西门子：电芯设计白皮书利用数字孪生来提高车辆续航里程充电速度可持续性和安全性（8页）.pdf

1、 INDUSTRIES SOFTWARE电芯设计利用数字孪生来提高车辆续航里程、充电速度、可持续性和安全性内容摘要先进的电芯是提高车辆续航里程、充电速度、安全性和性能的关键所在。数字孪生技 术正在革新电池设计，解决了一系列挑战，例如优化能量密度以延长续航里程、执行 有效的热管理以提高效率、在不降低电池性能的情况下进行快速充电、使用回收利用 来确保可持续的电池生命周期，以及平衡成本效益与安全标准。这些进步有力推动了 电动汽车(EV)的持续增长和采用。本白皮书介绍了如何利用数字孪生技术的力量来优化电芯设计。使用 Siemens Digital Industries Software 的工具和方法可

2、实现整体设计和工程方法，对电池的性能、效率和热特性进行精确预测。在可持续、高效和高性能解决方案需求的推动下，汽 车行业正在迅速加快向电动汽车转型。电芯是这场革 命的核心，但也带来了许多复杂的挑战：能量密度：电池设计的一大挑战是提高能量密度，因为这直接影响到电动汽车的续航里程。更高的能 量密度使单次充电可行驶更远的距离，但通常需要 权衡安全性和电池寿命 热管理：电池在运行过程中会产生大量热量。如果 没有适当的热调节，就会导致效率降低、加速老化 和热失控等安全风险。确保电池在最佳温度范围内 运行是保持性能和使用寿命的重要前提 快速充电：快速充电能力对于满足消费者需求、提 高电动汽车的便利性和实用性

3、至关重要。然而，快 速充电会产生巨大的热应力，加速电池老化。设计 师面临着既要实现快速充电，又要保护电池健康和 安全的挑战 环境影响：电池生命周期的可持续性（尤其是在回 收和处置方面）变得越来越重要。设计电池时考虑 到报废问题，可有效回收和再利用材料，从而减少 对环境的影响 安全性：在成本效益与高安全标准之间取得平衡仍 具有挑战性，需要创新的设计和制造技术，以生产 出价格合理、性能可靠的电池本白皮书介绍了如何使用多尺度建模工具来研究电芯 行为。它展示了计算流体力学(CFD)仿真如何能够评 估电芯中的流体流动、热传导和电化学过程，以及如 何优化各种参数，例如电极材料、几何体和冷却系统。序言图 1

4、.电芯解剖图。（信息来源：MIT Technology）Siemens Digital Industries Software2白皮书 电芯设计电芯的数字孪生是反映真实电芯的行为、特性和性能 的虚拟表示。它在开发早期就提供了对性能、寿命 和效率的详细见解。借助数字孪生技术，工程师能 够对电芯设计进行建模和仿真，探索材料、配置和 场景，而无需昂贵且耗时的物理样机，从而革新电池 设计。这种虚拟优化有助于快速确定理想的解决方 案，从而节省时间和资源。Simcenter 软件是 Siemens Xcelerator 软件、硬件 和服务业务平台的一部分，为推进电芯技术的发 展提供了一个强大的框架。集成的

5、数字孪生可对各 种条件下的电池性能进行详细仿真，从而在整个设 计过程中为决策提供帮助。它使工程师能够评估不 同设计方案对性能、安全性和成本的影响，从而减少 对物理样机和测试的需求。此外，数字孪生还能在整个开发和运行阶段对电池性 能进行持续监控。这支持预测性维护，及时解决潜在 问题以避免导致故障。持续跟踪还有助于不断改进性 能，确保电池在整个生命周期内保持高效和可靠。电池系统涉及组件和过程之间复杂的相互作用。数 字孪生可以捕捉到这种复杂性，提供不同元素如何 相互作用的整体视图。这确保了电池系统的各个方 面都针对性能、安全性和成本效益进行了优化。此 外，数字孪生还支持可持续的电池生命周期管理，使用

6、户能够对回收过程进行建模，并确定有效的材 料回收和再利用方法，从而促进开发更易于回收 且对环境影响较小的电池。利用数字孪生实现高水平设计集成式电芯设计方法Siemens Digital Industries Software3白皮书 电芯设计从 1D 到 3D 仿真的电芯设计Simcenter 数字孪生使用系统化方法，从 1D 仿真过渡 到 3D 仿真，支持电芯设计流程的准确性和效率。1.使用 Simcenter Battery Design Studio 进行 1D 仿真初 始 阶 段 采 用了 Simcenter Battery Design Studio 软件，这是一种用于快速、全面地进