◎ 李哲，清華大學車輛與運載學院教授，汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室副主任

【導語】：

2022年3月25-27日，中國電動汽車百人會論壇（2022）在京召開。大會以“迎接新能源汽車市場化發(fā)展新階段”為主題，深入探討了我國新能源汽車由政策與市場雙驅(qū)動轉(zhuǎn)向以市場驅(qū)動為主的新階段所面臨的機遇與挑戰(zhàn)。在27日召開的動力電池論壇上，清華大學車輛與運載學院教授、汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室副主任李哲就“動力電池的先進設計技術(shù)以及在這一先進設計技術(shù)推動下的動力電池產(chǎn)業(yè)研發(fā)模式變革”發(fā)表主題演講。

動力電池的產(chǎn)品設計要完成什么樣的任務

第一部分我們講一下，動力電池的產(chǎn)品設計要完成什么樣的任務。

電池性能的成因比較復雜，我們認為它滿足以下的乘法公式，是材料發(fā)展水平、電池設計水平和制造水平的乘積。

電池性能是否唯一和材料性能劃等號呢？過去的150年，從鉛酸電池發(fā)展到鋰離子電池，電池的關(guān)鍵性能、能量密度大約提高了5-10倍。2000年以后，在單顆粒實驗這些典型的電池實驗技術(shù)推動下，人們有了新的發(fā)現(xiàn)。

Dokko教授在單個顆粒實驗上進行的充放電實驗中發(fā)現(xiàn)，單個鈷酸鋰顆粒在126C下充放時，容量的保持率依然大于80%。同樣是鈷酸鋰的正極材料，制成單體后它的大倍率放電能力大約要下降1-2個數(shù)量級。大家都有概念，單體的放電倍率對于高能量電池來說一般在幾C，甚至1C、2C。

有了好的設計以后，要想變成好的真實的電池產(chǎn)品性能，還必須有先進的電池制造設備和工藝保障。因此，這張圖（圖1.）反映了三者的關(guān)系。

電池材料的發(fā)展水平，克容量、高電壓材料的出現(xiàn)，是電池性能的理論上限。那么好的電池設計的目標，就像我們?nèi)ビ|摸天花板一樣，要通過好的設計，把熱力學上儲存在電池材料上的內(nèi)部能量，在到達截止電壓之前，“物盡其用”的發(fā)揮出來，這是動力學上的一個成功。一旦電池設計定型以后，電池的制造，通過工藝的調(diào)試、不斷發(fā)明的好的設備，就可以不折不扣的變成真實的產(chǎn)品。

* 圖1（圖片截自嘉賓發(fā)言PPT）

中間藍色部分的電池設計，它完成的一個主旨是，在既有材料的發(fā)展水平下，通過設計來改善電池的性能，這個性能是動力學上的性能。 

電池產(chǎn)品設計工作的一個典型任務大概如這張表（圖2.）所示。

* 圖2（圖片截自嘉賓發(fā)言PPT）

首先，在電池設計過程中有很多設計變量。比如材料配方的變量：選什么樣的主材、什么樣的助劑，它們之間有什么樣的配比關(guān)系。微觀結(jié)構(gòu)的一些變量，比如材料顆粒粒徑如何分布、電極的涂布厚度、孔隙率或者壓實密度，包括電池內(nèi)部大量存在的界面，如集流體界面、顆粒界面等等。更大一點尺度上，還有形狀尺寸的一些設計變量，還有構(gòu)型之爭一直是電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展中一個非常受人關(guān)注的話題。近年來還有很多新的電池構(gòu)型在不斷地涌現(xiàn)，在確定的形狀特點下，它的尺寸比例如何調(diào)整，極耳這樣一些關(guān)鍵部件的位置如何調(diào)整等等。

非常眾多的，大概數(shù)十個設計變量都是為了達到電池的性能需求。一般來說，我們對于電池至少有電性能的需求，如能量密度多少瓦時/千克；功率密度在不同的持續(xù)放電時間下能夠達到多大功率值。除此之外，還會有熱性能的要求，電池在工作過程中的最高溫度，最好控制在一定范圍內(nèi)。大型電池內(nèi)部會發(fā)育出溫差，這些溫差也需要得到很好的控制。除了電和熱的性能需求之外還有壽命的需求，我們希望它達到數(shù)千次、上萬次的循環(huán)壽命，還有安全性的需求等。

電池產(chǎn)品設計的一個典型任務，就是在給定的一套性能需求下來確定這一攬子的設計變量。

在電池產(chǎn)品設計過程中，設計方法一直隨著時代在不斷發(fā)展進步。目前我們回顧以前、展望未來，大概可以將電池產(chǎn)品的設計方法分為三代核心技術(shù)。它們分別是：長期以來，無論中國還是歐洲新興的動力電池產(chǎn)業(yè)中，都在大規(guī)模使用的實驗試錯方法，我們稱之為第一代技術(shù)；目前第一代實驗試錯方法正在向第二代技術(shù)（過渡），我們稱之為仿真驅(qū)動的正向設計技術(shù)；通過以仿真驅(qū)動的正向設計替代實驗試錯，單個型號、產(chǎn)品設計的效率大約提升2-5倍。未來5-10年，在2025-2030年這個階段將發(fā)生的一次關(guān)鍵技術(shù)進步，是以仿真驅(qū)動的正向設計方法為基礎，進一步向無人化（既包括全自動的含義、也包括智能化含義），智能化全自動的電池產(chǎn)品設計方法進步，我們稱之為電池產(chǎn)品設計的第三代技術(shù)。在第三代技術(shù)下，可以將單品開發(fā)的效率進一步提升10-100倍。

這就是電池產(chǎn)品設計的三代的核心技術(shù)，以及從第一到第二，目前正在發(fā)生的和未來5-10年即將發(fā)生的，從第二代到第三代的技術(shù)躍遷。

動力電池產(chǎn)品設計的過去與現(xiàn)在

01從實驗試錯到仿真驅(qū)動正向設計

電池設計的傳統(tǒng)技術(shù)，我們稱之為實驗試錯法。

什么叫試錯呢？假如我們是一家電池企業(yè)，收到了一家車企的訂單，根據(jù)車輛的比如續(xù)駛里程的要求、能量密度的要求、車底可以安置空間的要求、包括成本的要求，我們會設計出特定的電池型號，來完成這個訂單要求。大家知道，電池的可設計參數(shù)很多，每個參數(shù)都可能有不同的取值，這些取值的不同直接決定了電池的性能。比如偏高能量型的，可以支持600公里、700公里、1000公里的續(xù)駛里程；更偏功率型的，比如混合動力汽車上使用的一些動力電池。

在很多個設計參數(shù)，每個參數(shù)有多個不同的水平取值的情況下，可以產(chǎn)生的電池設計方案是非常眾多的，怎么辦呢？企業(yè)會根據(jù)在之前這個產(chǎn)品開發(fā)中的一些原型經(jīng)驗，給出一些不同設計方案，在每個方案下再制造一些平行樣品，把這些樣品制造出來，投入到測試中去，去測它的電學性能、熱學性能、壽命等等這樣的一些關(guān)鍵的指標。這個測試結(jié)束以后數(shù)據(jù)都回來了之后分析數(shù)據(jù)，就像賽馬一樣，可以明顯地看出哪種設計方案最好，就用這個設計方案來完成這個訂單需求，如果這個最好的設計方案依然不滿足要求，迭代，重新開始制樣、測試的過程。

事實上，實驗試錯法在電池產(chǎn)品研發(fā)中帶來了大量的浪費，我們稱之為四大主要浪費：時間的浪費，大家知道企業(yè)的CPD部門完成型號設計，短則幾個月，長的時候甚至需要2年、3年，時間非常長。第二、物料的浪費，很多公開的企業(yè)年報中，在電池產(chǎn)品研發(fā)過程中使用的物料數(shù)以億計。另外，制造了很多樣品開展測試，企業(yè)內(nèi)部都有一個非常大的測試中心，可能會有上萬個通道，充放電機、溫箱，這些都是“電老虎”，單機功率可能在數(shù)千瓦，所以在研發(fā)過程中還帶來了電能的浪費，除了物料的浪費還有能源的浪費。最后，最寶貴的也是最可惜的，是人力資源的浪費。中國電池企業(yè)研發(fā)隊伍的人才數(shù)量和質(zhì)量越來越高，很多工程師的時間投入到了這種重復的型號設計迭代過程中，制樣、測試、分析數(shù)據(jù)、改善，在這個循環(huán)中浪費了大量的精力。

鑒于這四大主要浪費，我們在清華的團隊致力于開發(fā)新的電池產(chǎn)品的研發(fā)方法。目前正在做的一件事情，是以仿真驅(qū)動的正向設計來部分替代在實驗試錯過程中的大量制樣測試過程，我們稱之為電池設計方法的第一次躍升。

與實驗試錯方法制樣測試的迭代不一樣，仿真正向設計是一個什么樣的思路呢，這四個字把它的主要思路說的很清楚，叫“未造先知”，叫Know Before Fabricate，沒大規(guī)模的制樣測試之前，能不能根據(jù)設計方案來預測出、猜測出它的性能表現(xiàn)呢？

一個典型的仿真正向設計的流程是下面這個圖的樣子。

* 圖片截自嘉賓發(fā)言PPT

左端，我們輸入一套設計參數(shù)，里面含很多個，可能是60個、70個或者更多的設計參數(shù)，包括配方的、微觀結(jié)構(gòu)的、宏觀結(jié)構(gòu)的等等。在右端的輸出，觀察電池的性能，有熱的性能、電的性能、壽命的性能等等。如果輸出的性能滿足要求，那么輸入的這套設計參數(shù)，可能就是最終設計方案；如果不滿足要求，就回到左端、輸入端，進一步輸入新的設計參數(shù)，觀看電池性能的提升。

這中間也有迭代，下面的箭頭調(diào)整設計參數(shù)，滿足特定性能需求。但它采用的是一種稱之為虛擬迭代的方法，來替代了實驗試錯法中制樣測試帶來的四大浪費的迭代過程。

從仿真正向設計的這個框圖中大家可以看到，左端輸入電池設計，右端得到電池性能，那么將這兩者關(guān)聯(lián)在一起的數(shù)量關(guān)系我們稱之為電池的模型?？梢杂糜谠O計的電池模型我們特定的將它稱之為電池的構(gòu)效關(guān)系模型，高精度的電池構(gòu)效關(guān)系模型是仿真驅(qū)動的電池正向設計方法的底層核心技術(shù)。

那么這是一個什么樣的電池構(gòu)效關(guān)系模型呢？

* 圖片截自嘉賓發(fā)言PPT

在這個構(gòu)效關(guān)系模型里，至少要涵蓋兩個核心尺度，第一是電極的尺度，電池的正極材料、負極材料，包括其中的導電劑、黏結(jié)劑等各種各樣的助劑，它們構(gòu)成的多孔電極是第一個關(guān)鍵尺度，它的特征尺寸是，從單個顆粒一直到整個電極單面涂層的厚度一般在百微米以下。

構(gòu)效關(guān)系模型的第二個尺度是單體尺度。它比電極尺度更大一點，有了好的正負極片以后，還要把它制成一個好的單體。單體尺度要解決一些特殊問題，比如要選擇什么樣的構(gòu)型，圓柱的、軟包的、方殼的、長刀的、短刀的，構(gòu)型上的創(chuàng)新。除了形狀之外還有尺寸，確定的方殼長寬厚的比例，極耳或者極柱、極臺的位置等等，都會進一步?jīng)Q定電池的性能。

要完成這種仿真驅(qū)動的電池正向設計，我們清華團隊一直在進行四大核心技術(shù)研究。

從化學能到電能的能量轉(zhuǎn)換器件有很多類型，比如目前在電動汽車領域大規(guī)模使用的動力電池，有液態(tài)電解質(zhì)的，還有固態(tài)電池，燃料電池，使用氫氣的燃料電池，器件的發(fā)展一直不會停止。但是在這種能量轉(zhuǎn)換器件的設計過程中，存在著貫通不同器件的我們稱之為平臺性技術(shù)要素。技術(shù)要素的研發(fā)是目前面向鋰離子電池，將來可能面對更多新型的能量轉(zhuǎn)換器件做產(chǎn)品開發(fā)的一個通用技術(shù)。

02

實現(xiàn)仿真正向設計的4大核心支撐技術(shù)

我們歸納能源器件設計的平臺型技術(shù)要素，采用這種仿真正向方法的，至少包括以下四點：第一，是電池正負極核心材料本征動力學參數(shù)的測定。第二，是多物理場耦合的機理模型的構(gòu)建。第三，是電極微觀結(jié)構(gòu)，微米尺寸的這種結(jié)構(gòu)，自動化的、大批量的生成技術(shù)。第四部分，是數(shù)值計算的求解器的開發(fā)。以下我們一樣一樣來看。

第一個技術(shù)要素，稱之為電池正負極材料的本征動力學參數(shù)測定。

這是什么含義呢，我們講第二大技術(shù)要素的時候，多場耦合的機理模型，大家會發(fā)現(xiàn)，在模型中存在著很多表征材料本征屬性的參數(shù)。比如，鋰離子在一個典型的石墨顆粒中擴散速度有多快，這個擴散速度可能是嵌鋰量的函數(shù)、溫度的函數(shù)，但是它本質(zhì)上是這種材料的固有屬性。這種固有屬性會作為電池構(gòu)效關(guān)系建模中不可或缺的參數(shù)，帶入到整個建模和電池產(chǎn)品設計過程中。所以一個電池仿真驅(qū)動的正向設計方法的核心，在于建準構(gòu)效關(guān)系模型。而建好模型的一個基本功，是要有精確的參數(shù)標定方法，有時這種商用的儀器不夠用，還要團隊來開發(fā)一些特殊的儀器，這也是我們在本征動力學參數(shù)上采用的一些方法。在這個領域我們正在建立電池正負極材料的本征動力學參數(shù)的一個數(shù)據(jù)庫，開發(fā)了很多比如單顆粒電池這樣一些新型的實驗臺，研究正極材料、負極材料包括一些關(guān)鍵的電解液動力學過程的一些參數(shù)。

第二個技術(shù)要素，是多場耦合的機理模型的構(gòu)建。

什么是模型構(gòu)建呢？我們更多指的是如何描述清楚，用一套偏微分方程，描述清楚電池內(nèi)部發(fā)生的物理化學過程。進一步做闡述，是指電池內(nèi)部發(fā)生的行為和現(xiàn)象以及驅(qū)動這種行為的驅(qū)動力之間的關(guān)系，它的最終參數(shù)是一套偏微分方程。大家可以看到下面這張圖，是一個典型的電極的示意圖。

* 圖片截自嘉賓發(fā)言PPT

這里面有很多微觀的結(jié)構(gòu)，黃色部分，這種大的，比如正負極材料固相顆粒球狀顆粒；黑色的，這種小型的導電劑形成的電子通路，顆粒和電解質(zhì)相聯(lián)的這個表面處于的固液界面，這里面的孔大部分情況下我們認為充斥著電解液。

在這樣一個多孔電極的環(huán)境中會發(fā)生很多現(xiàn)象。比如有物質(zhì)傳輸?shù)倪^程，鋰離子會發(fā)生輸運、電子會發(fā)生導電，在固液相的界面處會發(fā)生電化學反應，脫鋰和嵌鋰為代表的氧化還原反應，有時候還有一些老化過程中人們不愿意讓它發(fā)生的一些副反應，會減弱電池壽命的一些副反應。另外電池內(nèi)部還會產(chǎn)熱、會傳熱、電池與外界環(huán)境還存在著熱交換，以上這些所有的行為或者說現(xiàn)象，在第二個技術(shù)要素中都試圖采用一套偏微分方程組來清晰的描述。

第三個技術(shù)要素，電極微觀結(jié)構(gòu)自動批量生成。

如果說第二個技術(shù)要素是數(shù)理上的工作，第三個技術(shù)要素更多是幾何上的工作。大家知道電池的結(jié)構(gòu)，以目前大規(guī)模使用的液態(tài)電解質(zhì)結(jié)構(gòu)來看，它的電池電極結(jié)構(gòu)大部分是一個多孔結(jié)構(gòu)，其中含有多種不同的固相材料，固相材料的間隙中還存在著孔，孔中還可能灌注著電解液。液相和固相分別構(gòu)成了離子和電子這兩類最重要載流子的通路，微觀的幾何結(jié)構(gòu)受到加工過程中、設計過程中很多工藝的影響，比如涂多厚、壓實密度多大、烘干的供需怎么樣等等，微觀結(jié)構(gòu)的特點一定程度上決定了電池性能的特點。

在完成仿真驅(qū)動的正向設計時，要首先根據(jù)不同的方案設計，哪些設計方案呢？

* 圖片截自嘉賓發(fā)言PPT

這張表中左上角，主材的類型、材料的配比、顆粒的形貌、粒徑的分布、涂布的厚度、壓實界面工藝等等一些設計參數(shù)，要快速地生成對應于這套設計參數(shù)的微觀幾何結(jié)構(gòu)，而且它應該是自動化的，不是靠人去繪制；也是大批量的，因為在真正的仿真過程中，為了減少仿真結(jié)果的隨機性，會含有大量數(shù)目的顆粒。以右上角的這個圖來看，真正仿真過程中處理的長度可能是它的10倍以上，里面會含有至少數(shù)千個顆粒，因此這種幾何結(jié)構(gòu)的生成方法必須是自動化、大批量而且有效率的。

右上角是一個典型的某一個電極的多孔的微觀結(jié)構(gòu)。事實上這個結(jié)構(gòu)不是唯一的，它與很多關(guān)鍵假設，包括輸入的設計參數(shù)是密切相關(guān)的。可以看到下面這些圖，可以表征不同的粒徑分布：D10、D50、D90；可以是兩維的、也可以是三維的；單個顆粒可以是正球形的、也可以是橢球形的，甚至是片狀的；它可以適配很多工藝，傳統(tǒng)的涂布輥壓烘干工藝，包括現(xiàn)在干壓的工藝；在正極它可以表征出單晶的結(jié)構(gòu)，也可以表征出有些材料中使用的多晶結(jié)構(gòu)等等。因此這種自動化大批量生成的電極結(jié)構(gòu)，可以反映電池內(nèi)部很多趨于真實的信息：比如顆粒不同的形貌、不同粒徑分布的特點；助劑、導電劑、黏結(jié)劑真正的空間占位；孔隙分布的情況、壓實密度的情況，包括電池內(nèi)部非常豐富的界面上進行的各種各樣的工藝處理等等。

最后一個技術(shù)要素，是數(shù)值求解器的開發(fā)。前面講了，幾何上我們得到了一個多孔的結(jié)構(gòu)，里面的形狀、結(jié)構(gòu)非常復雜；代數(shù)上我們又得到了一套偏微分方程組，它可能首先具有高階的模式，另外是個偏微分，邊界條件很復雜，所以很難顯示采用解析的方法求解，把這套代數(shù)方程應用在這樣一個復雜幾何上怎么解呢？怎么得到數(shù)值的解決呢？

一般情況下我們采用數(shù)值求解的方式。我們的團隊還在開發(fā)具有全自主知識產(chǎn)權(quán)的數(shù)值求解器。大家知道CAD、CAE領域的很多軟件缺少大量的國產(chǎn)化工具，一直被認為是我國工業(yè)軟件發(fā)展中一個非常瓶頸的問題。在第四個技術(shù)要素中我們并不是要開發(fā)一款通用的CAE求解器，而是要把面對比如鋰離子電池設計問題產(chǎn)生的幾何和代數(shù)可以采用自己全自主的求解器求解出來，它是垂直適用于特定產(chǎn)業(yè)、特定產(chǎn)品的。

在以上四大技術(shù)要素的支撐下，我們可以高精度的得到電池內(nèi)部很多信息的仿真結(jié)果，有些仿真結(jié)果是我們在實驗室通過測試的方法可以方便得到的。

* 圖片截自嘉賓發(fā)言PPT

比如這張圖中，根據(jù)這個實驗難度星數(shù)從一到五，可以簡單獲得比如電壓、容量、功率，直流內(nèi)阻、交流內(nèi)阻，通過三電極或者半電池的方法把正負極的電位區(qū)分開；下面一排實驗難度在快速的增加，比如大的電池，尺度很大、厚度很大，如何把整個內(nèi)部，包括封閉結(jié)構(gòu)內(nèi)部和外部的溫度都能夠采集出來呢？實驗上有一定的困難，但是并不是不可行。仿真的結(jié)果可以告訴我們，溫度在時、空兩重維度下任意時間、電池內(nèi)外任意位置的溫度變化情況。后面我們加了五星的兩張圖，分別代表在任意時刻下，比如左邊圖是正極固相材料內(nèi)部的鋰離子濃度，右邊圖是電子電流密度場。大家知道，這兩個物理參數(shù)很難通過實驗室測試的方法滿足在一定的時間和空間分辨率條件下精準的獲得，因此仿真技術(shù)可以幫我們見到一些在實驗中不容易見到的現(xiàn)象，從而更有可能揭示出電池內(nèi)部發(fā)生的一些特定機理，并把這種機理與設計瓶頸及如何進一步改進設計關(guān)聯(lián)起來。

03仿真如何指導設計

上面都是一些典型的仿真結(jié)果。仿真為什么能知道設計呢？或者為什么第二代電池產(chǎn)品的研發(fā)技術(shù)是仿真驅(qū)動的正向設計呢？我們來看一個案例。這個案例來源于一個特定的設計需求，如果一款電池在1C條件下，能量密度顯著偏低，能不能幫我們分析一下成因，應該如何改進一下這個設計呢？

* 圖片截自嘉賓發(fā)言PPT

通過仿真的方法，左圖，我們把這款電池在放電時刻過程中任意時刻的過電壓，此時的端電壓和該SOC下對應平衡電位的差把它提出來，還把它進一步解析成過電壓的不同成份，哪一部分是比如說液相離子傳輸帶來的、哪一部分是化學反應帶來的、哪一部分是電子導電帶來的。我們會發(fā)現(xiàn)，在長達3000多秒的放電過程中，整個過電壓的曲線，大部分時間內(nèi)都比較平穩(wěn)，但是在接近放電截止的這個時刻，其中有橘色的一支、一種成份快速地抬升了，從而造成這款電池很早就擊破了放電截止電壓，熱力學上有的能量沒有辦法動力學上用上來，抬頭的成分是什么呢？

我們看一下負極顆粒內(nèi)部的擴散過程，它在放電截止時刻，在整個過電壓的組成中占有多大的角色呢？看柱狀圖和右面表的分析，放電截止時刻大概800多毫伏的過電壓中，其中有755毫伏都來自于負極顆粒內(nèi)部的離子傳輸。這說明如果能把這個抬頭的橘色線壓下去，這個電池就可以多放電一段時間，在1C條件下測定的能量密度就會高一點。什么樣的設計因素可以有針對性的來降低負極顆粒內(nèi)部的離子傳輸帶來的過電位呢？有電池設計經(jīng)驗的人會知道，在負極顆粒內(nèi)部的擴散與擴散距離密切相關(guān)，也就是減小負極顆粒的粒徑，比如把D50調(diào)低一點，可以讓負極內(nèi)部的鋰離子擴散過程更加順暢。

事實上，針對這樣一種仿真分析的結(jié)果，我們給出的設計改進建議也是，要優(yōu)先嘗試減小負極石墨顆粒的D50，通過把D50下降，大概只下降了4個微米左右，可以顯著地提升這款電池在1C條件下的能量密度。

這個案例生動的解釋了為什么仿真可以指導設計，因為仿真將電池內(nèi)部發(fā)生的一些實驗上不可見的過程解析開了，掰開了，揉碎了，告訴我們這款電池為什么提前截止，如果要控制，要找到瓶頸，應該在設計上優(yōu)先進行哪些工作。

上面這個分析跟我們前面看到的離子濃度圖也是對應的，截止時刻的離子濃度也可以證實這一點，大的顆粒，大的石墨負極顆粒，內(nèi)部殘存著較高的鋰離子濃度，如果縮小D50對于這部分的能量發(fā)揮是非常有效的。

我們看了過去、再看了現(xiàn)在，目前中國的動力電池產(chǎn)業(yè)正在從實驗試錯法向仿真驅(qū)動的正向設計方法邁進的路上，通過仿真驅(qū)動提供的這種虛擬迭代能力，可以把實驗試錯法條件下的電池型號的開發(fā)過程大規(guī)模的加快，按照我們在產(chǎn)業(yè)的一些實踐，在效率上至少有2-5倍的提升空間，在成本上至少也可以節(jié)約一半。

最后，我們來共同展望一下電池設計技術(shù)的未來，智能化的全自動設計方法。

動力電池產(chǎn)品設計的未來

從目前仿真驅(qū)動的正向設計方法到智能化全自動，我們稱之為第二次躍升。那么仿真設計方法有什么不好嗎？或者還有“好上加好”的地方嗎？

有的，在上面這個框圖中，逆向的箭頭部分：調(diào)整設計參數(shù)以滿足特定的性能需求。我們雖然用虛擬迭代替代了實驗試錯過程中大部分的制樣測試，在仿真中輸入一套設計變量，得到一套性能的估計，這個過程能不能一次完成一個型號設計呢？很難，因為剛開始的這套設計變量的選取，當然有經(jīng)驗的成份，也會有一些隨機性，性能很可能不滿足要求，或者實驗者希望這個性能能夠好上加好，那怎么辦呢？仿真工程師會重新輸入一套設計參數(shù)，觀察這個性能的提升。在這個重新迭代的過程中，有大量的人工經(jīng)驗的判斷在里面。首先它可能不是最快的，看右下圖，因為人工驅(qū)動多次仿真有一個方向選擇的問題，它可能找到的不是最快路徑，在所謂的尋優(yōu)過程中會走彎路。另外也不可能是最好的，人工多次迭代，仿真工程師也很辛苦，他有可能會停留在一個目前令人基本滿意的性能結(jié)果上，或者停留在一個局部最優(yōu)點，這個人工的尋優(yōu)過程就停下來了。

針對這種人工多次迭代仿真帶來的浪費，和非最優(yōu)的缺陷，我們進一步提出，如果將人工多次仿真與尋優(yōu)的過程通過自動化的方法來替代，還有可能找到更好更快的電池設計方法，這就是第三代智能化全自動設計方法。
在智能化全自動的設計方法下，我們開展了一些案例研究。案例還不是面向真實電池的設計問題，幾十個變量可以調(diào)，可能關(guān)注十個以上的電池性能表現(xiàn)。在案例研究中，我們大規(guī)模的縮小了輸入和輸出的量。

這兩張圖是兩個多目標優(yōu)化的結(jié)果，一個是電極性能的設計結(jié)果，一個是單體尺寸的設計結(jié)果。大家可以看左圖，我們想設計一款能量密度和功率密度都比較好的電極。因為高能量的電極和高功率的電極很多關(guān)鍵的設計參數(shù)可能是相反的，所以這里存在著能量密度和功率密度相平衡的問題。通過某些智能尋優(yōu)的方法，我們把仿真過程中的構(gòu)效關(guān)系模型上的通路依然保留。但是下面這個迭代過程，不再是人來迭代了，用更聰明的算法來迭代。通過2500次迭代，大家可以認為經(jīng)歷了2500個不同設計方案的比較，我們發(fā)現(xiàn)其中有25個最優(yōu)解，即這些紅色的點，就是在整個能量密度和功率密度的二維坐標下最接近于右上角實現(xiàn)帕累托最優(yōu)的解。2500個迭代過程的完成大概花了多久呢？在實驗室條件下，大約只有40多個小時，大家可以想象，如果通過更早期的實驗試錯的方法來比較2500個設計方案需要多長時間？

右圖是一個單體結(jié)構(gòu)的設計問題，在這個設計案例中我們要求或者希望這個電池工作過程的最高溫度低一點、電池內(nèi)部的溫差也低一點，因此最優(yōu)的設計方案一定是左下角的這些設計方案。大家可以看到，其中任何一個點都是一套設計方案，右圖上比較了300組不同設計方案在最高溫度和最大溫差上的表現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)紅色的點大概有20多個，達到了帕累托的最優(yōu)解，最接近于左下角。其中，每一個點在單體設計的關(guān)鍵形狀、尺寸、長寬厚的比例上可能都各不相同。所以，不僅對于電極設計，對于單體設計，這種全自動智能化方法的效率也是非常驚人的。

這個效率的極限能到多少呢？這是大家非常關(guān)心的一個問題，我們針對效率極限進一步開展了大規(guī)模案例研究。

大家看下左上角這些圖，這是一個典型的高能量密度單目標的優(yōu)化設計問題，我們發(fā)現(xiàn)，開展10次平行的高能量密度的設計，平均完成一次設計大約需要2個小時，這是在某個特定的算法下。如果在更快的算法下，處理同一個

問題可以把2小時進一步壓縮到7分鐘。有的設計工程師可能認為這個設計問題很簡單，只有1個輸入或者2個輸入或者3個輸入，我們也在研究右上角這張圖，當輸入增加，有一天達到40個輸入，把配方、微觀結(jié)構(gòu)、工藝、宏觀結(jié)構(gòu)都拿進來的時候，這樣一個智能化、自動化的設計過程它的效率是不是依然還OK？

我們發(fā)現(xiàn)，隨著設計變量的增多，一個好消息是，整個全自動智能化電池設計方法的耗時沒有發(fā)生隨著設計變量的增多而產(chǎn)生指數(shù)的、災難的增長，它是一個規(guī)律的線性增長。初步發(fā)現(xiàn)告訴我們，把全自動智能化的設計方法移植到具有復雜的、數(shù)十個可設計變量的真實產(chǎn)品設計過程中是可能的。

進一步來看，如何能夠設計出這種效率最高的全自動智能化的設計方法呢？我們要做一個基本公式，比如花6000秒完成了一個整體的設計過程，要把這6000秒花在什么問題上解析出來，下面這張圖就是做這個事情。

我們把算法的耗時環(huán)節(jié)分解出來了，其中包括很多因素，比如上面構(gòu)效關(guān)系的單次計算過程依然保留著。單次，完成一次構(gòu)效關(guān)系模型的這種機理模型的計算需要多久？完成這種進化式的算法大概需要算多少次上面的映射關(guān)系？我們稱之為所需的仿真數(shù)量，到達算法收斂前這個代際進化要進化多少輪呢？我們有沒有比較好的軟硬件的配置，可以使得整個算法是可以并行的呢？

這是四個基礎的算法耗時環(huán)節(jié)的分解，通過這一分解過程我們會定義到耗時最長的這個部分，有針對性的進一步把全自動智能化電池設計方法的效率提高到一個極限。一個基本的判斷是，我們可以將實驗試錯法，目前通行的數(shù)月到數(shù)年的單型號設計周期壓縮到數(shù)小時、數(shù)天或者數(shù)十天，電池產(chǎn)品研發(fā)的速度將有1-2個數(shù)量級的提升。

到此為止，我們可以把三代電池設計技術(shù)的一些核心指標進行對比了，第一代實驗試錯法，第二代仿真驅(qū)動的正向設計方法，和第三代全自動智能化的電池產(chǎn)品設計方法。首先它們的周期不一樣，開發(fā)成本逐漸降低，在技術(shù)創(chuàng)新上，越向后研發(fā)工作人員越可以把更多的時間用在創(chuàng)新性的內(nèi)容上。工作中的重復迭代部分被壓縮到了最小，另外我們還會看到，通過第二代、第三代電池設計方法的引入，可以為企業(yè)保留下來越來越豐富的知識庫，這一知識庫對提升團隊的技術(shù)水平，包括快速的切入到新器件的先行研發(fā)非常有效。

（后續(xù)部分為清華大學電車設計研發(fā)工作在電池產(chǎn)業(yè)內(nèi)部的應用情況，暫略）

本文轉(zhuǎn)載自：電動汽車百人會
整理：電動汽車百人會（根據(jù)嘉賓發(fā)言速記）