要闻：锂电池仿真技术现状及相关商业软件

2022-08-02 15:44:48来源：新能源热管理技术

目前锂电池仿真模型主要为以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。P2D模型包括以下6个方程：

(资料图)

基于Fick第二定理的固相扩散方程

液相扩散方程

固相电势方程

液相电势方程

电荷守恒方程

Bulter-Volmer动力学方程

等效电路模型是将电池简化为电路网络来描述电池，结构简单，参数辨识复杂度和计算量小，是目前电池管理系统开发和电池在线状态估计领域应用最为广泛的模型。

热电耦合模型，是充分考虑了电池产热温度对电化学过程的影响，可以对电池电化学过程和性能进行更精准的模拟，可以用于电池单体、电池模组的热管理仿真。

目前市场上的锂电池仿真软件内置的机理模型大都包括以上三种仿真模型。主流的仿真软件包括COMSOL、Autolion、西门子的BDS和star-CCM+、达索的Abaqus以及ANSYS Fluent。下面将简要介绍这些软件。

COMSOL

COMSOL是一款可以实现多物理场耦合仿真的软件，电化学建模方式包括基于均质多孔电极结构的模型和基于非均质的模型，可以建立从零维到三维的电化学模型（或者称之为准三维模型），可以建立从极片级别到电芯级别到模组级别甚至到系统级别的仿真，并且可以和温度场、流场耦合，同时软件也包括了等效电路模型。

值得一提的是，COMSOL软件具有自定义控制方程的功能，这对于做锂电池的仿真是很有必要的，比如容量衰减机理目前可能还没有一些定论，没有非常标准的经验模型或者方程模型去描述这个过程，这时仿真人员可以根据自身的经验或者查阅文献自定义添加修改控制方程进行仿真求解[1]。

Autolion

该软件原先属于EC Power公司，后被Gamma Technologies公司收购。EC Power创始人王朝阳博士是宾夕法尼亚州立大学终身讲座教授，目前正在研究锂电池驱动的飞行汽车。AutoLion建模方式包括了经典的电化学模型、等效电路模型，同时还提供一个电化学-力耦合的膨胀模型，该模型能够预测电池因活性颗粒材料在锂化过程中产生膨胀导致内部应力变化的情况。AutoLion还配置了电化学材料数据库，以此减轻实验室测试电化学性能的负担。

BDS及STAR-CCM+

Battery Design Studio简称BDS，BDS是一款电芯设计软件。BDS的特点是，在电极层面支持输入基于SEM扫描重构几何模型和随机构建的虚拟几何建模，

同时BDS还可以与STAR-CCM+中的BSM模块联合实现电化学和流/固体传热的双向强耦合分析，可以用于涂布辊压工艺仿真和热管理仿真。STAR-CCM+的流体仿真功能也支持模组和系统级别的设计需求。

与COMSOL不同的是，BDS不支持用户自定义修改控制方程，模型是固定好的，所以对于锂电池这个机理模型还在不断发展的领域来说，用户使用的友好度和适用性就相对弱了一些。

达索

达索由于过往收购的工业仿真软件很多，因此能拿出来很多不同软件形成一套从电芯到模组到系统级别的仿真解决方案。电芯设计方面是由Abaqus支持，Abaqus最新版本中的电化学模型是基于扩展的三维多孔电极理论 Porous Electrode Theory（PET） Newman本构模型。Abaqus本身在结构物理场上优势也在锂电池仿真中加以应用，可以通过热-电化学-结构多物理场耦合来对电芯3D模型的热电化学结构特性提供定量的仿真模拟，预测电芯的温度、电流、变形之间的耦合效应，避免电芯变形过大造成内部短路，还可以对电池模组、电池包的振动和冲击、跌落进行分析。PowerFLOW可以对动力电池的热管理问题进行瞬态精确模拟。

ANSYS

ANSYS强项在结构力学和热管理的流体仿真，对于电芯本身的电化学反应仿真能力相对而言较为薄弱，没有提供独立的电芯仿真软件。在流体仿真用于热管理方面，ANSYS可以提供ROM降阶模型以缩短仿真计算时间，精度与经典的三维CFD方法接近，对于设计控制策略和开发BMS系统有较大帮助。

小结：

总体上看，现有电池仿真软件仿真覆盖的尺度多集中在电芯及模组系统方面，对于电化学过程的仿真能力上存在一定的瓶颈，在业界部分设计实践过程中很难提供有效的指导，而突破这些瓶颈需要结合锂电池电化学模型的理论创新来实现。

标签：仿真软件等效电路电化学反应

责任编辑：hnmd003