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双电池设计推动电动汽车发展

考虑到能量效率、能量密度和环境问题，IAV将具有互补特性的钠离子电池和固态磷酸铁锂电池技术相结合，构建了一种双电池系统，并使用多物理场仿真进行了验证和优化，为汽车制造商和电池设计人员开创了新的可能性。

作者 Joseph Carew
2025 年 4 月

在不牺牲电池能量密度的同时尽可能地减少生产传统电池所需的稀有原材料的使用，是实现全球电气化的主要目标。锂离子电池为当今大多数电动汽车¹ 提供动力，但也伴随着高成本以及可持续性和环境问题。电池行业的工程师和开发人员正在研究新的化学原材料和设计，以寻求能够解决这些问题并降低成本，并满足大多数锂离子应用的需求。

在面向未来出行的各种产品组合中，电池开发起着关键作用。作为全球最大的工程公司之一，IAV 公司的技术顾问 Jakob Hilgert 及其工程师团队认为，如果采用合适的方法，可以实现更好的电池设计。该团队基于对现有单一化学成分电池设计的成功之处，以及每种设计各自的局限性的充分理解，提出了一种能够解决电池能量密度、可持续性和热管理问题的新方法：双电池设计。

IAV 工程师认为，与其仅仅依赖锂离子电池，不如将两种电池的化学成分相结合，形成一种成本更低、更环保的系统，以满足电动汽车不同应用的需求。基于上述想法，IAV 使用多物理场仿真成功设计并验证了其双电池解决方案。

规避锂离子电池的固有痛点

虽然锂离子电池（图1）因其高能量密度而被广泛使用²，但是其制造过程会对环境产生不利。露天开采锂矿会破坏植被，造成土壤污染并释放粉尘，增加动物和人类患病的风险³。生产这类电池的成本也很高¹，而且依赖于一种相对稀有的材料。IAV 工程师在选择开发双电池技术时，希望能规避这些问题。

“我们需要为更注重回收利用和资源的电池做好准备。” Hilgert 表示，“我们不能总是把理论上可能实现的最高能量密度电池作为解决方案。”

作为替代，IAV 团队选择将钠离子电池 （SIB） 和磷酸铁锂固态电池 （LFP-SSB)）搭配使用，因为这两种化学物质具有独特的互补特性。相较于传统锂离子电池，钠离子电池通常成本更低、来源更可持续，并且更易于回收利用⁴，但其能量密度相对较低、循环寿命较短。传统的磷酸铁锂电池以其稳定性和较长的循环寿命而著称，但其能量密度同样比常用锂离子的低。最后，相较于传统锂离子电池的化学成分，固态电池具有更高的能量密度。通过将钠离子电池与磷酸铁锂固态电池相结合所获得的设计，理论上可以改善对环境的影响（图 2），且制造成本更低，具有相对较高的能量密度，可满足为电动汽车供电等高需求应用。

“车用电池的开发进展迅速。与此同时，对稀缺原材料的需求也在不断上升，” Hilgert 介绍说，“电池化学成分多样化是应对市场波动，同时最大限度降低系统成本的一种可行方法。”

创建热兼容性

IAV 的双电池设计，在一定程度上也是为了测试钠离子电池和磷酸铁锂固态电池之间的热兼容性。该团队的设想是，将钠离子电池的废热导入磷酸铁锂固态电池中，会迅速激活后者的固态电池组，并使其温度快速升至更高的范围。在此温度范围内，磷酸铁锂固态电池将发挥最佳性能⁵，同时保持钠离子电池不会超过其最高工作温度，进而提高系统的整体能效。

“如果我们有一些在高温下性能更好的电池和一些可以在低温下工作的电池，那么利用工作温度较高的电池排出的热量来加热工作温度较低的电池是有益的，反之亦然。” Hilgert 解释说，“这就是我们提出冷却系统的原因，它能将能量从期望处于较低温度状态的电池转移到期望处于较高温度状态的电池。”

液态电解质电池的热稳定性有限，因此需要冷却（钠离子电池和锂离子电池均如此），并需要避免温度超过约 60 ^° C。由于采用固态电解质，固态电池可以在较高的温度下工作，并需要更高的温度才能达到可用的离子传导性。因此，在该设计概念中，钠离子电池需要冷却，而磷酸铁锂固态电池需要加热，两种电池都能从相互热交换中受益。IAV 的工程师深知这种相互作用是一项尤为重要的优化挑战，并认为建模和仿真对于降低问题的复杂性至关重要。为此，团队选择了 COMSOL Multiphysics^® 仿真软件。

设计电池系统

IAV 于十多年前首次开始使用 COMSOL Multiphysics^® 来优化其设计工作流程。

“我们过去采用了大量不同的专业技术来处理不同的专业课题，” Hilgert 说，“当我们开始设计电池时就想到说，我们需要一种技术能够处理所有这些课题。”

COMSOL 软件平台的综合工作空间帮助 IAV 筛选对客户重要的模型，并帮助他们优化设计。借助双电池模型，IAV 工程师可以调整不同的参数（例如，这些参数是否会影响特定电路的冷却或电池在特定温度下产生的最大功率）并改变设计，以确保任何实际方案都尽可能有效。“如果你掌握了这些知识，就不必对所有这些参数进行猜测，设计原型的技术成熟度就会高很多。” Hilgert 补充说。

由于电池仿真具有多物理场特性，COMSOL^® 软件的功能非常适合开发双电池系统（图 3）: 设计可运行的电池需要适当的热管理；了解不同电池的材料在其模组中的性能；掌握电池内部过程中的不同压力情况；以及深入理解整体的电化学。此外，还需要了解充电和放电过程中的膨胀或收缩如何影响这些系统的力学性能。

“基于模型的高度集成的开发流程可用于研究不同电池的化学成分、设计和冷却概念的可能性，” Hilgert 介绍说，“它减少了对物理原型的需求，并可根据汽车应用的典型要求进行性能优化。”

加热、冷却和设计优化

IAV 的工程师利用多尺度和多域耦合仿真验证了双电池概念的性能（图 4）。团队发现，这种设计在概念开发过程中达到了预期效果，为更好的电池设计铺平了道路。仿真模型显示，固态电池按需激活的速度非常快，其中部分预启动过程由钠离子电池的废热完成。团队优化了两种电池的热管理，缩短了在寒冷条件下激活固态电池所需的时间和能量输入。

“仿真结果表明，我们的想法是可行的。” Hilgert 介绍，“废热实际上可以通过冷却系统输送，而且热量足以加热电池的其他部分。”

在多物理场模型中，IAV 能够运行不同的应用场景，比较不同环境条件或不同参数选择下的不同灵敏度水平，并成功地将三维电池温度分布、伪二维（P2D）电化学和一维冷却回路动力学集成到一个全面的动力总成模型中。

通过仿真 App 普及双电池模式

IAV 的仿真专家为客户开发出底层原理可见的模型后，通常会使用 COMSOL Multiphysics 中的 App 开发器将模型的功能进一步封装成仿真 App，即一个具有指定输入和输出、自定义配置的用户界面。客户可以在其组织内部将此 App 分发给不同领域的同事，使这些同事能够在各自的环境中运行仿真并评估计算结果。App 用户不需要深入理解底层的复杂模型，相反，仿真 App 被设计为易于使用且不易损坏，因此成为 IAV 众多客户的理想选择，正如 Hilgert 所说，“客户希望将这些仿真任务分配给通常不做仿真的人。”

“我们可以从最基本的功能开始，将仿真 App 分发给每个人，这样就没人会在使用上遇到问题。之后，如果应用需求变得更加详细，我们可以随时对仿真 App 进行扩展，添加更多的物理场、更多的选项和按钮。” Hilgert 分享道。

IAV 工程师使用 COMSOL Compiler™ 将这些仿真 App 转化为独立的可执行文件，并发送给客户，客户无需 COMSOL 许可证即可运行这些文件（图 5）。如此一来，在分布式开发环境中运行仿真将变得更加容易。在双电池设计中，冷却系统工程师无需 COMSOL 许可证即可运行并行优化计算。简化对仿真结果的访问提高了开发流程的效率，并大大提高了 IAV 内部和客户对基于模型开发产品的接受程度。

“将 COMSOL Compiler 作为分发选项对我们的工作大有裨益。” Hilgert 坦言，“我们只需编译一些仿真 App，使用自己的模型进行一些仿真或分析测试，然后让其他人完成他们的工作即可，而无需等待许可证。”

COMSOL 软件具有应用程序接口（API），因此通过 Java 代码可对 IAV 构建的仿真 App 进行远程控制。通过这种远程控制，用户可以自动运行重复的仿真步骤。团队还实现了功能模拟单元（FMU）接口，即将其与第三方软件中的车辆模拟环境耦合，进行协同仿真。

双电池仿真 App 的用户可将获得的电压、充电状态 (SOC)、温度和功率耗散作为电池管理系统和冷却系统的输入。设计工程师可以通过这些 App 查看内部电池状态，并在评估不同的电池性能时对冷却系统进行调整。

在组织内部使用仿真 App

IAV 内部使用的仿真 App 通常为使用 COMSOL Multiphysics^® 和外部工具链进行协同仿真而设计，并通过公司的虚拟测试台接口进行访问。图 6 显示了一个用于协同仿真的电池模块仿真 App 示例，可为用户提供有关电流、电压、温度等模型内部状态的基本反馈。App 的结果将作为实时数据流提供给协同仿真框架中的其他程序，并在这些程序中对结果进行详细评估。

赢得更优电池设计之战

IAV 希望他们的双电池设计理念能向电池行业的其他企业展示，即使需求相互矛盾，也能找到解决方案。

“双电池方法为汽车制造商或电池设计师提供了更多解决问题的选择，这也表明，有一种方法可以将原理迥异的未来技术整合到现有框架中。” Hilgert 总结说。

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