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【原创】电芯仿真设计背后的“中国力量”
电芯仿真| 易来科得 文章来源自:高工锂电网
2021-10-14 09:36:31 阅读:12043
摘要依托于中国动力电池产业先行优势而带动的电池工业软件及方案,开始“扬帆全球”。

羸弱的动力电池产业链,已成为欧洲电动化进程中的最大短板,“补链、强链”正成为其战略重心。

欧洲作为全球电动汽车增速最快的地区,其电动化渗透率从2019年的3.3%增加到2020年的10.2%。

与此相对应的,是其在动力电池供应链环节的明显短板和缺口。数据预测,到2023年,欧洲对电动汽车电池的需求预计将达406GWh,供应预计为335GWh,市场存在明显短缺。预计到2025年,供应缺口将进一步扩大至40%左右。

在此背景下,欧洲各国正在提供大量扶持,以支持其动力电池产业链配套能力的完善,一场欧洲范围的动力电池“新基建”正在大幕开启。

T&E一份报告显示,欧洲已建设或正在建设的超级工厂总数达到38个,预计总年产能为1000GWh。

产能部署“大干快上”的同时,欧洲对于电池技术的研发同样高度重视。

2020年初,欧盟发布《BATTERY 2030+》,该计划将召集欧洲以及整个价值链上的顶尖科学家,通过跨学科研究方法,利用人工智能、机器人技术、传感器和智能系统等先进技术,追求超高性能、可靠、安全、可持续和价格合理的电池,以期为欧洲工业创造颠覆性技术和整个价值链的竞争优势。

英国也同样雄心勃勃,早于 2019年,英国政府就宣布投资1.3亿英镑在考文垂建立英国电池工业化中心(UKBIC),作为一个全国性设施,该中心旨在支持英国工业在电气化方面的电池技术发展。今年7月,UKBIC正式投入使用。

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在欧洲此轮动力电池补链强链计划中,一个值得关注的现象是,无论是在产能部署、供应链建构,还是在技术研发布局中,都能看到中国企业的身影置身其中。

在动力电池产能部署中,先后已有宁德时代、远景动力、蜂巢能源、孚能科技、中航锂电等企业参与或者规划在欧洲落子,在上游供应链环节,也有像科达利、新宙邦、先导智能等越来越多的中国头部企业加入。

而即便是在最为核心的电池研发环节,同样也能看到中国企业的身影。

2020年,一家名叫苏州易来科得科技有限公司(下称“易来科得”)的中国企业为欧洲一家超级电池工厂交付了一套完整的电芯设计方案,满足了该客户从早期需求到生产的快速落地。

回忆起当时的经历,易来科得的创始人和CEO陈新虹博士介绍,这家欧洲企业当时刚刚起步,办公室都还没建好,没有测试能力,也没有中试线,是在几乎从0起步的状态下将需求给到易来科得。

陈新虹博士在2021未来青年论坛上演讲

随后的8个月时间里,陈新虹团队用2个月帮助客户和供应商协调整理材料物性参数,又用6个月时间,基于易来科得的电芯仿真设计工具迭代了百余款设计,筛选出6套方案,最终协助客户选定2套完成交付。最终打样后,设计方案性能预测与真实产品误差仅在5%以内,得到了欧洲客户的高度认可与评价。

易来科得的一小步,却是中国电池研发领域的一大步。

其开启了中国动力电池设计方案出口的先河。这意味着,依托于中国动力电池产业先行优势而带动的电池工业软件及方案,也开始“扬帆全球”。

而越来越多的中国企业参与到欧洲“新基建”的背后,释放出的两个关键信号值得关注:

一是,欧洲缺失了过去10年电池领域的积累,要想短期内快速建立起自身技术研发和供应链能力并不现实,必须要依靠外部力量为其赋能。

二是,中国企业依托于多年积累形成的研发技术储备、产业链配套、大规模制造等竞争力,已经开始全方位向欧洲“溢出”,中国产品、中国方案、中国技术正在深度参与到其电池产业构建之中,成为欧洲电动化的重要合作伙伴。

电芯仿真设计“中国先行”

高精准的电芯设计方案背后,秘密来自于中国的高精度仿真设计工具。

长期以来,工业仿真软件一直被欧美企业牢牢把控,然而,在电芯仿真工具软件,中国却先行一步,从一开始就掌握了自主知识产权,并站到了该领域的高地。

这也是欧洲新兴电池企业在进行前期电池开发时将目光投向中国的原因所在。

好的电芯仿真工具,必须要有两大底层要素,一是要有高精度的电化学方程模型,这样才可以精准的勾勒现实状态,使其接近真实的物理场景,二是要有专门的求解器,结合计算机算力,这样可以给出准确预测,从而为电芯设计赋能。

成长于中国本土的易来科得,就同时具备上述两大底层能力。

在电化学模型上,易来科得拥有来自清华大学在电池领域10多年的研发积累所形成的电化学模型,其从底层架构上颠覆了国际通用软件中采用的Newman P2D模型。

90年代诞生的Newman P2D模型,尽管在机理上比较真实的描述了电化学反应及其物质组织过程,但最大的问题是在几何层面,由于采用体积平均假设,简化了维度,导致无法真实反映电极内部结构,从而影响最终仿真准确性。

而相比Newman P2D模型,易来科得选择的清华大学团队自主研发的电化学模型,其建构方式能更准确的体现多孔电极结构,这让其相比其它通用软件,更接近电芯内部的真实结构与现象,从而可以更好的指导设计。

在求解器上,作为模拟仿真技术专家的陈新虹博士,曾长期担任大型企业仿真部门负责人,早在她读博期间,就用程序自己去编计算流体力学的求解器,多年的积累,陈新虹团队建立了一套自主可控的多物理场仿真工具求解器。

正是基于来自清华大学的高精度电化学模型和陈新虹团队自主可控的求解器二者的结合,易来科得开发出了面向动力电池的仿真设计工具,而这也是国际上第一款专门针对电池的仿真设计工具。

事实上,对于欧洲新兴电池企业而言,其在电池研发上的诉求主要体现为,一是速度,要在近乎零基础的情况下快速建立其产品设计能力,二是降本,欧洲的研发人力和物力成本非常贵,如何以低成本投入完成研发设计也是其关键考量因素。

来自中国的电芯仿真设计工具及方案,就准确的契合了欧洲企业的现实诉求,同时,在仿真的高精度上,还能远超预期。

再加上欧洲本身对于仿真驱动的正向设计已经拥有极高的接受度,这就给了易来科得布局欧洲市场时极大的信心。

陈新虹博士介绍,易来科得正在积极筹备建立德国公司,以“在德国,为欧洲,向世界”的思路近距离服务欧洲客户。

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仿真驱动正向设计“快车道”

欧洲新兴电池企业选择的电芯仿真驱动正向设计,其实代表的也是整个行业的发展趋势。

对于锂电池而言,电芯极片的性能直接决定了最终电池能量与功率的发挥,在材料短期无法获得突破性创新的大前提下,如何基于已有材料,进行电芯极片的设计创新,就成为电池企业研发的核心发力点。

长期以来,电芯极片的设计研发一直采用的都是实验试错的方式,这种方式面临的主要问题是研发成本高、周期长,且随着现有材料瓶颈的临近,研发难度越来越大,这成为亟待解决的现实问题。

以国内一家头部电池企业为例,其研发人员超过5000人,仅电芯环节的研发人员就超过1000人,每年研发人员工资超过14亿元,研发材料费每年达13亿,此外,研发环节还有大量的设备及电力消耗,都会带来巨大的成本投入。

在此背景下,电芯研发就需要通过新的研发工具来改变现状,仿真设计工具的引入就成为产业共识。

作为基础工业软件,仿真已经在汽车、家电等传统领域成熟应用,但在电池领域则刚刚起步。

尽管已经有一些头部电池企业对于仿真驱动的正向设计产生意愿,但现实情况是,足够好用且能真正指导设计的仿真软件工具并不多见,市面上主要还都是以通用软件为主,操作难度大,且精准度低,无法对于设计带来太大帮助。

正是基于这样的背景,陈新虹博士和团队在2019年创业时选择以电芯仿真设计领域作为切入口。

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“电极的英文单词是electrode,易来科得的英文名字electroder的由来就是在electrode后面加了一个r。”

谈及创立易来科得的初心,陈新虹博士告诉高工锂电,就是希望基于团队在电化学模型和解算器领域的积累结合,真正做一款具备在电芯领域有中国自主知识产权,并可以影响全球的工业软件。

“中国动力电池过去10多年在研发领域所积累的knowhow和经验,给了易来科得的电芯仿真设计工具强大的支撑,这是任何国外同行不可能具备的,也是易来科得与其它国际通用仿真软件对比时最明显的优势。”

基于这种优势,陈新虹团队也真正打通了仿真与设计之间的鸿沟,这使得其仿真设计工具可以真正在企业研发过程中参与决策。

电芯从设计到生产主要分为A样、B样、C样、SOP等阶段。从最开始A样环节的材料选择,仿真就可以参与其中,为正负极、电解液、隔膜等关键材料的配方选择和匹配进行仿真、验证,并给出相应的设计方案。

在B样及C样环节,仿真可以对于工艺参数的选择给予指导,例如极片压实力度、压实密度的参数,都可以通过仿真进行测试和虚拟验证,最终支持企业完成SOP前的所有准备。

仿真设计的引入,最为明显的,是能给企业带来直观的效益,首先是在研发成本上,可以大幅缩减近50%的研发成本,其次在研发周期上,能将原本6~24月的研发周期大大缩短至几周。

与此同时,基于仿真驱动的正向设计,不仅可以摆脱实验条件的限制,以经济高效的方式达到实验试错的目的,更为关键的,其还能突破传统实验试错,达到其无法达到的功能。

如果设计方案在样品试制上存在困难,但通过仿真建模,依然可以将其模拟出来,并基于算法给出可行性的预测和分析,这也被称作“未造先知”,也就是还没有制造,就已经提前了解这款电池的预期性能。提前去调整和优化设计,避免后面再发现问题而返工。

此外,基于高精度的仿真,可以帮助研发者真正搞清楚微观尺度的材料运行机理,打开电芯极片的“黑盒子”,从而更深维度的进行电池研发。这就可以更为前瞻的赋能企业做未来3~5年甚至更超前的技术开发和储备。

陈新虹博士的判断是,从市场层面来看,电池企业之间的竞争正在变的日趋激烈,而从技术演化来看,以实验试错的研发也逐步达到天花板,二者的叠加之下,就倒逼着企业用仿真正向驱动设计等更为先进的方式加大研发投入。

高工锂电获悉,包括宁德时代、中航锂电、蜂巢能源等电池企业已经在积极导入仿真设计工具的应用,而在头部企业的带动效应下,整个行业的应用将会驶入“快车道”。

推动仿真设计“普及化”

尽管业内对于仿真正向驱动设计的理念已经达成共识,但要想将其真正导入到电芯研发当中,依然存在着不小的难度和挑战。

多家电池企业的研发负责人的感受是:仿真设计的应用门槛太高,现有的软件操作难度往往很大,界面和操作不友好,真正做设计的研发人员无法直接应用,企业往往要专门招聘和设置一些仿真专业的博士。现实是,懂仿真的人往往对于电芯设计并不能做到深入和全面的了解,使得彼此间的协作和沟通并不顺畅。

这导致的结果就是,仿真工具成为电池企业研发的花瓶,无法真正参与到研发设计中。

“即便一款仿真工具的精度再高,但如果做不到简单易用,其依然无法真正帮助企业实现高效的研发。”

从创业一开始,陈新虹博士就意识到,易来科得不仅要做高精度的电芯仿真设计工具,还要让其简单易用,从而能真正为普通的企业研发人员应用,作为一个基础的应用工具参与到其具体日常的设计工作中。

在她看来,只有做到普及化和大众化,其才能真正发挥仿真在研发领域的最大价值,从而激活研发领域的创新力。这一理念也被深刻的融入到易来科得的产品之中。

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陈新虹博士向高工锂电展示,其仿真设计工具可做到即开即用,电芯工程师只要用日常工作语言输入其材料配方及相应数据信息,后台就可以进行高性能计算,计算完成后可以输出一整套可视化的图表报告,例如温度分布、离子浓度分布、电流电压趋势等,都可以一目了然。

这意味着无任何仿真经验的工程师都可以直接使用,大幅降低了仿真技术的应用门槛。而对于企业而言,无需购置或更新任何硬件设备,甚至都不用额外安装软件。

陈新虹博士和她的团队坚信,只有真正解决仿真工具“难学、难用、难推广”的行业痼疾,才能真正推动仿真技术的普惠发展。

电池工业软件的未来图景

以仿真设计工具赋能电芯研发环节,只是易来科得要做的第一步,陈新虹团队更大的雄心是,要通过这个工具,进一步向外部打通产业价值链的各个环节。

通过仿真设计工具平台,材料和设备可以在电池企业提前验证其产品技术方案,而电池企业也同样可以在车企做电芯设计的模拟验证,甚至还可以更进一步,延伸向电池后市场,实现动力电池的残值评估,推动价值链企业间的更为高效的协作,最终将全方位改变电池研发、制造、运营的整体图景:

研发——电池研发中心,能够在混合现实中完成整套设计方案,大幅削减物理现实中的实验试错,利用智能化工业软件完成型号设计,精准进行产品路线决策;

制造——电池工厂,引入虚拟电池作为智能制造的数据标杆,利用海量工艺数据流用于训练制造孪生,进而定制设备、提升工艺、增加效能、提高质量;

运营——电池的运营商,管理和预知个性化的能量存储与释放行为,并通过虚拟残值评估等非测试手段,低成本、规模化盘活存量资产,打通后市场服务、梯次利用、高效回收的技术路径。

易来科得要做的,是做中国自主知识产权的电池设计工具,并让其成为新一代行业基础设施,赋能产业链各个环节的参与企业,真正打通电池全生命周期,从而使电池工业软件和动力电池一样,成为中国参与全球竞争的一张名片。

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