當(dāng)下正處于百年未遇的大變革時代，汽車產(chǎn)業(yè)正在加速電動化轉(zhuǎn)型。得益于政府支持，近年來中國新能源汽車產(chǎn)業(yè)得到了快速的發(fā)展。動力電池作為新能源汽車的核心部件，是汽車產(chǎn)業(yè)電動化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵支撐，各大動力電池企業(yè)都在加速推進(jìn)新一代電芯產(chǎn)品的研發(fā)。能不能在新產(chǎn)品的研發(fā)上率先取得進(jìn)一步突破，決定了企業(yè)在接下來更加激烈的市場競爭中能否取得先機(jī)。因此，探索一條更加高效、快速、精準(zhǔn)的研發(fā)路線（研發(fā)模式），對于動力電池企業(yè)提升自身競爭力來說非常重要。

一、鋰電池研發(fā)現(xiàn)狀

近年來鋰電領(lǐng)域已經(jīng)表現(xiàn)出創(chuàng)新乏力的疲態(tài)，主流公司的代表性創(chuàng)新技術(shù)大多集中在結(jié)構(gòu)創(chuàng)新方面，比如2170、4680、刀片電池、蜂窩結(jié)構(gòu)、SPS 、CTP、CTC、麒麟電池、AB電池等。而對于電池本身的創(chuàng)新，除了個別公司外（如特斯拉引入的干電極技術(shù)），鮮有報道。造成這種現(xiàn)象的一個原因是結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域有大量成熟的商業(yè)軟件作為結(jié)構(gòu)設(shè)計工具幫助工程師進(jìn)行快速精準(zhǔn)的虛擬設(shè)計評估，而電化學(xué)設(shè)計領(lǐng)域還處于行業(yè)發(fā)展的初期階段，行業(yè)積淀并不深，電化學(xué)設(shè)計工具缺席，所以研發(fā)模式上還是以傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)試錯方式為主。



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這種低效的研發(fā)模式導(dǎo)致研發(fā)投入極大、研發(fā)周期較長，不利于新技術(shù)的快速突破。基于試錯積累經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)創(chuàng)新的模式在處理復(fù)雜多因素工程問題時本身就容易產(chǎn)出片面化結(jié)論，難以應(yīng)對多維度設(shè)計尋優(yōu)問題。另外，試錯式研發(fā)過度依賴個人經(jīng)驗(yàn)，不利于企業(yè)的研發(fā)知識沉淀，甚至?xí)胍恍╁e誤的經(jīng)驗(yàn)。比如，在鎳氫電池時代工程師總結(jié)出一套基于HPPC測試表征電池功率能力的方法，這種方法作為經(jīng)驗(yàn)被引入到鋰電池功率表征中。

然而，實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)這種方式計算出的功率很多情況下都跟電池實(shí)際功率偏差極大，之后才又發(fā)展出試電流試功率的表征方法，雖然表征結(jié)果更為精準(zhǔn)，但是測試效率有待提升。 相比與電芯的“身外之物”——結(jié)構(gòu)方面的創(chuàng)新，聚焦在電芯主體上，圍繞關(guān)鍵本征屬性（能量密度、充電能力、功率、安全性、壽命）與目標(biāo)市場工況及成本之間的多因子交互設(shè)計創(chuàng)新更能體現(xiàn)一個企業(yè)的技術(shù)實(shí)力。

因此，目前行業(yè)對于電化學(xué)正向設(shè)計的需求非常強(qiáng)烈，部分公司已經(jīng)在嘗試借鑒其他成熟行業(yè)發(fā)展規(guī)律，依托仿真技術(shù)來搭建自己的數(shù)字化正向設(shè)計能力，為接下來更加激烈的市場競爭提前準(zhǔn)備。

二、鋰電池仿真技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

目前鋰電池仿真技術(shù)根據(jù)建模簡化等效原理大致可以分為幾類：基于響應(yīng)行為等效處理模型(等效電路)、考慮部分物理過程的半物理模型(單顆粒、集總電池)、基于簡化圖像描述電極物理過程的準(zhǔn)物理模型(P2D)、基于非簡化極片結(jié)構(gòu)的3D電化學(xué)重構(gòu)模型以及多場耦合模型。

數(shù)學(xué)層面上，仿真模型技術(shù)本身正在朝著能夠描述更多物理過程的方向發(fā)展(或者模型與實(shí)體對象的物理相似度越來越高的方向發(fā)展)。但是考慮實(shí)際工程場景下，仿真模型的應(yīng)用一方面受限于數(shù)學(xué)建模技術(shù)，另一方面也受限于實(shí)驗(yàn)建模技術(shù)(建模表征技術(shù))，所以盡管當(dāng)前已經(jīng)有不少高物理相似度的電化學(xué)模型報道（如3D重構(gòu)電化學(xué)模型、3D多場耦合等），但是這類模型在工程實(shí)踐中的應(yīng)用并不多，反而是P2D框架下衍生出來的模型在工程實(shí)踐中應(yīng)用的越來越廣泛。

比如，市場上的可以提供鋰電池仿真功能的軟件COMSOL、Autolion、BDS等都內(nèi)置了P2D模型作為電化學(xué)仿真的基礎(chǔ)模型。這些軟件中Comsol的應(yīng)用更為廣泛，但是也還存在一些缺陷，不能夠直接作為電池設(shè)計工具來發(fā)揮作用。首先，缺乏設(shè)計語言翻譯建模引導(dǎo)，使得經(jīng)驗(yàn)設(shè)計語言與模型語言之間無法互譯，工程師不知道如何把設(shè)計文檔轉(zhuǎn)換為建模輸入，進(jìn)而無法嵌入到研發(fā)設(shè)計流程當(dāng)中；其次，缺乏典型工程場景下從實(shí)驗(yàn)輸入到仿真輸出的標(biāo)準(zhǔn)化SOP，工程師不知道如何設(shè)計建模實(shí)驗(yàn)或者基于已有實(shí)驗(yàn)結(jié)果完成建模。Autolion、BDS兩款軟件開發(fā)的初衷就是作為電池設(shè)計工具的，但是這兩款軟件主要是打包了一些現(xiàn)成的學(xué)術(shù)成果，結(jié)合工程實(shí)踐進(jìn)行模型創(chuàng)新方面的工作做的比較少，所以行業(yè)應(yīng)用比較有限。

需要說明的是，電化學(xué)仿真理論本身還不成熟，一些工程仿真需求目前還沒有完善解決方案，或者說仿真方案還沒有標(biāo)準(zhǔn)化，還在持續(xù)完善進(jìn)化中。以老化過程建模為例，雖然學(xué)術(shù)上針對不同的老化機(jī)理都有相應(yīng)的研究，原則上已經(jīng)可以考慮電池的老化過程，但是實(shí)際工程場景下真實(shí)發(fā)生的老化過程與文獻(xiàn)中的學(xué)術(shù)場景相去甚遠(yuǎn)。

電池老化是一個復(fù)雜的多機(jī)理演化過程，不同階段起主導(dǎo)作用的衰減過程是不同的，要準(zhǔn)確的描述電池老化行為，需要配合相應(yīng)的表征手段識別到相應(yīng)的老化機(jī)理以及老化機(jī)理的演化時序，否則就不能跟工程實(shí)際吻合，即使能在數(shù)學(xué)上能復(fù)現(xiàn)老化現(xiàn)象(也只是一個數(shù)學(xué)擬合游戲)，也沒辦法真正提供有工程意義的指導(dǎo)。

大量這類需求的存在，就要求仿真模型/軟件要保留一定的開放可進(jìn)化特點(diǎn)，所以電化學(xué)仿真軟件預(yù)留一定的開放性接口非常必要。針對處于發(fā)展中的領(lǐng)域，仿真工具預(yù)留足夠的開放接口，在應(yīng)用中不斷迭代升級是一種比較靈活的軟件規(guī)劃策略。

電化學(xué)仿真理論的不成熟一方面帶來了工程應(yīng)用的困難，另一方面也為國產(chǎn)軟件公司提供了潛在突破機(jī)會。近年來，陸續(xù)有一些國內(nèi)公司開始加入電池設(shè)計工業(yè)軟件的開發(fā)中，比如易來科得、屹艮科技、海仿科技、鴻陽智能、北理新源信息科技等。

其中部分公司已經(jīng)展示出一些初步的代表性技術(shù)創(chuàng)新。以易來科得為例，與以往的簡單打包現(xiàn)成學(xué)術(shù)成果模式不同，這家公司與清華大學(xué)李哲老師合作在極片模型上做了一些創(chuàng)新工作。他們通過引入類球棍幾何的方式搭建了非均相電極模型，提供了包含粒徑、導(dǎo)電劑等元素的直觀物理對應(yīng)，在極片層級上豐富了設(shè)計參數(shù)輸入自由度，提高了模型與真實(shí)極片之間的物理相似度。

不過，通過幾何方式提升模型的物理相似度的方式本身還是有一些局限性的:即使采用類球棍結(jié)構(gòu)堆疊的模型跟真實(shí)不規(guī)則顆粒堆疊電極結(jié)構(gòu)之間的差異也很大；更多的幾何細(xì)節(jié)對于網(wǎng)格劃分及求解的收斂性往往帶來不便，同時計算周期往往會增加很多。

對于電極精細(xì)模型而言幾何修正并不是唯一方式，還有很多其他途徑可以引入亞極片層級精細(xì)描述，比如近年來從一線工程實(shí)踐中發(fā)展起來的P2.5D模型就是一種非幾何修正的模型?？梢灶A(yù)期，隨著技術(shù)的進(jìn)步電化學(xué)仿真領(lǐng)域未來可能會有更多創(chuàng)新技術(shù)涌現(xiàn)。

從目前的行業(yè)狀態(tài)中可以看出鋰電池仿真技術(shù)未來的主流發(fā)展趨勢。一方面，隨著行業(yè)對研發(fā)設(shè)計評估效率的追求，鋰電項目研發(fā)過程中仿真手段的參與正在變得不可或缺。另一方面，在利用仿真技術(shù)解決研發(fā)問題的過程中也可以持續(xù)不斷的積累先進(jìn)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，迭代升級出更有工程價值更有生命力的仿真技術(shù)手段。

這就為仿真技術(shù)持續(xù)進(jìn)化為設(shè)計工具平臺提供了強(qiáng)的需求驅(qū)動力和技術(shù)發(fā)展土壤，為仿真技術(shù)的發(fā)展提供一個良性循環(huán)條件。因此，隨著正向設(shè)計需求越來越強(qiáng)烈，鋰電池電化學(xué)仿真朝著設(shè)計工具、設(shè)計平臺的方向發(fā)展的趨勢越來越清晰。

從更長遠(yuǎn)的視角來看也可以借鑒半導(dǎo)體電子行業(yè)的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)。半導(dǎo)體電子行業(yè)中每一個電子元器件都生成一個虛擬器件，借助仿真技術(shù)就可以直接拿虛擬器件在軟件設(shè)計平臺內(nèi)進(jìn)行數(shù)字設(shè)計，大大減少實(shí)物制樣測試費(fèi)用和周期。未來，鋰電領(lǐng)域也趨向于發(fā)展出一套完整的軟件設(shè)計平臺（在行業(yè)的上下游提供數(shù)字材料、數(shù)字電芯、虛擬整車等服務(wù)），提供自動化、標(biāo)準(zhǔn)的測試和仿真分析流程，幫助電池企業(yè)實(shí)現(xiàn)電池研發(fā)數(shù)據(jù)的全過程追溯，以及跨部門、跨組織的研發(fā)協(xié)同。甚至在統(tǒng)一的研發(fā)框架下通過標(biāo)準(zhǔn)的流程驅(qū)動行業(yè)上下游協(xié)同研發(fā)，在行業(yè)的宏觀維度上進(jìn)一步縮短全鏈研發(fā)周期降低研發(fā)成本。

三、鋰電池仿真技術(shù)亟待解決的問題

業(yè)界對仿真技術(shù)的終極訴求是以虛擬代替實(shí)體，期望在不進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的情況下直接通過仿真手段給出最優(yōu)工程方案。這是極難達(dá)到的，更加務(wù)實(shí)的方式是基于必要的實(shí)驗(yàn)聯(lián)合仿真來：減少昂貴的實(shí)驗(yàn)試錯研發(fā)成本（投料制樣、測試表征、迭代優(yōu)化）、縮短漫長的研發(fā)周期、量化定性結(jié)論、確定產(chǎn)品應(yīng)用邊界、探索未知場景、評估技術(shù)路線等。

這些訴求就要求仿真技術(shù)要具備高準(zhǔn)確度（計算結(jié)果可信度高，提供強(qiáng)指導(dǎo)性）、高效率（快速建模、快速計算、快速輸出）、高通用性（兼容復(fù)雜多樣化的工況）等特征。但是實(shí)際情況下很多具體需求都還難以實(shí)現(xiàn)，這是因?yàn)殡娀瘜W(xué)理論還非常年輕還不夠成熟，這也是電化學(xué)仿真難度比較大的重要原因。我們可以把電化學(xué)跟傳統(tǒng)成熟仿真領(lǐng)域(比如結(jié)構(gòu)仿真)的特點(diǎn)做一個簡單對比：

1.學(xué)科發(fā)展史

大約20世紀(jì)末傳統(tǒng)電化學(xué)理論接近完備，紐曼模型也才 ≈ 40年歷史！

結(jié)構(gòu)力學(xué)19世紀(jì)中葉開始成為一門獨(dú)立的學(xué)科。

2.建模參數(shù)

（1）電化學(xué):

a.參數(shù)數(shù)量：以紐曼模型為例，需要確定~50多個參數(shù)(熱力學(xué)動力學(xué)微結(jié)構(gòu)等）

b.物理意義：電化學(xué)領(lǐng)域存在參數(shù)物理意義不直觀(迂曲度擴(kuò)散系數(shù)遷移率傳遞系數(shù)等 )、測量理論不自洽 (比如擴(kuò)散系數(shù)有EIS、GITT、PITT等測試手段，但是測試結(jié)果之間無法自洽)

c.表征獲?。盒枰Y(jié)合具體工況選用合理的近似測試?yán)碚?，測試條件復(fù)雜

（2）結(jié)構(gòu)力學(xué)：

參數(shù)少、物理意義清晰、測試容易

3.理論因變量

電化學(xué)：濃度、電極電位等(難以測量，需要構(gòu)建穩(wěn)定、重現(xiàn)、可逆的參比電極）

結(jié)構(gòu)力學(xué)：位移

4.工況復(fù)雜度與精度需求

電化學(xué)運(yùn)行工況復(fù)雜多樣(CV、EIS、CCCV、MCCV、CPCV、DCR、HPPC、HL、NEDC、WLTC、CLTC、Cycle、Calendar等)，并且電化學(xué)行為對工作環(huán)境溫度、倍率、荷電狀態(tài)等非常敏感；市場對仿真的結(jié)果數(shù)值精度要求極高

結(jié)構(gòu)力學(xué)工況相對簡單，對結(jié)果的絕對精度要求不高

5.多物理效應(yīng)

電化學(xué)反應(yīng)過程本身會伴隨有顯著的熱交互、應(yīng)力/變形物理過程，所以電化學(xué)仿真天然涉及多物理耦合，模型的數(shù)學(xué)復(fù)雜度高。

以上對比就可以看出，電化學(xué)理論還處于發(fā)展階段，還需要在理論和工程實(shí)踐上投入大量創(chuàng)造性的研究工作。

圖片來自仿真秀-賈老師服務(wù)項目 建模輸入的問題

從研發(fā)角度來說，工程師總是希望建模的實(shí)驗(yàn)輸入盡可能簡化，避免繁瑣的額外測試，最理想的情況是不做實(shí)驗(yàn)輸入，就像第一性原理仿真那樣(實(shí)際上第一性原理仿真更不成熟，在工程上的應(yīng)用更為有限)。然而對于電化學(xué)這種唯像理論模型來說，往往又需要非常完善的實(shí)驗(yàn)輸入，才能確保模型的物理預(yù)測能力。因此，如何用盡可能簡單的實(shí)驗(yàn)輸入完成建模也是鋰電池仿真領(lǐng)域一個痛點(diǎn)問題。另外，模型中有大量物理意義不直觀，測試表征理論不自洽，難以(甚至不可以)直接測量的物理參數(shù)。

準(zhǔn)確性問題

準(zhǔn)確性是任何仿真技術(shù)都繞不開的話題，仿真準(zhǔn)確性/預(yù)測能力的基礎(chǔ)是：清晰準(zhǔn)確的機(jī)理+高物理相似度的模型+穩(wěn)定量化的輸入。也就是說仿真準(zhǔn)確性受限于理論和實(shí)驗(yàn)技術(shù)兩方面的限制，光有先進(jìn)的理論（提供清晰準(zhǔn)確的機(jī)理和高物理相似度的模型）而沒有先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)表征手段（來獲取穩(wěn)定量化的輸入）也無法保證仿真的準(zhǔn)確性！這一點(diǎn)在工作中往往是很容易被忽略的。很多時候仿真不準(zhǔn)確大家都會直接去找理論/模型的缺陷，但是問題可能出在實(shí)驗(yàn)輸入環(huán)節(jié)，比如，建模輸入采用了一個可信度存疑的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。提升準(zhǔn)確性的一個最為有效的方法是在研發(fā)過程中制定標(biāo)準(zhǔn)化的仿真實(shí)驗(yàn)迭代修正流程，在項目研發(fā)的不同階段逐步迭代修正實(shí)驗(yàn)建模技術(shù)。

建模標(biāo)準(zhǔn)化問題

對于研發(fā)應(yīng)用來說只有實(shí)現(xiàn)操作標(biāo)準(zhǔn)化、流程標(biāo)準(zhǔn)化才能達(dá)到提效降本的作用。目前，鋰電池仿真模型有一部分已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)工程標(biāo)準(zhǔn)化。這類模型的特點(diǎn)是，物理過程/現(xiàn)象的機(jī)理清晰，學(xué)術(shù)界認(rèn)識統(tǒng)一，模型的輸入量和輸出量有明確的學(xué)術(shù)定義，且可表征、可量化。針對這種場景，建模仿真的主要工作只需要在既定的框架下把工程場景翻譯成模型的數(shù)學(xué)語言，建?？刹僮餍詮?qiáng)。不幸的是，鋰電領(lǐng)域還有大量非標(biāo)準(zhǔn)化建模場景。比如，建立材料、極片配方等影響循環(huán)壽命的理論模型。

這類情況下，往往學(xué)術(shù)界未關(guān)注到或者認(rèn)知有爭議，問題懸而未決，理論缺口大，建模的輸入量都難以識別。這種場景建模難度就比較大了，往往需要仿真/機(jī)理工程師基于待研究問題識別/轉(zhuǎn)換關(guān)鍵輸入量，根據(jù)主觀認(rèn)知，提出潛在的機(jī)理假設(shè)，從頭構(gòu)建輸入量與輸出量之間的理論關(guān)系模型。對于這類非標(biāo)建模，工程上很難一步獲得較好的模型，采用分階段逐步迭代完善建模思路更加實(shí)用。比如，搭建一個開放的模型框架，在工程實(shí)踐中逐步使得模型從 black box到gray box最終往white box發(fā)展。

模型求解的問題

隨著模型朝著高物理相似度方向進(jìn)化，模型的數(shù)學(xué)復(fù)雜度也大幅度提高了，伴隨而來的往往是求解時間成本和收斂性問題。對于研發(fā)場景，單次運(yùn)行時間在幾分鐘以內(nèi)是一個比較合適的計算耗時，如果太長就會帶來比較差的計算體驗(yàn)。對于仿真替代實(shí)驗(yàn)測試場景，綜合時間周期縮短到實(shí)測周期的~1/10以下，才會比較符合工程期許，才有顯著工程應(yīng)用吸引力。收斂性方面，模型越復(fù)雜，尤其是模型幾何上增加復(fù)雜細(xì)節(jié)，收斂性越差。需要一些創(chuàng)造性的解決方案來平衡收斂性和物理細(xì)節(jié)之間的關(guān)系。

這里特別說明一點(diǎn)，模型物理描述的復(fù)雜程度與模擬結(jié)果準(zhǔn)確性之間不是等價的，甚至實(shí)踐中往往是相反的！原因是，更復(fù)雜的模型，需要額外增加更多的輸入內(nèi)容，而這些輸入內(nèi)容相比常規(guī)輸入往往更難獲取、測試更不穩(wěn)定，而不穩(wěn)定的輸入必然造成不穩(wěn)定的輸出。所以復(fù)雜模型本身不能提高仿真準(zhǔn)確度，但是它可以引入更多的物理細(xì)節(jié)描述，拓展模型的物理描述能力，比如P2D模型無法描述非均質(zhì)行為， 3D微結(jié)構(gòu)電化學(xué)模型可以描述電極內(nèi)的非均質(zhì)行為，而準(zhǔn)確性不是模型本身能夠單方面決定的。所以，對于準(zhǔn)確性的追求，單單是模型技術(shù)的進(jìn)步是不夠的，還需要先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)建模技術(shù)來提供支持。

除了以上提及的這些問題之外，鋰電池仿真還有很多其他問題需要解決，比如，工程欠約束條件下的多解問題等，這里就不一一展開了。

圖片來自仿真秀-賈老師服務(wù)項目

四、淺聊一下大數(shù)據(jù)

大數(shù)據(jù)也是近幾年來的高頻熱詞，很多領(lǐng)域也在嘗試?yán)么髷?shù)據(jù)來輔助研發(fā)。但是在鋰電池研發(fā)過程中，大數(shù)據(jù)應(yīng)用的場景不太明朗。鋰電研發(fā)屬于重資產(chǎn)投入場景，所以核心訴求是盡可能減少實(shí)驗(yàn)試錯，從而減少實(shí)驗(yàn)迭代次數(shù)，減少測試量。基于這個訴求，鋰電研發(fā)過程往往是希望數(shù)據(jù)量少而精準(zhǔn)，追求的是精準(zhǔn)“小數(shù)據(jù)”，這就無法滿足大數(shù)據(jù)技術(shù)對“數(shù)據(jù)大”的要求。反而在鋰電生產(chǎn)制造過程中，產(chǎn)線上會產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，在這個場景下，引入大數(shù)據(jù)技術(shù)更具落地可行性，更容易產(chǎn)生實(shí)際工程價值。

五、寫在最后

隨著行業(yè)的發(fā)展，仿真技術(shù)在研發(fā)過程中的參與度必然會越來越高，最終會朝著設(shè)計工具設(shè)計平臺的方向發(fā)展。一方面會促使研發(fā)技術(shù)模式的升級，另一方面也會促進(jìn)仿真技術(shù)本身的發(fā)展，兩者相輔相成。目前國際上還沒有針對鋰電仿真的專業(yè)軟件，這就為國內(nèi)鋰電仿真軟件的發(fā)展提供了機(jī)遇。不過當(dāng)前還有不少鋰電研發(fā)人員對仿真技術(shù)比較陌生，還不能夠科學(xué)地看待仿真技術(shù)、科學(xué)地運(yùn)用仿真技術(shù)。這里對仿真技術(shù)簡單總結(jié)如下幾點(diǎn)：

建模仿真的核心任務(wù)：是把物理世界的現(xiàn)象/過程通過數(shù)學(xué)語言描述出來；

建模仿真的工作要點(diǎn)：是用盡可能簡單的數(shù)學(xué)語言盡可能準(zhǔn)確的描述待研究的物理問題/過程/現(xiàn)象；

模型預(yù)測能力基礎(chǔ)是：清晰準(zhǔn)確的機(jī)理+高物理相似度的模型+穩(wěn)定量化的輸入。

審核編輯：劉清