新一代电池设计模拟工具助力电动卡车产业升级

如今，两日达、次日达甚至当日达的包裹配送服务已变得司空见惯。尽管各类本地化的仓储与配送中心不断涌现以满足这一需求，配送卡车仍需要完成相当长距离的运输任务，且往往需要在高速公路上行驶。为降低燃油与维护成本并减少碳排放，许多企业正投资电动卡车来组建配送车队。尽管电动卡车是一种颇具前景的解决方案，但目前应用于这类汽车设计中的电池组，在使用寿命方面常常无法满足长途高速公路运输的需求。

为解决电池寿命这一问题，由多所高校与产业合作方组成的联合团队，将多尺度仿真技术与定制化仿真应用引入电池制造流程。参与该项目的机构包括Aurobay、Resolvent、欧盟委员会、丹麦技术大学（DTU）、瑞典创新系统局（Vinnova）、丹麦创新基金以及沃尔沃集团卡车运营部门。

这款仿真应用由丹麦工程咨询公司Resolvent开发，该公司专注于绿色能源领域。借助这一工具，沃尔沃的研发部门能够轻松测试电池的寿命表现。

激光焊接究竟是什么

这项名为“电池包优化制造激光焊接多尺度仿真”的项目——简称“LaserBATMAN”——于2022年5月启动，2025年5月完成。尽管这里的BATMAN指的是电池制造（Battery Manufacturing），而非那位著名的蒙面超级英雄，但该项目的目标同样志在不凡。

LaserBATMAN项目旨在优化电池包的两个关键性能指标：稳健性与使用寿命。电池制造过程中影响这两项指标的一个重要环节，便是用于部件连接工艺的激光焊接技术（例如，通过汇流排将电池组内的电芯连接起来）。如果操作得当，激光焊接可以对电池寿命产生积极影响；但若操作不当，则会增加电池性能退化的风险。计算建模技术可用于分析和预测焊接与连接工艺在制造各阶段所产生的影响。

Resolvent公司前首席商务官兼合伙人马丁·雷夫斯隆·尼尔森解释说，对于这类多物理场、多尺度问题，“COMSOL Multiphysics正是恰当的工具”。

面向多尺度模型与应用的研发工作流程

Resolvent团队使用COMSOL Multiphysics软件，研究了激光焊接对电池电化学特性及电芯性能退化的影响。至少，这是项目最初的切入点。

“目标逐渐扩大了，”尼尔森表示，团队最终从电芯层级一直建模到电池包层级，模拟了整块电池的性能表现，并“最终将模型转化为一款设计工具”，他指的正是这款应用程序。

在完成电池模型的深度神经网络训练后，团队构建了一款定制仿真应用，用于高效优化电池包配置中的汇流排连接片设计。

团队首先通过输入相关化学反应动力学公式，构建了电芯的电化学模型（图2）。随后，这一电芯层级模型被输入数据，输出的数据再用于训练一个深度神经网络（DNN）。借助这一降阶模型，团队能够快速洞察电芯的行为特性。

在完成电池模型DNN的训练后，团队构建了一款定制仿真应用，用于高效优化电池包配置中的汇流排连接片设计。

图2：Resolvent的电池模型。COMSOL

汇流排焊接设计中的“工具中的工具”

据尼尔森介绍，这款仿真应用具备多种功能，用户可以输入电池包几何结构的尺寸（图3）、电芯数量，以及环境温度、充放电电流曲线等运行条件。该应用还支持简单充电电流的输入以及自定义循环工况的加载。用户随后便可查看电池在每组特定输入条件下的性能表现。

图3：Resolvent开发的电池包模型。COMSOL

Resolvent应用中另一个重要特性是“汇流排焊接设计工具”按钮，尼尔森将其称为“工具中的工具”。该按钮可用于高效计算汇流排焊接在多次循环后的性能表现。点击该按钮后，会弹出一个窗口，用户可在其中设置不同参数，包括焊缝形状、汇流排厚度以及激光穿透深度（图4）。

尼尔森表示：“从稳健设计的角度来看，这个按钮非常有意义。”用户可以对输入参数施加变化，查看如果焊接未能充分穿透汇流排，在实际生产中会出现什么情况。

图4：Resolvent的仿真应用，展示了某些参数如何实现自定义调整。该模型展示了冷却气流对汇流排焊接的影响。COMSOL

“我们确实能够获得深入的技术洞察，并将设计精确定位在最佳区间。深入的技术洞察也是优化产品性能的关键，”尼尔森说。例如，如果结果表明可以改善冷却效果，团队或许能够将设计中的电池数量减少两个，同时保持相同的性能表现，从而轻松量化冷却效果与结构配置之间的权衡关系。

预测电池包性能表现

该应用的用户界面还包含一个“计算电池”按钮，用于查看特定状态下焊接点的温度、电池的电荷状态，以及固体电解质界面（SEI）层的厚度（图5）。这些结果有助于工程团队进一步判断设计是否仍有优化空间。例如，用户可以在应用中施加冷却气流，查看是否出现紊流或滞留空气的情况。

正如尼尔森所解释的，仿真应用能够提供更为一致的分析与报告结果，而定制应用的直观性也让知识共享变得更加容易。“我们现在处于一个更有利的位置，能够优化性能并提升系统的稳健性，”尼尔森说。

图5：电池包中特定状态下的温度分布（左）、电荷状态（中）以及SEI层厚度（右）。COMSOL

LaserBATMAN联合团队开发的这款定制仿真应用，有助于打造更为稳健的电池设计方案，使电池能够支持更长距离的高速公路运输，同时减少故障发生率——与此同时，还能推动绿色能源的广泛应用。这确实是一个意义非凡的项目。

Q&A

Q1：LaserBATMAN项目的目标是什么？

A：该项目旨在优化电池包的两个关键性能指标，即稳健性与使用寿命，重点研究激光焊接工艺对电池电化学特性及性能退化的影响，从而为电动卡车打造更耐用、性能更佳的电池。

Q2：Resolvent开发的仿真应用具体能做什么？

A：该应用可以输入电池包几何结构、电芯数量及运行条件等参数，模拟电池性能表现，还包含“汇流排焊接设计工具”，可计算焊接在多次循环后的性能，帮助工程师优化设计并提升稳健性。

Q3：这项技术对电动卡车行业有什么实际意义？

A：通过多尺度仿真技术优化电池制造流程，可以打造出更耐用、支持长距离高速公路运输的电池组，减少故障发生率，同时推动绿色能源在物流运输领域的应用。