面向电池模组建模与性能评估的几何与材料驱动开源框架

《JOURNAL OF POWER SOURCES》：Beyond the cell development: A geometry- and material-driven framework for battery module modeling and performance evaluation

　　

超越电芯开发：面向电池模组建模与性能评估的几何与材料驱动框架。研究人员提出了一个面向几何与材料驱动的电池模组设计开源框架；钠离子电池原型验证了自下而上的模组设计工作流；汽车模组拆解为方形（prismatic）与软包（pouch）模组模型提供了基准；有限体积（finite-volume）母排建模实现了模组级电阻估算；面向圆柱、方形与软包模组的计算机辅助设计（CAD）与物料清单（BOM）自动生成。

研究背景方面，实现气候中和是重大挑战，政策制定者设定了2050年净零目标，欧盟通过《欧洲气候法》将这一目标纳入立法，电池与可再生能源配合对实现该目标至关重要。电池需求激增，全球产能预计到2024年达到1 TWh，主要由电动汽车（EV）驱动，约占总量85%；电池还扩展到铁路系统和固定储能等领域，并出现钠离子电池等替代电芯化学体系。当前电池设计主要采用模组化布局，并出现电芯到电池包（cell-to-pack）和电芯到底盘（cell-to-chassis）等新趋势；电池包在电芯化学体系、封装形式和集成方式上差异显著。考虑设计差异对性能指标、热特性和制造的影响以及应用领域广泛性，可靠的电池系统原型设计工具至关重要。已有文献探索了多种设计方法，包括优化空间分配的仿真模型、针对圆柱电池聚焦封装热行为与制造成本的框架，其他设计工具或为商业软件（如Simcenter Battery Design Studio、Batemo Pack Designer），或功能受限（如基于Excel的BatPac仅能计算软包电芯）。然而，当前多数仿真框架不支持单个部件计算或三维表示，也未利用电学和材料数据。几何模型作为虚拟原型对样机阶段及后续分析（有限元分析、电磁兼容预测、应力分析、计算流体动力学热评估）至关重要。为此，研究人员提出了模组配置模型，帮助研究者高效原型化与比较各类电池模组并支持后续分析，该模型支持规格比较、可视化反馈以及设计与物料清单（BOM）导出，可用于生命周期分析（LCA）与成本估算。这一新的开源工具通过Git仓库访问，基于ISEA Cell and Pack Designer（ICPD）构建，增强制造商向电池供电产品转型及大规模比较分析能力，促进电池技术创新。为验证框架，研究人员对商用汽车软包模组和方形模组进行了详细拆解并比较其最重要属性，此外基于几何模型和框架数据组装了圆柱钠离子电池模组。

关键技术方法方面（不超过250字）：研究扩展了基于MATLAB、采用面向对象方法的ICPD框架，将每个电芯与模组部件封装为类，通过图形用户界面（GUI）或脚本调用构造函数创建对象，并以mat文件构成结构化文件夹树作为数据库。新增模组部件类并支持基于边界条件自动定尺寸与成形；采用有限体积离散与Kron约减（Schur补）将母排与电芯连接件表示为多端口导纳矩阵，结合基尔霍夫电流定律的节点分析计算模组电阻；提供STL、3MF、DXF格式导出接口以支持CAD集成与BOM输出。验证采用自下而上方式建模并制造4s4p圆柱钠离子模组（电芯为OSN-SIB-C26700XY-3.3Ah），以及自上而下方式对取自Stellantis车辆（CATL方形电芯）和Hyundai Ioniq 5（EVE Energy软包电芯）的老化汽车模组进行拆解参数化；有限体积电阻模型与Ansys三维稳态有限元参考模型进行部件级对比验证。

研究结果方面：（1）电池模组与部件建模：研究人员扩展ICPD框架，新增模组部件类，涵盖电池模组类（输入包括串并联数、机械配置、并联连接类型、最小导体间距、单面连接布尔量、热界面材料（TIM）厚度、模组创建模式与电芯粘接布尔量等），并给出机械配置约束公式；部件包括电池电芯（引入简化测量的CellDummy类）、母排（BusBar类，区分电芯连接件与常规母排）、模组集成件（胶粘与电芯支架）、母排载体、间隔件（压缩垫与阻燃垫）以及模组壳体（HousingModule类），并说明各部件功能、材料要求与建模输入。（2）电池模组创建：研究建立了基于电芯坐标的部件定尺寸方法，包括电芯布置与串矩阵（考虑旋转与行偏移）、胶粘尺寸、电芯支架缩放、压缩垫与阻燃垫定尺寸；随后建立互连结构定尺寸方法，分别针对方形、软包与圆柱电芯生成连接件与母排几何（圆柱电芯采用凸包与alpha形状平滑）；再将模组堆叠与壳体组合，通过FitPoleToPoleHeight与FitPolePositionToModuleStack模式调整极柱位置；最后给出电压、能量、功率与电阻计算，基于等效电路模型（ECM）与节点分析，结合有限体积导纳矩阵与Kron约减计算模组电阻。（3）实验拆解参数化验证：圆柱模组采用自下而上方式建模并制造，电芯经预测试，部件经3D打印与激光切割，组装后测试；结果显示除电阻偏差6%外，尺寸、重量与关键电参数偏差均低于1.9%，模组开路电压（OCV）的均方根误差（RMSE）为43.30 mV。方形模组取自Stellantis车辆（CATL电芯），拆解后对材料进行估算建模，除电阻外主要指标偏差低于2%，OCV的RMSE约57 mV，电阻偏差约4%。软包模组取自Hyundai Ioniq 5（EVE Energy电芯），除电阻外偏差低于3%，OCV的RMSE为191.15 mV，主要归因于电芯块间电压不均衡（超过500 mV）；测得电阻2.051 mΩ异常低，可能归因于 intact 模组中施加于电芯的压力（预紧力）。有限体积电阻模型经Ansys参考模型验证，约减导纳矩阵电导加权平均偏差为6-15%，模组电流分布中每电芯电流复现偏差在0.04%以内。

讨论与结论部分：研究提出了基于ICPD框架的新型综合电池模组建模框架，引入专门表示模组部件的类及基于边界条件自动定尺寸与成形的方法，并评估关键电学与物理指标；集成了基于有限体积法的模组电阻详细评估与计算，将母排与电芯连接件表示为多端口连接，通过节点分析准确评估模组堆叠电阻，所得导纳矩阵可支持后续电流分布分析。建模方法通过圆柱模组自下而上建模以及软包与方形模组自上而下建模得到验证：圆柱原型模组由ICPD导出CAD文件制造关键部件，电学测试显示除生产公差导致的内部电阻外，偏差一般在3%以内，表明该方法具有加速原型的潜力；Stellantis方形模组测试精度良好，电阻偏差约4%，其他指标低于2%；软包模组因形状复杂性与压缩效应出现较大偏差，但主要测量仍低于3%。开源ICPD框架建立了稳健的电池模组建模系统，支持灵敏度分析、基于有限元分析（FEA）的电流、温度分布与压力仿真，以及BOM导出以用于详细成本与生命周期评估；未来研究将进一步增强框架能力。总体而言，成本与LCA分析的准确性取决于正确识别各模组部件的材料组成；为可靠比较OCV与电阻，模组中电芯应均衡，且其容量与电阻应在与模组值相似的条件下（如压力）测量。该工具将改进为允许为模组中每个电芯单独指定电阻与容量等参数，以替代此前的单一电芯模型；还将开发与基于ECM的热电仿真工具的接口，以充分利用ICPD，应用导纳矩阵进行电流仿真，并实现用于热仿真的详细几何与材料建模。