虚拟验证先行丨集成多学科方法，让电池生产快人一步

面对全球变暖和气候变化，已有超过140个国家立下目标，旨在于2050年前降低二氧化碳排放量。鉴于汽车尾气排放是导致大气中二氧化碳含量增加的主要因素之一，各国正逐步转向更加环保的道路交通运输方式。电动汽车销量的攀升意味着电池制造商必须扩大产能；然而，满足这一需求增长远非汽车行业所面临的唯一挑战。

电池对于电动汽车的可行性至关重要，但其背后也伴随着一些重大的环境问题：从稀土元素的开采所带来的生态破坏，到生产和处理过程中消耗的大量能源。因此，我们需要开发出性能更强、寿命更长且更为轻便的电池。与此同时，电池的制造过程也需要变得更加高效和可持续。这对于电池生产设备制造商而言，究竟是一项挑战还是一次机遇呢？

电池生产涉及多个学科领域的复杂工艺，涵盖机械工程、自动化、电化学和材料科学，这些领域相互紧密关联。任何一个领域的细微变化都可能对设计、工程或生产的其他环节产生重大且难以预测的影响。因此，这些变化需要得到有效监控和管理。此外，随着需求的增长和市场的拓展，适应性、定制化及跨领域协作也将变得愈发关键。

显而易见的是，基于文档的工程设计以及信息孤岛将使挑战更加严峻。鉴于设备开发的规模与复杂性，我们需要一种新的方法，来支持与所有利益相关方的持续沟通，以确保信息的准确性和一致性。

理想情况下，应建立一个系统网络，将各个领域串联起来，从而使设备制造商能够全面管理产品开发的每一个环节——从最初的构想到详细设计，再到验证、制造及后期的产品支持。在设计阶段，团队成员可以从一系列现成的组件模型和仿真中进行选择。通过多轮的概念迭代，团队可以定义需求和产品架构，研究子系统交互，评估整体性能，并确定可行的解决方案。

当电池生产设备制造商采用集成的多学科方法时，这一切都将成为可能。通过在开发周期的早期阶段捕捉功能需求并验证可行性，机械设计与设备的控制逻辑可以同步推进，从而避免因问题发现较迟而导致的延误。这样一来，不仅提高了机器的安全性，优化了能源性能，还降低了电池的缺陷率。

当整个开发过程实现虚拟化时，其带来的益处显而易见。

工程决策速度提升40%，对流体和混合行为的深入理解可使混合时间减少54%，控制策略开发时间缩短75%。

然而，由于子系统间存在不可预测的交互，构建一个多领域的自动化系统即使对软件专家而言也是一项巨大挑战；而且，许多生产设备供应商是中小型企业，内部专业知识有限。一种解决方案是采用一项经过验证的技术：即一套提供内部仿真工具的软硬件产品组合，并全部整合在一个产品生命周期管理（PLM）系统中。

西门子Xelerator业务平台集成了软件、硬件和服务，广泛应用于各行各业的虚拟产品开发。新兴的电池制造领域也开始认识到Simcenter™仿真软件的潜在价值。

Simcenter是一套可扩展且协同的多物理场工具，采用简便易用的设计。通过与Teamcenter®软件及PLM系统的集成，Simcenter支持基于模型的动态性能工程，可以实现全面数字孪生的虚拟开发，这一过程涵盖了从概念设计到认证的完整产品3D建模。在整个产品生命周期中保持一致且精准的验证和确认，可以进一步优化机器的性能、安全性和能效。

数字孪生存在于一个单一的集成环境中，在此环境中，所有的验证过程——从仿真建模到物理测试——都是需求驱动的，按正确的顺序进行规划和执行，与必要的资源相连，并具备完全的可追溯性。借助这种清晰的概览，制造商可以采取模块化的方法，提升零部件和流程的重复利用。

通过使用数字孪生，电池生产设备制造商和系统集成商能够在更早的阶段解决系统挑战并优化机器性能。例如，控制系统开发可以与机器子系统的开发同步进行，从而确定最大的工作区间，并避免如设备尺寸不当等潜在错误。

在实体构建之前就执行虚拟验证和测试，可以在调试前优化机器性能，无需再重新构建物理组件。Simcenter产品组合测试解决方案的应用已将测试和数据后处理的时间减少了30%。

通过结合三维计算流体动力学（CFD）与系统仿真，制造商能够改进电极和电池单元生产的各个环节。在电极制造过程中，混合、涂布和干燥工艺均得以优化。

通过分子和三维CFD仿真可以微调自动程序及操作参数，从而改善混合效果和成品的均匀性。仿真技术可以确定正确的涂层厚度，确保覆盖均匀并最大限度地减少材料浪费。该技术还有助于选择最合适的驱动器尺寸，并设定适当的张力和涂布速度。

在辊压和干燥过程中，仿真技术确保了涂层与基材之间的适当压实和粘附，同时可以对压实现象进行分析。系统仿真还使得设计和确定控制滚轮的执行器尺寸成为可能。通过分子建模可以计算出在最佳孔隙度条件下溶剂的蒸发速率。

使用Simcenter™ Amesim™软件中的工具和库，可以创建电池堆叠转换机制的详细模型。利用这一模型，可以优化控制和吞吐机制，避免材料的损坏或浪费。

为实现快速高效的电解液填充，可以通过仿真分析喷嘴内部流动和阀门控制，实现平滑流动、充分湿润多孔电极且不产生气泡。

对于负责部署生产线的超级工厂所有者和集成商而言，通过真实的振动测试验证电池簇对于评估耐用性和寿命至关重要。Simcenter测试解决方案使工程师能够根据客户的使用情况进行测试，并模拟车辆在其整个生命周期中可能遇到的各种环境条件，如道路冲击、地形影响以及由电池引起的振动。这一工具还可以帮助工程师找到平衡点，既避免因测试不足而面临机械故障的风险，又防止过度测试导致不必要的成本增加。

依靠电池供电的电动汽车在交通行业的脱碳进程中发挥着至关重要的作用，并为那些能在质量、交付时间和成本效益方面超越客户期望的电池生产设备制造商提供了前所未有的市场机会。整合全部生产工艺流程并实施自动化、模型驱动的安全与可靠性分析，有助于实现持续改进。而那些采用协作系统共同创建数字孪生的公司已成功将产品上市时间减少50%，调试阶段缩短25%。