如何利用仿真提高电动汽车电池工艺制造效率

通过多物理场仿真简化电动汽车电池生产，可以降低成本并提高销售额。

根据国际能源署（IEA）的报告指出，到2030年，全球电动汽车（EV）的数量预计将增长8倍。然而，在美国，经销商手里的电动汽车库存比去年增加了506%。这意味着电动汽车的上市时间平均比汽油车长18天。

其中的原因有很多，除了续航里程的考虑因素外，影响采用率的最大因素是价格。那么，是什么原因导致电动汽车的价格让大多数消费者望而却步呢？

Ansys客户卓越部亚太地区副总裁Padmesh Mandloi表示：“如果看一下当今电动汽车的价格，我们就会发现，目前，电动汽车总成本的30%到40%来自于电池。此外，如果电池在较长的行驶里程后无法工作或需要更换电池，成本负担也将转嫁到消费者身上。这对市场产生了寒蝉效应，尤其是在美国，其电动汽车生产似乎遭遇了挫折。”

利用仿真优化电池生产流程

不过，好消息是，全球领先的金融机构高盛集团（Goldman Sachs）认为，随着供应赶超，整体需求降温，镍和锂等电动汽车电池常用原材料的熊市即将来临。因此，明年，电动汽车价格很可能会开始下降。

从现在到2025年，电池价格预计下跌40%，而其中还有另一个原因。为进一步降低成本，制造商正在通过简化封装来降低复杂性。他们也在选择更优的材料（例如硅），这种材料能同时缩短充电时间并提高能量密度，从而在相同重量下提供更多能量。

但是，如果采用更传统的工艺方法来实现这些想法，会限制效率和可持续性。如果没有实质性的改变，他们很可能仍会在优化生产流程、识别节省成本的机会和有效解决可持续性问题方面困难重重。

由于缺乏明确的方法来改进流程，制造商发现自己陷入了漫长的构建-实验-废弃-重复周期。而仿真可提供所需的洞察，来解决工艺流程和生产线开发各个阶段的问题，从而减少这些成本高昂的试错实验并延长正常运行时间。如果没有仿真提供的数据洞察，想要解决这种复杂性几乎是不可能的。

在整个电动汽车电池市场中，电池制造商正在利用虚拟环境应对众多技术工程挑战。他们依靠仿真来满足客户规范、降低成本、保持质量、确保安全性和合规性，以及解决劳动力短缺问题、改进电池报废处理和回收，并已取得了积极成果。

Mandloi表示：“更多的电池制造商正在生产过程中利用基于物理的仿真和安全性分析来获得宝贵的洞察信息。Ansys的仿真工具和求解器使他们能够优化电池设计，并在工厂车间确定合适的设备和工作流程，从而提高流程中的可扩展性、质量和可持续性。”

Ansys的客户——英国电池工业化中心（UKBIC），是一家国家级电池工艺制造规模化设施，其依托仿真，为不断发展的电池行业提供技术。该设施在使用Ansys多物理场软件开发电池技术和技能方面发挥着关键作用，以助力英国实现电气化目标。 

UKBIC数字负责人Timothy Addison博士表示：“在UKBIC，我们支持客户应对快速上涨的成本和激烈的行业竞争，将电池技术成功推向市场。高效利用资源以及对预测性建模与仿真的高度重视，对于实现商业成功至关重要。我们不能靠运气进行大规模工艺制造；相反，我们使用Ansys解决方案来改进产品设计和流程设置，确保在每次工艺制造开始之前就做好准备。”

Ansys广泛而深入的物理功能涵盖了电池生产流程的诸多方面（如上图所示）。例如，在涂布过程中，使用Ansys Fluent流体仿真软件进行精确的多相仿真，可以在准备物理原型之前对涂布机的许多条件和几何结构进行虚拟测试。

涂布完成后，电池需要经过一个被称为压延（如上图所示）的压实过程，这对锂离子电池的孔隙结构和性能有显著影响。通过使用Ansys Rocky颗粒动力学仿真软件，可以在压延过程中查看微观结构级别的情况，并且，与用于结构工程的Ansys Mechanical有限元分析（FEA）软件和Ansys LS-DYNA多物理场软件结合使用时，还可以识别在此过程中压缩导致的残余应变，尤其是存在缺陷时。

Ansys首席应用工程师Akira Fujii表示：“电池工艺制造是非常动态的过程，与此同时，客户方面的工程目标强调了流程和设备优化的必要性，以保持一致的质量或实现质量改进，同时满足特定标准。例如，如果薄膜涂布工艺在厚度上缺乏均匀性，或者材料厚度的变化会影响几何结构，我们可以在仿真环境中对这些情况进行快速评估和解决。”

利用Ansys技术实现更高的效率

我们已经探讨了仿真驱动的全面数字工程战略对于电动汽车电池工艺制造的优势。工程师每天都在结合使用Ansys仿真来获得宝贵的洞察信息，优化电池设计，并确定合适的设备和工作流程，从而实现可扩展性、高质量和可持续性。

千万不要错过电动汽车电池开发网络研讨会系列，以进一步了解面向电池工艺和生产流程的Ansys软件解决方案。