◎ 李哲，清華大學(xué)車輛與運(yùn)載學(xué)院教授，汽車安全與節(jié)能國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任

【導(dǎo)語】：

2022年3月25-27日，中國電動汽車百人會論壇（2022）在京召開。大會以“迎接新能源汽車市場化發(fā)展新階段”為主題，深入探討了我國新能源汽車由政策與市場雙驅(qū)動轉(zhuǎn)向以市場驅(qū)動為主的新階段所面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。在27日召開的動力電池論壇上，清華大學(xué)車輛與運(yùn)載學(xué)院教授、汽車安全與節(jié)能國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任李哲就“動力電池的先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)以及在這一先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)推動下的動力電池產(chǎn)業(yè)研發(fā)模式變革”發(fā)表主題演講。

動力電池的產(chǎn)品設(shè)計(jì)要完成什么樣的任務(wù)

第一部分我們講一下，動力電池的產(chǎn)品設(shè)計(jì)要完成什么樣的任務(wù)。

電池性能的成因比較復(fù)雜，我們認(rèn)為它滿足以下的乘法公式，是材料發(fā)展水平、電池設(shè)計(jì)水平和制造水平的乘積。

電池性能是否唯一和材料性能劃等號呢？過去的150年，從鉛酸電池發(fā)展到鋰離子電池，電池的關(guān)鍵性能、能量密度大約提高了5-10倍。2000年以后，在單顆粒實(shí)驗(yàn)這些典型的電池實(shí)驗(yàn)技術(shù)推動下，人們有了新的發(fā)現(xiàn)。

Dokko教授在單個顆粒實(shí)驗(yàn)上進(jìn)行的充放電實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，單個鈷酸鋰顆粒在126C下充放時，容量的保持率依然大于80%。同樣是鈷酸鋰的正極材料，制成單體后它的大倍率放電能力大約要下降1-2個數(shù)量級。大家都有概念，單體的放電倍率對于高能量電池來說一般在幾C，甚至1C、2C。

有了好的設(shè)計(jì)以后，要想變成好的真實(shí)的電池產(chǎn)品性能，還必須有先進(jìn)的電池制造設(shè)備和工藝保障。因此，這張圖（圖1.）反映了三者的關(guān)系。

電池材料的發(fā)展水平，克容量、高電壓材料的出現(xiàn)，是電池性能的理論上限。那么好的電池設(shè)計(jì)的目標(biāo)，就像我們?nèi)ビ|摸天花板一樣，要通過好的設(shè)計(jì)，把熱力學(xué)上儲存在電池材料上的內(nèi)部能量，在到達(dá)截止電壓之前，“物盡其用”的發(fā)揮出來，這是動力學(xué)上的一個成功。一旦電池設(shè)計(jì)定型以后，電池的制造，通過工藝的調(diào)試、不斷發(fā)明的好的設(shè)備，就可以不折不扣的變成真實(shí)的產(chǎn)品。

* 圖1（圖片截自嘉賓發(fā)言PPT）

中間藍(lán)色部分的電池設(shè)計(jì)，它完成的一個主旨是，在既有材料的發(fā)展水平下，通過設(shè)計(jì)來改善電池的性能，這個性能是動力學(xué)上的性能。 

電池產(chǎn)品設(shè)計(jì)工作的一個典型任務(wù)大概如這張表（圖2.）所示。

* 圖2（圖片截自嘉賓發(fā)言PPT）

首先，在電池設(shè)計(jì)過程中有很多設(shè)計(jì)變量。比如材料配方的變量：選什么樣的主材、什么樣的助劑，它們之間有什么樣的配比關(guān)系。微觀結(jié)構(gòu)的一些變量，比如材料顆粒粒徑如何分布、電極的涂布厚度、孔隙率或者壓實(shí)密度，包括電池內(nèi)部大量存在的界面，如集流體界面、顆粒界面等等。更大一點(diǎn)尺度上，還有形狀尺寸的一些設(shè)計(jì)變量，還有構(gòu)型之爭一直是電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展中一個非常受人關(guān)注的話題。近年來還有很多新的電池構(gòu)型在不斷地涌現(xiàn)，在確定的形狀特點(diǎn)下，它的尺寸比例如何調(diào)整，極耳這樣一些關(guān)鍵部件的位置如何調(diào)整等等。

非常眾多的，大概數(shù)十個設(shè)計(jì)變量都是為了達(dá)到電池的性能需求。一般來說，我們對于電池至少有電性能的需求，如能量密度多少瓦時/千克；功率密度在不同的持續(xù)放電時間下能夠達(dá)到多大功率值。除此之外，還會有熱性能的要求，電池在工作過程中的最高溫度，最好控制在一定范圍內(nèi)。大型電池內(nèi)部會發(fā)育出溫差，這些溫差也需要得到很好的控制。除了電和熱的性能需求之外還有壽命的需求，我們希望它達(dá)到數(shù)千次、上萬次的循環(huán)壽命，還有安全性的需求等。

電池產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一個典型任務(wù)，就是在給定的一套性能需求下來確定這一攬子的設(shè)計(jì)變量。

在電池產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)方法一直隨著時代在不斷發(fā)展進(jìn)步。目前我們回顧以前、展望未來，大概可以將電池產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方法分為三代核心技術(shù)。它們分別是：長期以來，無論中國還是歐洲新興的動力電池產(chǎn)業(yè)中，都在大規(guī)模使用的實(shí)驗(yàn)試錯方法，我們稱之為第一代技術(shù)；目前第一代實(shí)驗(yàn)試錯方法正在向第二代技術(shù)（過渡），我們稱之為仿真驅(qū)動的正向設(shè)計(jì)技術(shù)；通過以仿真驅(qū)動的正向設(shè)計(jì)替代實(shí)驗(yàn)試錯，單個型號、產(chǎn)品設(shè)計(jì)的效率大約提升2-5倍。未來5-10年，在2025-2030年這個階段將發(fā)生的一次關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)步，是以仿真驅(qū)動的正向設(shè)計(jì)方法為基礎(chǔ)，進(jìn)一步向無人化（既包括全自動的含義、也包括智能化含義），智能化全自動的電池產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法進(jìn)步，我們稱之為電池產(chǎn)品設(shè)計(jì)的第三代技術(shù)。在第三代技術(shù)下，可以將單品開發(fā)的效率進(jìn)一步提升10-100倍。

這就是電池產(chǎn)品設(shè)計(jì)的三代的核心技術(shù)，以及從第一到第二，目前正在發(fā)生的和未來5-10年即將發(fā)生的，從第二代到第三代的技術(shù)躍遷。

動力電池產(chǎn)品設(shè)計(jì)的過去與現(xiàn)在

01從實(shí)驗(yàn)試錯到仿真驅(qū)動正向設(shè)計(jì)

電池設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)技術(shù)，我們稱之為實(shí)驗(yàn)試錯法。

什么叫試錯呢？假如我們是一家電池企業(yè)，收到了一家車企的訂單，根據(jù)車輛的比如續(xù)駛里程的要求、能量密度的要求、車底可以安置空間的要求、包括成本的要求，我們會設(shè)計(jì)出特定的電池型號，來完成這個訂單要求。大家知道，電池的可設(shè)計(jì)參數(shù)很多，每個參數(shù)都可能有不同的取值，這些取值的不同直接決定了電池的性能。比如偏高能量型的，可以支持600公里、700公里、1000公里的續(xù)駛里程；更偏功率型的，比如混合動力汽車上使用的一些動力電池。

在很多個設(shè)計(jì)參數(shù)，每個參數(shù)有多個不同的水平取值的情況下，可以產(chǎn)生的電池設(shè)計(jì)方案是非常眾多的，怎么辦呢？企業(yè)會根據(jù)在之前這個產(chǎn)品開發(fā)中的一些原型經(jīng)驗(yàn)，給出一些不同設(shè)計(jì)方案，在每個方案下再制造一些平行樣品，把這些樣品制造出來，投入到測試中去，去測它的電學(xué)性能、熱學(xué)性能、壽命等等這樣的一些關(guān)鍵的指標(biāo)。這個測試結(jié)束以后數(shù)據(jù)都回來了之后分析數(shù)據(jù)，就像賽馬一樣，可以明顯地看出哪種設(shè)計(jì)方案最好，就用這個設(shè)計(jì)方案來完成這個訂單需求，如果這個最好的設(shè)計(jì)方案依然不滿足要求，迭代，重新開始制樣、測試的過程。

事實(shí)上，實(shí)驗(yàn)試錯法在電池產(chǎn)品研發(fā)中帶來了大量的浪費(fèi)，我們稱之為四大主要浪費(fèi)：時間的浪費(fèi)，大家知道企業(yè)的CPD部門完成型號設(shè)計(jì)，短則幾個月，長的時候甚至需要2年、3年，時間非常長。第二、物料的浪費(fèi)，很多公開的企業(yè)年報(bào)中，在電池產(chǎn)品研發(fā)過程中使用的物料數(shù)以億計(jì)。另外，制造了很多樣品開展測試，企業(yè)內(nèi)部都有一個非常大的測試中心，可能會有上萬個通道，充放電機(jī)、溫箱，這些都是“電老虎”，單機(jī)功率可能在數(shù)千瓦，所以在研發(fā)過程中還帶來了電能的浪費(fèi)，除了物料的浪費(fèi)還有能源的浪費(fèi)。最后，最寶貴的也是最可惜的，是人力資源的浪費(fèi)。中國電池企業(yè)研發(fā)隊(duì)伍的人才數(shù)量和質(zhì)量越來越高，很多工程師的時間投入到了這種重復(fù)的型號設(shè)計(jì)迭代過程中，制樣、測試、分析數(shù)據(jù)、改善，在這個循環(huán)中浪費(fèi)了大量的精力。

鑒于這四大主要浪費(fèi)，我們在清華的團(tuán)隊(duì)致力于開發(fā)新的電池產(chǎn)品的研發(fā)方法。目前正在做的一件事情，是以仿真驅(qū)動的正向設(shè)計(jì)來部分替代在實(shí)驗(yàn)試錯過程中的大量制樣測試過程，我們稱之為電池設(shè)計(jì)方法的第一次躍升。

與實(shí)驗(yàn)試錯方法制樣測試的迭代不一樣，仿真正向設(shè)計(jì)是一個什么樣的思路呢，這四個字把它的主要思路說的很清楚，叫“未造先知”，叫Know Before Fabricate，沒大規(guī)模的制樣測試之前，能不能根據(jù)設(shè)計(jì)方案來預(yù)測出、猜測出它的性能表現(xiàn)呢？

一個典型的仿真正向設(shè)計(jì)的流程是下面這個圖的樣子。

* 圖片截自嘉賓發(fā)言PPT

左端，我們輸入一套設(shè)計(jì)參數(shù)，里面含很多個，可能是60個、70個或者更多的設(shè)計(jì)參數(shù)，包括配方的、微觀結(jié)構(gòu)的、宏觀結(jié)構(gòu)的等等。在右端的輸出，觀察電池的性能，有熱的性能、電的性能、壽命的性能等等。如果輸出的性能滿足要求，那么輸入的這套設(shè)計(jì)參數(shù)，可能就是最終設(shè)計(jì)方案；如果不滿足要求，就回到左端、輸入端，進(jìn)一步輸入新的設(shè)計(jì)參數(shù)，觀看電池性能的提升。

這中間也有迭代，下面的箭頭調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)，滿足特定性能需求。但它采用的是一種稱之為虛擬迭代的方法，來替代了實(shí)驗(yàn)試錯法中制樣測試帶來的四大浪費(fèi)的迭代過程。

從仿真正向設(shè)計(jì)的這個框圖中大家可以看到，左端輸入電池設(shè)計(jì)，右端得到電池性能，那么將這兩者關(guān)聯(lián)在一起的數(shù)量關(guān)系我們稱之為電池的模型。可以用于設(shè)計(jì)的電池模型我們特定的將它稱之為電池的構(gòu)效關(guān)系模型，高精度的電池構(gòu)效關(guān)系模型是仿真驅(qū)動的電池正向設(shè)計(jì)方法的底層核心技術(shù)。

那么這是一個什么樣的電池構(gòu)效關(guān)系模型呢？

* 圖片截自嘉賓發(fā)言PPT

在這個構(gòu)效關(guān)系模型里，至少要涵蓋兩個核心尺度，第一是電極的尺度，電池的正極材料、負(fù)極材料，包括其中的導(dǎo)電劑、黏結(jié)劑等各種各樣的助劑，它們構(gòu)成的多孔電極是第一個關(guān)鍵尺度，它的特征尺寸是，從單個顆粒一直到整個電極單面涂層的厚度一般在百微米以下。

構(gòu)效關(guān)系模型的第二個尺度是單體尺度。它比電極尺度更大一點(diǎn)，有了好的正負(fù)極片以后，還要把它制成一個好的單體。單體尺度要解決一些特殊問題，比如要選擇什么樣的構(gòu)型，圓柱的、軟包的、方殼的、長刀的、短刀的，構(gòu)型上的創(chuàng)新。除了形狀之外還有尺寸，確定的方殼長寬厚的比例，極耳或者極柱、極臺的位置等等，都會進(jìn)一步?jīng)Q定電池的性能。

要完成這種仿真驅(qū)動的電池正向設(shè)計(jì)，我們清華團(tuán)隊(duì)一直在進(jìn)行四大核心技術(shù)研究。

從化學(xué)能到電能的能量轉(zhuǎn)換器件有很多類型，比如目前在電動汽車領(lǐng)域大規(guī)模使用的動力電池，有液態(tài)電解質(zhì)的，還有固態(tài)電池，燃料電池，使用氫氣的燃料電池，器件的發(fā)展一直不會停止。但是在這種能量轉(zhuǎn)換器件的設(shè)計(jì)過程中，存在著貫通不同器件的我們稱之為平臺性技術(shù)要素。技術(shù)要素的研發(fā)是目前面向鋰離子電池，將來可能面對更多新型的能量轉(zhuǎn)換器件做產(chǎn)品開發(fā)的一個通用技術(shù)。

02

實(shí)現(xiàn)仿真正向設(shè)計(jì)的4大核心支撐技術(shù)

我們歸納能源器件設(shè)計(jì)的平臺型技術(shù)要素，采用這種仿真正向方法的，至少包括以下四點(diǎn)：第一，是電池正負(fù)極核心材料本征動力學(xué)參數(shù)的測定。第二，是多物理場耦合的機(jī)理模型的構(gòu)建。第三，是電極微觀結(jié)構(gòu)，微米尺寸的這種結(jié)構(gòu)，自動化的、大批量的生成技術(shù)。第四部分，是數(shù)值計(jì)算的求解器的開發(fā)。以下我們一樣一樣來看。

第一個技術(shù)要素，稱之為電池正負(fù)極材料的本征動力學(xué)參數(shù)測定。

這是什么含義呢，我們講第二大技術(shù)要素的時候，多場耦合的機(jī)理模型，大家會發(fā)現(xiàn)，在模型中存在著很多表征材料本征屬性的參數(shù)。比如，鋰離子在一個典型的石墨顆粒中擴(kuò)散速度有多快，這個擴(kuò)散速度可能是嵌鋰量的函數(shù)、溫度的函數(shù)，但是它本質(zhì)上是這種材料的固有屬性。這種固有屬性會作為電池構(gòu)效關(guān)系建模中不可或缺的參數(shù)，帶入到整個建模和電池產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中。所以一個電池仿真驅(qū)動的正向設(shè)計(jì)方法的核心，在于建準(zhǔn)構(gòu)效關(guān)系模型。而建好模型的一個基本功，是要有精確的參數(shù)標(biāo)定方法，有時這種商用的儀器不夠用，還要團(tuán)隊(duì)來開發(fā)一些特殊的儀器，這也是我們在本征動力學(xué)參數(shù)上采用的一些方法。在這個領(lǐng)域我們正在建立電池正負(fù)極材料的本征動力學(xué)參數(shù)的一個數(shù)據(jù)庫，開發(fā)了很多比如單顆粒電池這樣一些新型的實(shí)驗(yàn)臺，研究正極材料、負(fù)極材料包括一些關(guān)鍵的電解液動力學(xué)過程的一些參數(shù)。

第二個技術(shù)要素，是多場耦合的機(jī)理模型的構(gòu)建。

什么是模型構(gòu)建呢？我們更多指的是如何描述清楚，用一套偏微分方程，描述清楚電池內(nèi)部發(fā)生的物理化學(xué)過程。進(jìn)一步做闡述，是指電池內(nèi)部發(fā)生的行為和現(xiàn)象以及驅(qū)動這種行為的驅(qū)動力之間的關(guān)系，它的最終參數(shù)是一套偏微分方程。大家可以看到下面這張圖，是一個典型的電極的示意圖。

* 圖片截自嘉賓發(fā)言PPT

這里面有很多微觀的結(jié)構(gòu)，黃色部分，這種大的，比如正負(fù)極材料固相顆粒球狀顆粒；黑色的，這種小型的導(dǎo)電劑形成的電子通路，顆粒和電解質(zhì)相聯(lián)的這個表面處于的固液界面，這里面的孔大部分情況下我們認(rèn)為充斥著電解液。

在這樣一個多孔電極的環(huán)境中會發(fā)生很多現(xiàn)象。比如有物質(zhì)傳輸?shù)倪^程，鋰離子會發(fā)生輸運(yùn)、電子會發(fā)生導(dǎo)電，在固液相的界面處會發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，脫鋰和嵌鋰為代表的氧化還原反應(yīng)，有時候還有一些老化過程中人們不愿意讓它發(fā)生的一些副反應(yīng)，會減弱電池壽命的一些副反應(yīng)。另外電池內(nèi)部還會產(chǎn)熱、會傳熱、電池與外界環(huán)境還存在著熱交換，以上這些所有的行為或者說現(xiàn)象，在第二個技術(shù)要素中都試圖采用一套偏微分方程組來清晰的描述。

第三個技術(shù)要素，電極微觀結(jié)構(gòu)自動批量生成。

如果說第二個技術(shù)要素是數(shù)理上的工作，第三個技術(shù)要素更多是幾何上的工作。大家知道電池的結(jié)構(gòu)，以目前大規(guī)模使用的液態(tài)電解質(zhì)結(jié)構(gòu)來看，它的電池電極結(jié)構(gòu)大部分是一個多孔結(jié)構(gòu)，其中含有多種不同的固相材料，固相材料的間隙中還存在著孔，孔中還可能灌注著電解液。液相和固相分別構(gòu)成了離子和電子這兩類最重要載流子的通路，微觀的幾何結(jié)構(gòu)受到加工過程中、設(shè)計(jì)過程中很多工藝的影響，比如涂多厚、壓實(shí)密度多大、烘干的供需怎么樣等等，微觀結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)一定程度上決定了電池性能的特點(diǎn)。

在完成仿真驅(qū)動的正向設(shè)計(jì)時，要首先根據(jù)不同的方案設(shè)計(jì)，哪些設(shè)計(jì)方案呢？

* 圖片截自嘉賓發(fā)言PPT

這張表中左上角，主材的類型、材料的配比、顆粒的形貌、粒徑的分布、涂布的厚度、壓實(shí)界面工藝等等一些設(shè)計(jì)參數(shù)，要快速地生成對應(yīng)于這套設(shè)計(jì)參數(shù)的微觀幾何結(jié)構(gòu)，而且它應(yīng)該是自動化的，不是靠人去繪制；也是大批量的，因?yàn)樵谡嬲姆抡孢^程中，為了減少仿真結(jié)果的隨機(jī)性，會含有大量數(shù)目的顆粒。以右上角的這個圖來看，真正仿真過程中處理的長度可能是它的10倍以上，里面會含有至少數(shù)千個顆粒，因此這種幾何結(jié)構(gòu)的生成方法必須是自動化、大批量而且有效率的。

右上角是一個典型的某一個電極的多孔的微觀結(jié)構(gòu)。事實(shí)上這個結(jié)構(gòu)不是唯一的，它與很多關(guān)鍵假設(shè)，包括輸入的設(shè)計(jì)參數(shù)是密切相關(guān)的?？梢钥吹较旅孢@些圖，可以表征不同的粒徑分布：D10、D50、D90；可以是兩維的、也可以是三維的；單個顆?？梢允钦蛐蔚?、也可以是橢球形的，甚至是片狀的；它可以適配很多工藝，傳統(tǒng)的涂布輥壓烘干工藝，包括現(xiàn)在干壓的工藝；在正極它可以表征出單晶的結(jié)構(gòu)，也可以表征出有些材料中使用的多晶結(jié)構(gòu)等等。因此這種自動化大批量生成的電極結(jié)構(gòu)，可以反映電池內(nèi)部很多趨于真實(shí)的信息：比如顆粒不同的形貌、不同粒徑分布的特點(diǎn)；助劑、導(dǎo)電劑、黏結(jié)劑真正的空間占位；孔隙分布的情況、壓實(shí)密度的情況，包括電池內(nèi)部非常豐富的界面上進(jìn)行的各種各樣的工藝處理等等。

最后一個技術(shù)要素，是數(shù)值求解器的開發(fā)。前面講了，幾何上我們得到了一個多孔的結(jié)構(gòu)，里面的形狀、結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜；代數(shù)上我們又得到了一套偏微分方程組，它可能首先具有高階的模式，另外是個偏微分，邊界條件很復(fù)雜，所以很難顯示采用解析的方法求解，把這套代數(shù)方程應(yīng)用在這樣一個復(fù)雜幾何上怎么解呢？怎么得到數(shù)值的解決呢？

一般情況下我們采用數(shù)值求解的方式。我們的團(tuán)隊(duì)還在開發(fā)具有全自主知識產(chǎn)權(quán)的數(shù)值求解器。大家知道CAD、CAE領(lǐng)域的很多軟件缺少大量的國產(chǎn)化工具，一直被認(rèn)為是我國工業(yè)軟件發(fā)展中一個非常瓶頸的問題。在第四個技術(shù)要素中我們并不是要開發(fā)一款通用的CAE求解器，而是要把面對比如鋰離子電池設(shè)計(jì)問題產(chǎn)生的幾何和代數(shù)可以采用自己全自主的求解器求解出來，它是垂直適用于特定產(chǎn)業(yè)、特定產(chǎn)品的。

在以上四大技術(shù)要素的支撐下，我們可以高精度的得到電池內(nèi)部很多信息的仿真結(jié)果，有些仿真結(jié)果是我們在實(shí)驗(yàn)室通過測試的方法可以方便得到的。

* 圖片截自嘉賓發(fā)言PPT

比如這張圖中，根據(jù)這個實(shí)驗(yàn)難度星數(shù)從一到五，可以簡單獲得比如電壓、容量、功率，直流內(nèi)阻、交流內(nèi)阻，通過三電極或者半電池的方法把正負(fù)極的電位區(qū)分開；下面一排實(shí)驗(yàn)難度在快速的增加，比如大的電池，尺度很大、厚度很大，如何把整個內(nèi)部，包括封閉結(jié)構(gòu)內(nèi)部和外部的溫度都能夠采集出來呢？實(shí)驗(yàn)上有一定的困難，但是并不是不可行。仿真的結(jié)果可以告訴我們，溫度在時、空兩重維度下任意時間、電池內(nèi)外任意位置的溫度變化情況。后面我們加了五星的兩張圖，分別代表在任意時刻下，比如左邊圖是正極固相材料內(nèi)部的鋰離子濃度，右邊圖是電子電流密度場。大家知道，這兩個物理參數(shù)很難通過實(shí)驗(yàn)室測試的方法滿足在一定的時間和空間分辨率條件下精準(zhǔn)的獲得，因此仿真技術(shù)可以幫我們見到一些在實(shí)驗(yàn)中不容易見到的現(xiàn)象，從而更有可能揭示出電池內(nèi)部發(fā)生的一些特定機(jī)理，并把這種機(jī)理與設(shè)計(jì)瓶頸及如何進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)計(jì)關(guān)聯(lián)起來。

03仿真如何指導(dǎo)設(shè)計(jì)

上面都是一些典型的仿真結(jié)果。仿真為什么能知道設(shè)計(jì)呢？或者為什么第二代電池產(chǎn)品的研發(fā)技術(shù)是仿真驅(qū)動的正向設(shè)計(jì)呢？我們來看一個案例。這個案例來源于一個特定的設(shè)計(jì)需求，如果一款電池在1C條件下，能量密度顯著偏低，能不能幫我們分析一下成因，應(yīng)該如何改進(jìn)一下這個設(shè)計(jì)呢？

* 圖片截自嘉賓發(fā)言PPT

通過仿真的方法，左圖，我們把這款電池在放電時刻過程中任意時刻的過電壓，此時的端電壓和該SOC下對應(yīng)平衡電位的差把它提出來，還把它進(jìn)一步解析成過電壓的不同成份，哪一部分是比如說液相離子傳輸帶來的、哪一部分是化學(xué)反應(yīng)帶來的、哪一部分是電子導(dǎo)電帶來的。我們會發(fā)現(xiàn)，在長達(dá)3000多秒的放電過程中，整個過電壓的曲線，大部分時間內(nèi)都比較平穩(wěn)，但是在接近放電截止的這個時刻，其中有橘色的一支、一種成份快速地抬升了，從而造成這款電池很早就擊破了放電截止電壓，熱力學(xué)上有的能量沒有辦法動力學(xué)上用上來，抬頭的成分是什么呢？

我們看一下負(fù)極顆粒內(nèi)部的擴(kuò)散過程，它在放電截止時刻，在整個過電壓的組成中占有多大的角色呢？看柱狀圖和右面表的分析，放電截止時刻大概800多毫伏的過電壓中，其中有755毫伏都來自于負(fù)極顆粒內(nèi)部的離子傳輸。這說明如果能把這個抬頭的橘色線壓下去，這個電池就可以多放電一段時間，在1C條件下測定的能量密度就會高一點(diǎn)。什么樣的設(shè)計(jì)因素可以有針對性的來降低負(fù)極顆粒內(nèi)部的離子傳輸帶來的過電位呢？有電池設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的人會知道，在負(fù)極顆粒內(nèi)部的擴(kuò)散與擴(kuò)散距離密切相關(guān)，也就是減小負(fù)極顆粒的粒徑，比如把D50調(diào)低一點(diǎn)，可以讓負(fù)極內(nèi)部的鋰離子擴(kuò)散過程更加順暢。

事實(shí)上，針對這樣一種仿真分析的結(jié)果，我們給出的設(shè)計(jì)改進(jìn)建議也是，要優(yōu)先嘗試減小負(fù)極石墨顆粒的D50，通過把D50下降，大概只下降了4個微米左右，可以顯著地提升這款電池在1C條件下的能量密度。

這個案例生動的解釋了為什么仿真可以指導(dǎo)設(shè)計(jì)，因?yàn)榉抡鎸㈦姵貎?nèi)部發(fā)生的一些實(shí)驗(yàn)上不可見的過程解析開了，掰開了，揉碎了，告訴我們這款電池為什么提前截止，如果要控制，要找到瓶頸，應(yīng)該在設(shè)計(jì)上優(yōu)先進(jìn)行哪些工作。

上面這個分析跟我們前面看到的離子濃度圖也是對應(yīng)的，截止時刻的離子濃度也可以證實(shí)這一點(diǎn)，大的顆粒，大的石墨負(fù)極顆粒，內(nèi)部殘存著較高的鋰離子濃度，如果縮小D50對于這部分的能量發(fā)揮是非常有效的。

我們看了過去、再看了現(xiàn)在，目前中國的動力電池產(chǎn)業(yè)正在從實(shí)驗(yàn)試錯法向仿真驅(qū)動的正向設(shè)計(jì)方法邁進(jìn)的路上，通過仿真驅(qū)動提供的這種虛擬迭代能力，可以把實(shí)驗(yàn)試錯法條件下的電池型號的開發(fā)過程大規(guī)模的加快，按照我們在產(chǎn)業(yè)的一些實(shí)踐，在效率上至少有2-5倍的提升空間，在成本上至少也可以節(jié)約一半。

最后，我們來共同展望一下電池設(shè)計(jì)技術(shù)的未來，智能化的全自動設(shè)計(jì)方法。

動力電池產(chǎn)品設(shè)計(jì)的未來

從目前仿真驅(qū)動的正向設(shè)計(jì)方法到智能化全自動，我們稱之為第二次躍升。那么仿真設(shè)計(jì)方法有什么不好嗎？或者還有“好上加好”的地方嗎？

有的，在上面這個框圖中，逆向的箭頭部分：調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)以滿足特定的性能需求。我們雖然用虛擬迭代替代了實(shí)驗(yàn)試錯過程中大部分的制樣測試，在仿真中輸入一套設(shè)計(jì)變量，得到一套性能的估計(jì)，這個過程能不能一次完成一個型號設(shè)計(jì)呢？很難，因?yàn)閯傞_始的這套設(shè)計(jì)變量的選取，當(dāng)然有經(jīng)驗(yàn)的成份，也會有一些隨機(jī)性，性能很可能不滿足要求，或者實(shí)驗(yàn)者希望這個性能能夠好上加好，那怎么辦呢？仿真工程師會重新輸入一套設(shè)計(jì)參數(shù)，觀察這個性能的提升。在這個重新迭代的過程中，有大量的人工經(jīng)驗(yàn)的判斷在里面。首先它可能不是最快的，看右下圖，因?yàn)槿斯を?qū)動多次仿真有一個方向選擇的問題，它可能找到的不是最快路徑，在所謂的尋優(yōu)過程中會走彎路。另外也不可能是最好的，人工多次迭代，仿真工程師也很辛苦，他有可能會停留在一個目前令人基本滿意的性能結(jié)果上，或者停留在一個局部最優(yōu)點(diǎn)，這個人工的尋優(yōu)過程就停下來了。

針對這種人工多次迭代仿真帶來的浪費(fèi)，和非最優(yōu)的缺陷，我們進(jìn)一步提出，如果將人工多次仿真與尋優(yōu)的過程通過自動化的方法來替代，還有可能找到更好更快的電池設(shè)計(jì)方法，這就是第三代智能化全自動設(shè)計(jì)方法。
在智能化全自動的設(shè)計(jì)方法下，我們開展了一些案例研究。案例還不是面向真實(shí)電池的設(shè)計(jì)問題，幾十個變量可以調(diào)，可能關(guān)注十個以上的電池性能表現(xiàn)。在案例研究中，我們大規(guī)模的縮小了輸入和輸出的量。

這兩張圖是兩個多目標(biāo)優(yōu)化的結(jié)果，一個是電極性能的設(shè)計(jì)結(jié)果，一個是單體尺寸的設(shè)計(jì)結(jié)果。大家可以看左圖，我們想設(shè)計(jì)一款能量密度和功率密度都比較好的電極。因?yàn)楦吣芰康碾姌O和高功率的電極很多關(guān)鍵的設(shè)計(jì)參數(shù)可能是相反的，所以這里存在著能量密度和功率密度相平衡的問題。通過某些智能尋優(yōu)的方法，我們把仿真過程中的構(gòu)效關(guān)系模型上的通路依然保留。但是下面這個迭代過程，不再是人來迭代了，用更聰明的算法來迭代。通過2500次迭代，大家可以認(rèn)為經(jīng)歷了2500個不同設(shè)計(jì)方案的比較，我們發(fā)現(xiàn)其中有25個最優(yōu)解，即這些紅色的點(diǎn)，就是在整個能量密度和功率密度的二維坐標(biāo)下最接近于右上角實(shí)現(xiàn)帕累托最優(yōu)的解。2500個迭代過程的完成大概花了多久呢？在實(shí)驗(yàn)室條件下，大約只有40多個小時，大家可以想象，如果通過更早期的實(shí)驗(yàn)試錯的方法來比較2500個設(shè)計(jì)方案需要多長時間？

右圖是一個單體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)問題，在這個設(shè)計(jì)案例中我們要求或者希望這個電池工作過程的最高溫度低一點(diǎn)、電池內(nèi)部的溫差也低一點(diǎn)，因此最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案一定是左下角的這些設(shè)計(jì)方案。大家可以看到，其中任何一個點(diǎn)都是一套設(shè)計(jì)方案，右圖上比較了300組不同設(shè)計(jì)方案在最高溫度和最大溫差上的表現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)紅色的點(diǎn)大概有20多個，達(dá)到了帕累托的最優(yōu)解，最接近于左下角。其中，每一個點(diǎn)在單體設(shè)計(jì)的關(guān)鍵形狀、尺寸、長寬厚的比例上可能都各不相同。所以，不僅對于電極設(shè)計(jì)，對于單體設(shè)計(jì)，這種全自動智能化方法的效率也是非常驚人的。

這個效率的極限能到多少呢？這是大家非常關(guān)心的一個問題，我們針對效率極限進(jìn)一步開展了大規(guī)模案例研究。

大家看下左上角這些圖，這是一個典型的高能量密度單目標(biāo)的優(yōu)化設(shè)計(jì)問題，我們發(fā)現(xiàn)，開展10次平行的高能量密度的設(shè)計(jì)，平均完成一次設(shè)計(jì)大約需要2個小時，這是在某個特定的算法下。如果在更快的算法下，處理同一個

問題可以把2小時進(jìn)一步壓縮到7分鐘。有的設(shè)計(jì)工程師可能認(rèn)為這個設(shè)計(jì)問題很簡單，只有1個輸入或者2個輸入或者3個輸入，我們也在研究右上角這張圖，當(dāng)輸入增加，有一天達(dá)到40個輸入，把配方、微觀結(jié)構(gòu)、工藝、宏觀結(jié)構(gòu)都拿進(jìn)來的時候，這樣一個智能化、自動化的設(shè)計(jì)過程它的效率是不是依然還OK？

我們發(fā)現(xiàn)，隨著設(shè)計(jì)變量的增多，一個好消息是，整個全自動智能化電池設(shè)計(jì)方法的耗時沒有發(fā)生隨著設(shè)計(jì)變量的增多而產(chǎn)生指數(shù)的、災(zāi)難的增長，它是一個規(guī)律的線性增長。初步發(fā)現(xiàn)告訴我們，把全自動智能化的設(shè)計(jì)方法移植到具有復(fù)雜的、數(shù)十個可設(shè)計(jì)變量的真實(shí)產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中是可能的。

進(jìn)一步來看，如何能夠設(shè)計(jì)出這種效率最高的全自動智能化的設(shè)計(jì)方法呢？我們要做一個基本公式，比如花6000秒完成了一個整體的設(shè)計(jì)過程，要把這6000秒花在什么問題上解析出來，下面這張圖就是做這個事情。

我們把算法的耗時環(huán)節(jié)分解出來了，其中包括很多因素，比如上面構(gòu)效關(guān)系的單次計(jì)算過程依然保留著。單次，完成一次構(gòu)效關(guān)系模型的這種機(jī)理模型的計(jì)算需要多久？完成這種進(jìn)化式的算法大概需要算多少次上面的映射關(guān)系？我們稱之為所需的仿真數(shù)量，到達(dá)算法收斂前這個代際進(jìn)化要進(jìn)化多少輪呢？我們有沒有比較好的軟硬件的配置，可以使得整個算法是可以并行的呢？

這是四個基礎(chǔ)的算法耗時環(huán)節(jié)的分解，通過這一分解過程我們會定義到耗時最長的這個部分，有針對性的進(jìn)一步把全自動智能化電池設(shè)計(jì)方法的效率提高到一個極限。一個基本的判斷是，我們可以將實(shí)驗(yàn)試錯法，目前通行的數(shù)月到數(shù)年的單型號設(shè)計(jì)周期壓縮到數(shù)小時、數(shù)天或者數(shù)十天，電池產(chǎn)品研發(fā)的速度將有1-2個數(shù)量級的提升。

到此為止，我們可以把三代電池設(shè)計(jì)技術(shù)的一些核心指標(biāo)進(jìn)行對比了，第一代實(shí)驗(yàn)試錯法，第二代仿真驅(qū)動的正向設(shè)計(jì)方法，和第三代全自動智能化的電池產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法。首先它們的周期不一樣，開發(fā)成本逐漸降低，在技術(shù)創(chuàng)新上，越向后研發(fā)工作人員越可以把更多的時間用在創(chuàng)新性的內(nèi)容上。工作中的重復(fù)迭代部分被壓縮到了最小，另外我們還會看到，通過第二代、第三代電池設(shè)計(jì)方法的引入，可以為企業(yè)保留下來越來越豐富的知識庫，這一知識庫對提升團(tuán)隊(duì)的技術(shù)水平，包括快速的切入到新器件的先行研發(fā)非常有效。

（后續(xù)部分為清華大學(xué)電車設(shè)計(jì)研發(fā)工作在電池產(chǎn)業(yè)內(nèi)部的應(yīng)用情況，暫略）

本文轉(zhuǎn)載自：電動汽車百人會
整理：電動汽車百人會（根據(jù)嘉賓發(fā)言速記）