并进行优化，同时结合物理测试数据进行相关性验证，优化模型2.2 全面的液态锂电池建模能力BDS可建模的的锂电池类型包括简单的纽扣电池、层叠式电池、卷芯电池，包装形式可以是软包的或者硬壳的。除了能对各种电池单元类型建模外，还可以根据需要建立不同复杂程度、不同保真度的IET模型。
不同的IET模型可实现保真度、运行时间和精确度之间的平衡，例如根据HPPC测试数据拟合出的RCR等效电路模型，更适合用于对频繁充电/放电建模；而基于Newman 伪2D电化学模型拓展出来的DIST模型，是一种详细的电化学和热模型，更适用于用于捕捉输运动能和老化现象。
2.3 基于模板的简便、快捷设置BDS中各种电池单元类型都作成了模板，使用设计师最熟悉的电池术语，同时还能自动设计性能分析，易用性无可挑剔。此外，提供非常多的后处理功能：
配置文件查看器显示所有配置内容，一目了然输出查看器作为常用的后处理工具，含有丰富的展示形式物料清单帮助设计师精准计算单电芯成本芯卷查看器帮助设计师发现缠绕过程中的错误2.4 快速且准确的建模与仿真BDS可以在速度以及精度之间进行平衡，对比CFD三维计算来说，各种建模都可以得到瞬时或者近瞬时的结果。此外，可以选择模型的离散化级别来平衡计算精度和时间，对于快速且准确的模型，每个IET模型都可以在1D或3D模式下以单个或多个电子网格单元网格运行：
对于电池单元中温度变化更加明显的较大格式电池单元，3D模型更加合适1D模型运行起来明显快得多，在许多情况下足够用2.5 灵活的材料数据库BDS内嵌材料数据库非常强大，包含一系列活性材料、粘合剂、导电助剂、添加剂、极耳、金属带、收集器、分离器、封装的材料属性数据。用户可以自行添加新材料，并录入详细信息，例如电压平衡曲线、熵、扩散系数输入、插入表、反插入表等等。
2.6 设计探索
自动化工作流可以将几何和分析工具链接起来，并有助于快速更改设计。智能设计空间探索算法，可更好更快地深入了解并查找更好的电池单元设计，尽可能提高总体性能，优化电池单元内的材料使用，尽量降低阻抗，改善寿命功能。BDS提供三种设计优化的思路:
BDS包含数据拟合工具，用于根据实验测试数据回归模型参数，从而提高模拟的可靠性可以使用内置功能轻松执行设计参数扫掠Simcenter HEEDS 驱动BDS执行多目标优化研究DIST模型验证案例分享3.1 使用1D电子网格单元进行电芯扩展和热设计本案例来自于AABC2014年发表的一篇报告，作者使用BDS工具创建了一个DIST电化学模型，其中电子网格单元采用了1D单元电池方法而非传统的3D离散化建模。仿真结果与试验结果比较，“电压-容量”曲线最大误差2.5%，说明1D 单元电池不仅可以提供快得多的预测，精确度与完全解析 3D 电池单元模型相当。此外，作者对电芯的几何形状做多多次调整，不同倍率放电下仿真与试验结果均十分接近，进一步说明1D模型预测电芯性能的可行性。
3.2 模拟纽扣电池单元的放电BDS与第三方机构INL合作，收集了多种锰酸锂的纽扣电池。对这些纽扣电池分别在不同温度下、以不同的负载进行放电仿真与试验。从图中可以看出在各种温度和负载下，模拟 LiMnO2 纽扣电池单元的宏观均相DIST模型，很好的预测放电电压随时间的变化。
3.3 使用加速老化模拟放电性能本案例通过模型加速老化过程，验证使用DIST开展循环寿命预测的可行性。首先找到一种地球同步轨道卫星的 40Ah 锂离子电池，针对未使用过的全新电池，分别在0℃、15℃、30℃三个温度下，以不同的放电电流（4.4a、8.8a、22a）放电，记录电压变化；同时使用BDS中的DIST模型开展同工况仿真分析；结果表明仿真和试验结果拟合度较好。找到一个已经在实验室环境下以规划的电流充放电2208次的电池，通过试验测试得到“电压-容量”曲线，并与DIST中老化模型预测的结果比较，证明使用 DIST 电池单元模型可以正确预测循环老化。
4. 总结Simcenter BDS是一个单独锂电池电芯设计工具，具有20多年的开发历史，是一款非常好用的商业化软件。BDS允许电芯设计人员通过配置高保真的电池单元的每个组件来构建电芯的数字样机，在虚拟环境下测试几乎电池单元在不同条件下的响应，如快速充放电、驾驶循环工况，或者脉冲工况等等。除了本文中介绍的DIST模型外，Simcenter BDS工具还可以创建RCR等效电路模型用于对频繁充电/放电建模和分析，后续推文中将详细介绍该类模型的拟合方法，敬请期待。
资料来源：
西门子工业软件官网Simcenter 1D 系统仿真公众号
