文|張丞

編輯|石亞瓊

封面來源｜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正向設(shè)計是智能制造發(fā)展的兩個重點，《鋰電裝備二十年進化史》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、仿真將如何促進正向設(shè)計等方面，并希望和讀者朋友們探討國內(nèi)鋰電池CAE軟件未來發(fā)展的突破口。

當(dāng)企業(yè)進行原創(chuàng)性的研發(fā)設(shè)計時，特別是整個產(chǎn)品體系需要從頭創(chuàng)新或有很大變革時，就需要根據(jù)需求目標(biāo)進行正向產(chǎn)品設(shè)計，通常會需要耗費大量的物料和人力進行制樣測試，仿真的意義和作用就在于幫助企業(yè)盡可能減少制樣測試的次數(shù)，避免盲目試錯，獲得更優(yōu)的設(shè)計方案。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)計出最佳的產(chǎn)品工藝方案這個核心。

工業(yè)仿真軟件的涌現(xiàn)依賴于制造業(yè)的發(fā)展，一個新興制造業(yè)的發(fā)展必將帶動相關(guān)設(shè)計仿真技術(shù)的進步，從而孕育出新興工業(yè)軟件，而設(shè)計仿真的進步又將反過來推進行業(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，對能量密度、功率密度、壽命及安全性的要求越來越高，而耗時長、成本高的實驗試錯研發(fā)方法越來越難以適應(yīng)下游市場的需求，因此需要在設(shè)計仿真方面實現(xiàn)較大的突破。同時，我們注意到電化學(xué)理論仍在不斷發(fā)展，一些相對新興的數(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)展趨勢展開，接著分析開發(fā)CAE軟件所需具備的功能特點以及CAE軟件當(dāng)前的發(fā)展趨勢，并結(jié)合以上兩方面詳細闡述國內(nèi)鋰電池CAE軟件未來發(fā)展的突破口。文章結(jié)構(gòu)要點如下：

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 多尺度仿真 數(shù)值模擬算法 CAE仿真軟件發(fā)展趨勢 功能和架構(gòu) 多物理場耦合、多尺度仿真 全流程協(xié)同 云仿真及SaaS 國內(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)驗積累 開源是否適用于國內(nèi)CAE仿真軟件發(fā)展 鋰電池CAE仿真軟件市場分析 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)計和性能仿真，通過一系列偏微分方程組來描述鋰離子電池內(nèi)部發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)，包括鋰離子固液兩相擴散、電解質(zhì)中鋰離子的遷移、固液界面的電荷轉(zhuǎn)移等過程。P2D模型包括以下6個方程：

基于Fick第二定理的固相擴散方程 液相擴散方程 固相電勢方程 液相電勢方程 電荷守恒方程 Bulter-Volmer動力學(xué)方程

等效電路模型是將電池簡化為電路網(wǎng)絡(luò)來描述電池，結(jié)構(gòu)簡單，參數(shù)辨識復(fù)雜度和計算量小，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)熱溫度對電化學(xué)過程的影響，可以對電池電化學(xué)過程和性能進行更精準(zhǔn)的模擬，可以用于電池單體、電池模組的熱管理仿真。

目前市場上的鋰電池仿真軟件內(nèi)置的機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+、達索的Abaqus以及ANSYS Fluent。下面將簡要介紹這些軟件。

COMSOL

COMSOL是一款可以實現(xiàn)多物理場耦合仿真的軟件，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），可以建立從極片級別到電芯級別到模組級別甚至到系統(tǒng)級別的仿真，并且可以和溫度場、流場耦合，同時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，這對于做鋰電池的仿真是很有必要的，比如容量衰減機理目前可能還沒有一些定論，沒有非常標(biāo)準(zhǔn)的經(jīng)驗?zāi)Ｐ突蛘叻匠棠Ｐ腿ッ枋鲞@個過程，這時仿真人員可以根據(jù)自身的經(jīng)驗或者查閱文獻自定義添加修改控制方程進行仿真求解[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。EC Power創(chuàng)始人王朝陽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，同時還提供一個電化學(xué)-力耦合的膨脹模型，該模型能夠預(yù)測電池因活性顆粒材料在鋰化過程中產(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，以此減輕實驗室測試電化學(xué)性能的負擔(dān)。

BDS及STAR-CCM+

BDS軟件功能

Battery Design Studio簡稱BDS，BDS是一款電芯設(shè)計軟件。BDS的特點是，在電極層面支持輸入基于SEM掃描重構(gòu)幾何模型和隨機構(gòu)建的虛擬幾何建模，

同時BDS還可以與STAR-CCM+中的BSM模塊聯(lián)合實現(xiàn)電化學(xué)和流/固體傳熱的雙向強耦合分析，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)級別的設(shè)計需求。

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，所以對于鋰電池這個機理模型還在不斷發(fā)展的領(lǐng)域來說，用戶使用的友好度和適用性就相對弱了一些。

達索

達索電池相關(guān)仿真軟件

達索由于過往收購的工業(yè)仿真軟件很多，因此能拿出來很多不同軟件形成一套從電芯到模組到系統(tǒng)級別的仿真解決方案。電芯設(shè)計方面是由Abaqus支持，Abaqus最新版本中的電化學(xué)模型是基于擴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)物理場上優(yōu)勢也在鋰電池仿真中加以應(yīng)用，可以通過熱-電化學(xué)-結(jié)構(gòu)多物理場耦合來對電芯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)測電芯的溫度、電流、變形之間的耦合效應(yīng)，避免電芯變形過大造成內(nèi)部短路，還可以對電池模組、電池包的振動和沖擊、跌落進行分析。PowerFLOW可以對動力電池的熱管理問題進行瞬態(tài)精確模擬。

ANSYS

ANSYS電池仿真軟件

ANSYS強項在結(jié)構(gòu)力學(xué)和熱管理的流體仿真，對于電芯本身的電化學(xué)反應(yīng)仿真能力相對而言較為薄弱，沒有提供獨立的電芯仿真軟件。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算時間，精度與經(jīng)典的三維CFD方法接近，對于設(shè)計控制策略和開發(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，對于電化學(xué)過程的仿真能力上存在一定的瓶頸，在業(yè)界部分設(shè)計實踐過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)新來實現(xiàn)。下面我們就會介紹鋰電池仿真技術(shù)前沿發(fā)展趨勢。

二、鋰電池仿真技術(shù)前沿發(fā)展趨勢

多尺度仿真

現(xiàn)有的電池研發(fā)方式是以實驗為主導(dǎo)的，通常需要耗費大量的人力、物料、測試機器等成本，測試和驗證的周期很長。同時，現(xiàn)有的實驗試錯方法很難完全控制某個單一變量,也很難考慮到多個因素共同作用下的影響機制。而鋰離子電池本身是一個復(fù)雜的電化學(xué)系統(tǒng)，電池性能受到多個尺度、多個物理場內(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，就需要系統(tǒng)地研究電池內(nèi)部各物理場的耦合作用機理，從多尺度范圍上深入理解電池運行機理，建立數(shù)學(xué)物理模型，并通過數(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、電池包多個尺度上進行仿真模擬和設(shè)計優(yōu)化。

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

圖 鋰離子電池多尺度設(shè)計和模擬概況[2]

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

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算（DFT）、分子動力學(xué)（MD）、蒙特卡洛模擬、相場模擬等。

其中，DFT常用于計算電極材料的結(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，和實際情況的匹配度還不夠高。

分子動力學(xué)可以獲得原子的位置和運動速度等信息，可以揭示材料中離子的擴散機制，特別是在探測電解液溶劑化結(jié)構(gòu)方面具有天然優(yōu)勢，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)界會使用分子動力學(xué)等方法來進行新型電解液開發(fā)時的初次篩選，即先確定一個大致的范圍，之后再通過實驗等方法進行精細的篩選，一定程度上縮短了電解液的研發(fā)設(shè)計流程和周期，可以節(jié)省一定的研發(fā)成本。但目前仍然要解決計算模擬成本較高、界面反應(yīng)機理模擬仍很有限等問題。

在原子分子層面的計算材料模擬，國內(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隊自主開發(fā)了基于 GPU 高通量計算集群的第一性原理計算程序 PWmat，相比于VASP軟件，計算速度更快[5]；華東理工大學(xué)團隊開發(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。因為即便是同一種類的正負極材料, 如果材料的微觀結(jié)構(gòu)不同，宏觀上表現(xiàn)出來的電池性能也會不同。

如果想要深入研究電極結(jié)構(gòu)對性能的影響，憑借現(xiàn)有的P2D模型無法做到。因為Newman的P2D模型的假設(shè)基于體積平均法，這種方法對電極復(fù)雜微觀結(jié)構(gòu)進行了簡化，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)速率不均勻性等問題，仿真的范圍受到限制，因此無法進一步探究多孔電極介觀微結(jié)構(gòu)對電池性能的影響。

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[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堆疊方式構(gòu)建出虛擬電極結(jié)構(gòu)，逐步逼近電極真實結(jié)構(gòu)，一般被稱為顆粒堆疊模型，隨機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)來計算等效參數(shù)，提出了擴展均相多孔電極模型，可以建立負極區(qū)域顆粒粒徑分布與電池倍率性能之間的關(guān)系，并且因為沒有直接基于非均相結(jié)構(gòu)進行仿真，節(jié)省了計算周期和成本[8]。類似的，還有研究建立了二維的團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鋰離子傳輸過程的影響[10]。

此外，還可以借助相場模型在電極顆粒尺度研究鋰離子嵌入和脫出過程中的傳輸行為、應(yīng)力變化規(guī)律，這對設(shè)計優(yōu)化電極微結(jié)構(gòu)來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)果更加貼近實際。比如構(gòu)建包含顆粒尺度的三維異構(gòu)電化學(xué)-機械模型，該模型能夠同時考察顆粒尺度以及電極尺度中的電化學(xué)-機械耦合過程，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[12]。同時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，比如正負極材料特征參數(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，來系統(tǒng)地指導(dǎo)材料選型與電極設(shè)計。

這方面歐洲的Alejandro A. Franco團隊做了一系列的工作，建立了一個模擬鋰離子電池制造過程并預(yù)測其電化學(xué)性能的多尺度仿真平臺。該仿真平臺涵蓋了電極介觀結(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]。

該平臺采用粗?；肿觿恿W(xué)（CGMD，coarse grained molecular dynamics）模型用于漿料制備和電極干燥過程介觀結(jié)構(gòu)的生成，從電極制備工藝追溯模擬電極介觀的生成，而不是通過前述的兩類模型構(gòu)建方法，因為成像技術(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），可以評估CBD的空間位置及其對鋰離子傳輸效果這兩點對于整體電化學(xué)性能的影響[16]。

圖 多尺度仿真平臺

干燥后的電極介觀結(jié)構(gòu)會再通過離散元法（DEM）來模擬輥壓工藝過程、LBM（Lattice Boltzmann Model）來模擬注液過程，分析輥壓和注液對電極介觀結(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程對宏觀電化學(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)計優(yōu)化材料選型、電極結(jié)構(gòu)和工藝過程[17,18]。

Alejandro A. Franco團隊還開發(fā)了電池數(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)（無論是掃描還是重構(gòu)得到的）離散成若干個四面體網(wǎng)格，之后網(wǎng)格可以輸入到COMSOL中進行宏觀尺度上的有限元仿真模擬。INNOV劃分網(wǎng)格時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)，而不是簡單的把AM和CBD簡化為一個相。INNOV還可以用來生成全固態(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，該團隊還綜合利用DoE試驗設(shè)計（Design of Experiement）、仿真模型和機器學(xué)習(xí)算法的混合建模方法，來預(yù)測材料、電極制造和電池性能之間的最佳組合。即將DoE試驗和仿真模型得到的結(jié)果，經(jīng)過一個數(shù)據(jù)驅(qū)動的隨機電極介觀結(jié)構(gòu)生成器擴大樣本，再將這些樣本用于訓(xùn)練機器學(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。有效評估輥壓壓力、電極組分和初始孔隙率對極片孔隙曲折度、離子/電子電導(dǎo)率等電極微結(jié)構(gòu)特征的影響，進而發(fā)現(xiàn)其對電池電化學(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行全極片的仿真分析，分析極片層級的不均勻性對電池?zé)岱植?、壽命及安全性的影響。針對電池?zé)峁芾?，建立更高保真度的電化學(xué)-熱耦合仿真模型，以此進行電池結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計及其熱管理系統(tǒng)設(shè)計。此外，為了深入了解電池老化機制，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)計能力需要從材料-結(jié)構(gòu)-工藝-性能這個四面體關(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)，實現(xiàn)設(shè)計與制造兩端協(xié)同優(yōu)化。

之前所提到的COMSOL等多個商業(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用有限元FEM、有限體積FVM等方法進行仿真模擬。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)機理來構(gòu)建更為精準(zhǔn)的數(shù)學(xué)物理模型，進而開發(fā)仿真模擬軟件。這一點是國內(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，目前一些相對新興的數(shù)值模擬技術(shù)被用來探究介觀尺度上的電化學(xué)反應(yīng)過程機理[22]，同時一些模型降階、時間離散等計算加速方法也被應(yīng)用進來，以達到兼顧模型精度和計算效率的目的[23]。

數(shù)值模擬算法方面，LBM可以用來研究電極介觀微結(jié)構(gòu)對于電池電化學(xué)性能的影響。比如利用LBM模擬鋰離子和電子的傳輸過程，研究極片顆粒粒徑和孔隙率對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3D鋰離子電極模型中的浸漬過程，考察電極結(jié)構(gòu)對電解質(zhì)潤濕速度的影響[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)勢可以在電極介觀尺度上發(fā)揮出來。

而且LBM這種算法本身就具有極強的并行計算能力，支持并行數(shù)據(jù)分析，非常適合于現(xiàn)有的并行計算集群，可以將LBM和并行計算硬件資源結(jié)合起來，進一步加快模型求解速度。

計算加速方法方面，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的計算速度，在時間離散的方法下，無需傳統(tǒng)計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，降低了計算的復(fù)雜性，并通過實驗數(shù)據(jù)驗證該模型的高保真度，結(jié)果表明，該MSMD模型的計算復(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

CAE仿真軟件一直在不斷發(fā)展，一些重要的發(fā)展趨勢值得國內(nèi)CAE軟件公司參考。如果在鋰電池領(lǐng)域開發(fā)國產(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，如果進一步形成系統(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)出來的軟件產(chǎn)品需要具備比肩甚至超越國外CAE軟件的性能。下面先就CAE軟件的產(chǎn)品模塊和功能特點進行分析。

功能和架構(gòu)：

從大的方面來說，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)、計算機科學(xué)、工程應(yīng)用實踐三方面的知識。對于現(xiàn)實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)等過程的原理理論。原理理論的開拓通常需要無數(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，不斷提出對客觀規(guī)律更為精準(zhǔn)的描述方法。電化學(xué)過程目前普遍采用Newman提出的偽二維模型來描述，遵循電荷守恒和物料守恒。流體仿真中描述流動的底層物理規(guī)律是動量、質(zhì)量守恒，其中N-S方程被用來描述動量守恒過程，連續(xù)性方程描述質(zhì)量守恒。每一種物理場都可以用若干模型和方程來描述，當(dāng)涉及到多個物理場時，還要建立耦合模型，構(gòu)成偏微分方程組再進行求解。

這些現(xiàn)實客觀世界的建模所設(shè)立的方程通常為偏微分方程，從這一點來說，偏微分方程是人類用來描述客觀世界的工具，而CAE仿真軟件就是要通過計算機科學(xué)技術(shù)來實現(xiàn)對客觀世界的建模、求解、結(jié)果展示以及優(yōu)化設(shè)計。

CAE軟件從產(chǎn)品角度來看有三個重要的組成部分，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，這里通常運用計算機圖形學(xué)技術(shù)來開發(fā)。CAE軟件的核心在于對現(xiàn)實現(xiàn)象的精準(zhǔn)建模以及實現(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)值模擬計算一般分為三個環(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)鍵的兩個部分。

首先，數(shù)值計算需要輸入高質(zhì)量的網(wǎng)格數(shù)據(jù)，否則就會是“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)合實際工程應(yīng)用場景，平衡計算精度和計算效率。目前實際仿真場景中前處理仍主要依靠人工處理，處理時間較長，往往40%左右的時間都花在網(wǎng)格處理上面。目前業(yè)界主要通過自適應(yīng)網(wǎng)格加密劃分技術(shù)和AI來提高前處理中網(wǎng)格劃分的效率。

求解器的開發(fā)實際上是運用C++/Fortran等語言將數(shù)值計算方法編寫成軟件程序，求解過程就是求解程序在硬件上運行，求解的對象是基于網(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)出來的仿真軟件市場反響就不會很好。目前很多數(shù)值計算方法已經(jīng)相對成熟，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。而面對電池領(lǐng)域尚未得到很好解答的一些問題，比如涉及到介觀尺度方面的仿真模擬問題，就可以運用一些相對新興的數(shù)值解法如LBM、SPH等，這在前文中已詳細介紹過。

另一方面，實際仿真過程的計算時間有可能長達幾天甚至幾個月，仿真工程師都希望仿真的速度能夠進一步提升。目前業(yè)界在通過降階模型（ROM）和高性能計算等技術(shù)來緩解“仿真計算速度焦慮”。

簡要總結(jié)一下，自主開發(fā)的CAE軟件需要具備的功能特點：

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，交互頁面簡單易懂、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；計算速度快、計算精度高，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畫，可視化效果好

除了軟件產(chǎn)品需要具備上述功能特點，技術(shù)支持團隊要能提供高質(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，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)支持的各個環(huán)節(jié)都要能快速響應(yīng)、解決問題。

多物理場耦合、多尺度仿真

仿真已經(jīng)從單一物理場仿真演進為多物理場耦合仿真，考慮兩種或多種物理場的交叉作用和相互耦合，多物理場耦合仿真會涉及到模型交互、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、機械結(jié)構(gòu)、電磁兼容等諸多物理場。

未來仿真不僅僅是多物理場耦合，也將會是從材料到系統(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，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。應(yīng)用材料公司在2021年提出Materials to Systems Co-Optimization，希望實現(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、中道及后道中多個工藝環(huán)節(jié)）。

國外工業(yè)軟件大廠也在多尺度仿真上早有動作，2014年達索收購acclrys，現(xiàn)更名為BIOVIA，BIOVIA主要側(cè)重生物科學(xué)。2020年西門子收購了計算化學(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，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)品模型的對應(yīng)關(guān)系，幫助企業(yè)建立專有的仿真知識庫和流程規(guī)范，提高對仿真知識、流程的可復(fù)用程度。

研發(fā)不僅僅是仿真。研發(fā)過程中仿真-測試共同產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)蘊藏著重要價值，因此工業(yè)仿真軟件不僅僅要沉淀工藝經(jīng)驗知識的仿真數(shù)據(jù)，還需要沉淀研發(fā)管理、設(shè)計仿真的數(shù)據(jù)管理經(jīng)驗，將設(shè)計-仿真-測試全流程標(biāo)準(zhǔn)化。

仿真軟件除了要提供杰出的仿真技術(shù)為設(shè)計提供指導(dǎo)依據(jù)外，還可以深入研發(fā)測試環(huán)節(jié)，提供仿真-測試的綜合服務(wù)。比如西門子2012年收購的比利時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-測試解決方案。LMS提供了測試所需要的軟硬件產(chǎn)品，其中就包括測試數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，可以最大限度地減少客戶處理測試數(shù)據(jù)和創(chuàng)建報告所花費的時間，幫助客戶提高整個組織的協(xié)作效率。

研發(fā)數(shù)據(jù)管理問題對于電池企業(yè)愈發(fā)凸顯，由于電池研發(fā)本身是一個復(fù)雜工程，研發(fā)過程中會產(chǎn)生的TB級以上的數(shù)據(jù)量，如何有效地管理這些研發(fā)測試數(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重要問題。

目前多數(shù)電池及電池材料企業(yè)仍然主要以紙質(zhì)或者借助簡單的Excel表格存儲管理研發(fā)數(shù)據(jù)。少數(shù)頭部企業(yè)通過上線研發(fā)試驗管理系統(tǒng)來提高研發(fā)數(shù)據(jù)管理水平，保證測試數(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)會覆蓋電池常規(guī)測試、電池表征測試、電池失效分析等方面。少數(shù)材料企業(yè)希望以此實現(xiàn)材料包覆、預(yù)鋰預(yù)鎂等工藝的研發(fā)測試管理數(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)運營成本[29]。

仿真軟件還可以增加與測試數(shù)據(jù)的對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)測試得到的真實數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)。通過將設(shè)計、仿真和測試數(shù)據(jù)匯集在一起，在軟件中創(chuàng)建驗證序列，企業(yè)客戶可以快速定位問題、更好地評估設(shè)計方案。

材料數(shù)據(jù)庫

仿真不可避免會涉及到各種材料，所以部分仿真軟件配置相關(guān)的材料數(shù)據(jù)庫，比如COMSOL和ANSYS，以ANSYS為例，ANSYS于2019年收購了Granta Design公司，并將它重組為ANSYS的材料事業(yè)部門。Granta Materials同時融合了多種標(biāo)準(zhǔn)材料數(shù)據(jù)庫，能夠為產(chǎn)品設(shè)計提供豐富的材料數(shù)據(jù)信息。這些數(shù)據(jù)庫涵蓋了通用材料、航空航天、塑料、醫(yī)療器械等多個領(lǐng)域。同時支撐企業(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)測試數(shù)據(jù)管理具有很強的重要性：研發(fā)數(shù)據(jù)很重要富有研發(fā)價值；仿真-測試綜合服務(wù)有利于為客戶提出更多有價值的研發(fā)建議，提高客戶粘性；未來引入AI和計算材料學(xué)方法需要良好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。此外，仿真軟件會配置相關(guān)材料數(shù)據(jù)庫來減輕企業(yè)仿真負擔(dān)、提升仿真精度。

對于國內(nèi)鋰電池領(lǐng)域的仿真軟件公司來說，可以在提供電池測試數(shù)據(jù)管理功能模塊的基礎(chǔ)上，通過建立電池表征管理和電化學(xué)參數(shù)庫，實現(xiàn)電池測試數(shù)據(jù)和材料數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化存儲，為之后將測試數(shù)據(jù)和仿真所需參數(shù)結(jié)合起來打好基礎(chǔ)。統(tǒng)一的研發(fā)數(shù)據(jù)管理分析平臺，為用戶提供自動化、標(biāo)準(zhǔn)的測試和仿真分析報告，幫助電池企業(yè)實現(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。

而且電池研發(fā)也會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、設(shè)計、歷史積累數(shù)據(jù)和企業(yè)外部材料信息數(shù)據(jù)資源，最終形成一個覆蓋范圍廣泛的企業(yè)級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)計仿真與制造工藝、產(chǎn)品運行等環(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)軟件公司來承擔(dān)起作用。鋰電池領(lǐng)域設(shè)計仿真與制造工藝協(xié)同也有所發(fā)展，但是需求主體和強烈度、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。

一個好的設(shè)計必須要考慮制造環(huán)節(jié)的工藝過程，而設(shè)計與工藝的協(xié)同就需要導(dǎo)入仿真技術(shù)，特別是對于工藝變化很快的領(lǐng)域。以動力電池為例，工藝變化速度較快。目前實驗驗證的試錯法又無法全局考慮問題，會導(dǎo)致制造現(xiàn)場不斷調(diào)整參數(shù)。而且新方案測試耗時也很長。一個新的材料新配方去做驗證可能需要12個月左右，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)，實現(xiàn)設(shè)計仿真和制造工藝的協(xié)同，加速推動產(chǎn)品的正向設(shè)計。

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

仿真要融入產(chǎn)品實際運行的環(huán)節(jié)過程中，就要與實際業(yè)務(wù)的應(yīng)用場景緊密結(jié)合，比如通過工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采集實時數(shù)據(jù)，再通過仿真技術(shù)實時提供仿真預(yù)測，輔助實際業(yè)務(wù)的決策。例如在電池領(lǐng)域，就可以考慮將電池實際運行的工況數(shù)據(jù)納入仿真體系中來，除了用于實時的壽命預(yù)測和健康管理之外，還可以將老化數(shù)據(jù)與仿真模型進行對照，結(jié)合機器學(xué)習(xí)進一步優(yōu)化仿真精度，還可以反饋優(yōu)化設(shè)計和工藝。

隨著上下游協(xié)同性的增強，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、下游汽車主機廠的工程師和設(shè)計人員一起在仿真軟件上探討如何優(yōu)化電芯的設(shè)計方案。

仿真反饋設(shè)計優(yōu)化

仿真的目的在于優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計方案，當(dāng)前仿真、設(shè)計與優(yōu)化三者結(jié)合的趨勢越來越緊密。仿真軟件目前會通過提供多種方案的評估對比，提供仿真結(jié)果輔助設(shè)計參數(shù)的優(yōu)化，未來將會有更多和業(yè)務(wù)場景深度結(jié)合的優(yōu)化應(yīng)用出現(xiàn)。

小結(jié)：

無論是多物理場還是多尺度仿真，還是和測試、制造工藝等全流程結(jié)合協(xié)同優(yōu)化，目的都是為了增強仿真置信度、加強仿真在研發(fā)設(shè)計中的指導(dǎo)作用，即讓仿真輔助設(shè)計優(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，這是當(dāng)前非常重要的發(fā)展趨勢。

以長安汽車為例，長安汽車對標(biāo)福特汽車、通用公司建立CAE仿真置信度5級評價體系，第一級為由試驗驗證設(shè)計，不做仿真，第二級為運用仿真預(yù)測變化趨勢，第三級為仿真篩選優(yōu)化方案、減少試驗次數(shù)，第四級為仿真篩選試驗，試驗只做一次，第五級則是由仿真直接驗證設(shè)計，無需試驗。對照這五級標(biāo)準(zhǔn)，如前所述鋰電池行業(yè)目前普遍仍以實驗試錯法為主導(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，在云端仿真對于企業(yè)用戶有以下幾方面優(yōu)勢：

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

對于仿真軟件開發(fā)公司來說，選擇交付云端SaaS版仿真軟件也是一個不小的挑戰(zhàn)，會帶來以下轉(zhuǎn)變：

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

近年來越來越多的工程師開始采用云端仿真，根據(jù)ANSYS的報告數(shù)據(jù)，52%的受訪工程師表示在設(shè)計仿真過程中所面臨的最大業(yè)務(wù)挑戰(zhàn)是如何縮短設(shè)計周期，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算資源。在2014年的報告中，只有10％的工程師使用超過32個以上的內(nèi)核，而2021年有44％的用戶使用了12個以上的內(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36個。中大型公司對多核計算資源的需求表現(xiàn)更為明顯。同時工業(yè)仿真計算場景已經(jīng)從單個工作站的單機模式逐漸演變?yōu)榘ぷ髡?、筆記本、集群和云端的復(fù)雜混合環(huán)境[32]。

在解決仿真效率問題方面，云技術(shù)和HPC（高性能計算）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)度問題。目前云廠商如阿里云，騰訊云等會提供開放式的云端硬件計算平臺，將商業(yè)CAE仿真軟件安裝在云端HPC服務(wù)器上，按照資源使用時間收費。也有第三方公司如國內(nèi)的速石科技和國外的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)用戶提供集群運行仿真服務(wù)，解決企業(yè)資源峰值需求，避免過度投資或者預(yù)估資源不足的情況。

國外云端CAE軟件公司有Simscale、Onscale、Designworld、Caeplex、Ceetron等，以Simscale為例，其采用SaaS模式進行交付。Simscale希望通過SaaS交付來為用戶進一步節(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，而不是只能高價購買仿真軟件的license。Simscale可以進行多物理場仿真，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題，無法向高端市場躍進[33]。下圖為Simscale與其他部署類型仿真軟件之間的對比。

Simscale軟件特點

國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，達索將自身不同仿真領(lǐng)域的軟件集成到3D EXPERIENCE平臺上，支持4-16核的本地計算機并行計算和云端計算，對于超大規(guī)模模型，如果用戶想提升計算速度，可以將模型提交到云端計算。

ANSYS在今年4月收購云仿真供應(yīng)商Onscale，意圖將Onscale的云技術(shù)與自身先進的仿真求解功能結(jié)合起來為客戶提供服務(wù)，用戶通過web就可以訪問。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)展云端高性能計算，推出EDA、CAE和CAD云端解決方案。種種動作表明ANSYS似乎想要搭建統(tǒng)一的云平臺，把自身各條業(yè)務(wù)線產(chǎn)品都放到云平臺上，客戶可以在這個平臺上進行設(shè)計仿真的所有操作，這一步可以說要比達索的3D EXPERIENCE平臺更加貼近云原生。

實現(xiàn)更為高效的云仿真還需要面對很多挑戰(zhàn)：仿真協(xié)同方面，如何有效應(yīng)對大規(guī)模復(fù)雜模型仿真，不同領(lǐng)域仿真模型實現(xiàn)高效耦合；易用性方面，如何集成多種仿真平臺工具的并提供簡單易用的使用方式；作業(yè)運行方面，如何采取有效的仿真應(yīng)用資源調(diào)度方法來提高仿真應(yīng)用運行效率；網(wǎng)絡(luò)化方面，未來云端仿真如何更好地和物聯(lián)網(wǎng)實際數(shù)據(jù)融合起來等[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)來增強用戶項目組內(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)實現(xiàn)電池數(shù)據(jù)的全生命周期管理。對于仿真軟件來說，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，另一方面一些相對新興的數(shù)值模擬技術(shù)被用來探究介觀尺度上的電化學(xué)反應(yīng)過程機理。國內(nèi)鋰電池CAE軟件應(yīng)當(dāng)聚焦這兩個方面進行突破。同時要使用恰當(dāng)?shù)哪Ｐ徒惦A、時間離散等計算加速方法，兼顧模型的精度和計算效率。

一是不斷優(yōu)化仿真模型及其控制方程，及時跟蹤電池仿真在微觀、介觀尺度上的前沿進展，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。軟件不斷跟進業(yè)界的先進實踐經(jīng)驗，通過加強與業(yè)界人員的合作來優(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，這一點對于電池領(lǐng)域的仿真軟件更為凸顯。

求解方法方面注重運用新的求解方法，并將多種數(shù)值算法結(jié)合起來，比如LBM、DEM、FEM和FVM 結(jié)合起來，并注重數(shù)值計算方法和工程實際業(yè)務(wù)場景深度結(jié)合。同時工業(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、時間離散方法如龍格－庫塔法（Runge-Kutta methods）等計算方法，盡可能確保在不損失仿真精度的情況下提高計算效率。

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)驗的積累，特別是對于電池這一非線性的復(fù)雜系統(tǒng)來說。因此，國內(nèi)鋰電池CAE軟件公司一方面需要在產(chǎn)品功能上加強與實驗測試數(shù)據(jù)的結(jié)合，為設(shè)計和仿真人員提供更便捷的仿真服務(wù)。這里具體來說，電池仿真通常需要大量參數(shù)輸入，部分參數(shù)需要標(biāo)定和實驗以及文獻參考得來，如果積累了大量的測試數(shù)據(jù)，就可以提供一個豐富的數(shù)據(jù)庫，更加方便快捷提供模擬仿真所需參數(shù)，避免因為仿真人員標(biāo)定出現(xiàn)問題帶來較大的偏差，進一步縮短設(shè)計驗證周期。

另一方面，國內(nèi)鋰電池CAE軟件公司需要注重加強與電池企業(yè)的合作，更好地積累測試和實際制造的數(shù)據(jù)，以此優(yōu)化仿真軟件性能，更好地實現(xiàn)設(shè)計仿真與制造工藝協(xié)同?？傊浞掷煤梦覈莆珍囯娙a(chǎn)業(yè)鏈這一龐大制造規(guī)模的優(yōu)勢，因為海量測試和制造數(shù)據(jù)中蘊藏著巨大的數(shù)據(jù)優(yōu)勢，利用好這些數(shù)據(jù)資產(chǎn)，有利于國內(nèi)鋰電池CAE軟件公司加速發(fā)展起來。

綜合本文前述內(nèi)容，鋰電池仿真軟件的突破，要實現(xiàn)多尺度、多物理場、全生命周期的仿真服務(wù)，同時要利用好工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和云計算技術(shù)，將電池的設(shè)計、仿真、制造以及使用過程中產(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)負著仿真驅(qū)動正向設(shè)計的功能，也是推動整體鋰電池領(lǐng)域研發(fā)數(shù)字化進程的重要力量。由獨立于上下游企業(yè)主體的第三方軟件公司驅(qū)動行業(yè)研發(fā)數(shù)字化、通過標(biāo)準(zhǔn)的流程、功能完善的仿真平臺帶動，實現(xiàn)上下游研發(fā)的網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同。

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

實現(xiàn)電池領(lǐng)域的多尺度多物理場耦合仿真道阻且長，需要多學(xué)科人才、知識積累乃至多個細分軟件工具的融合，參照COMSOL的發(fā)展歷程[35]（COMSOL產(chǎn)品發(fā)布歷程 (comsol.com)），這將會是一個長達20-30年的過程。

開源問題

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產(chǎn)CAE仿真軟件的發(fā)展，也曾被多次討論過，這里簡要表達我們對工業(yè)仿真軟件領(lǐng)域開源的看法：

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

我們目前認為是不能。一般基礎(chǔ)軟件通過開源獲取技術(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)新才能從根本上實現(xiàn)工業(yè)軟件的技術(shù)突破，很難通過無數(shù)軟件開發(fā)人員的使用、貢獻代碼來提高CAE軟件的性能，比如仿真計算速度更快、收斂更好、精度更高。

其次，仿真軟件并不是一個互聯(lián)網(wǎng)研發(fā)編寫程序時需要用到的基礎(chǔ)軟件，而是一個受眾面相對較小的專用軟件，并且仿真軟件代碼編寫的門檻很高，通過開源無法像互聯(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)也會轉(zhuǎn)變?yōu)榭蛻?，意味著基礎(chǔ)軟件的開源本身就是一種營銷手段，開源基礎(chǔ)軟件無需付出高昂的銷售成本就可以獲得大量的用戶。但是對于工業(yè)軟件來說，代碼開源并不意味著工程師就會使用這款軟件甚至成為付費用戶。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，免費并不能構(gòu)成一個富有競爭力的因素。

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。

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，并能與實際工程應(yīng)用場景深度結(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)計算不容易收斂或者求解速度過慢等問題。此外，開源軟件通常缺乏大量的實際應(yīng)用案例和幫助文檔，可能無法回應(yīng)仿真工程師的實際需求[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），也可能會出現(xiàn)架構(gòu)耦合上的問題，軟件升級后也會涉及和其他功能模塊協(xié)同的問題，甚至?xí)枰{(diào)整開源軟件的架構(gòu)，如此一來需要投入很多研發(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產(chǎn)替代。這種做法只是看上去在走捷徑，實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際經(jīng)驗的產(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、性能先進的商業(yè)產(chǎn)品為目標(biāo)時，企業(yè)才可能產(chǎn)生更強的創(chuàng)新動力和學(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，進一步增強軟件的易用性和包容性，融入現(xiàn)有的設(shè)計仿真工具鏈中，降低工程師的軟件使用成本。

五、鋰電池CAE仿真軟件市場分析

前文我們從理論、技術(shù)、產(chǎn)品三個方面進行了詳細闡述，下面從市場側(cè)進行簡要的分析。

軟件的需求問題：通常電池企業(yè)的制樣測試周期長達8-36個月，包括物料、測試通道設(shè)備、人工等在內(nèi)的耗費成本甚至可能要上億元。而仿真軟件減少幾次制樣測試的成本基本可以就完全覆蓋掉軟件的采購價格，為企業(yè)帶來的經(jīng)濟效益和投入產(chǎn)出比是非常高的。但是要注意用戶對于仿真軟件的精度、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。

鋰電池CAE仿真軟件國內(nèi)總體市場規(guī)?？梢酝ㄟ^國內(nèi)鋰電池企業(yè)數(shù)量、軟件購買數(shù)量和軟件單價（單機版）或訂閱費用（按年計算）估算獲得，如果假定以SaaS形式交付，具體軟件購買量可以通過現(xiàn)有鋰電池企業(yè)仿真人員數(shù)量、使用頻次及時長估算得到。

從市場用戶拓展來看，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，中國制造的電池產(chǎn)品遠銷歐美發(fā)達國家市場以及印度等新興市場，部分電池企業(yè)也和國外的主機廠展開合作，將電池制造技術(shù)帶到歐美，由此可見中國鋰電行業(yè)已經(jīng)實現(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)競爭的視角來看，鋰電池的設(shè)計仿真這一核心技術(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)計仿真技術(shù)將是我國鋰電產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展的一個重要目標(biāo)。占據(jù)正向設(shè)計仿真技術(shù)這一產(chǎn)業(yè)發(fā)展的制高點，將有利于推動我國鋰電產(chǎn)業(yè)從依靠制造優(yōu)勢轉(zhuǎn)變?yōu)橐揽考夹g(shù)創(chuàng)新優(yōu)勢的發(fā)展方式。

鋰電池仿真技術(shù)無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，而國內(nèi)鋰電全產(chǎn)業(yè)鏈的龐大制造規(guī)模優(yōu)勢，潛在的測試數(shù)據(jù)規(guī)模優(yōu)勢，也為國內(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)，進而產(chǎn)生新的設(shè)計和仿真需求，為促進仿真軟件的發(fā)展提供了市場條件。從這個角度上說，鋰電池仿真是國內(nèi)CAE仿真軟件的一個突破口。

工業(yè)仿真軟件發(fā)展周期長、開發(fā)難度很高，以多物理場仿真軟件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)、計算機技術(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、從弱到強發(fā)展起來。

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)的前沿上實現(xiàn)理論工程化的實際突破，才有可能真正實現(xiàn)創(chuàng)新驅(qū)動的發(fā)展。工業(yè)仿真軟件恰是會承擔(dān)起這樣的作用。

由于筆者時間、視野、認知有限，本文難免出現(xiàn)錯誤、疏漏等問題，期待各位讀者朋友、業(yè)界專家指正交流。

文中部分業(yè)界觀點獲得六度智囊支持，在此表示感謝

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