国内锂电池CAE仿真软件的突破口
国内锂电池CAE仿真软件的突破口
一方面电化学建模逐步深入到电极介观尺度，另一方面一些相对新兴的数值模拟技术被用来探究介观尺度上的电化学反应过程机理。国内锂电池CAE软件应当聚焦这两个方面进行突破。同时要使用恰当的模型降阶、时间离散等计算加速方法，兼顾模型的精度和计算效率。
一是不断优化仿真模型及其控制方程，及时跟踪电池仿真在微观、介观尺度上的前沿进展，将精度更好的理论模型内置在软件之中，并开发出适配电池领域的网格划分工具。其次是可以向COMSOL学习，保持软件的开放性，这一点是指在建模阶段仿真工程师可以自定义修改设立控制方程组（偏微分方程组）及其假设条件，而不是只能采用软件内置的方程组。软件不断跟进业界的先进实践经验，通过加强与业界人员的合作来优化迭代自身软件求解器的性能。相较于其他成熟的仿真领域，这一点对于电池领域的仿真软件更为凸显。求解方法方面注重运用新的求解方法，并将多种数值算法结合起来，比如LBM、DEM、FEM和FVM 结合起来，并注重数值计算方法和工程实际业务场景深度结合。同时工业仿真软件需要权衡精度和效率，这就需要恰当地使用降阶模型、伽辽金投影法、时间离散方法如龙格－库塔法（Runge-Kutta methods）等计算方法，尽可能确保在不损失仿真精度的情况下提高计算效率。除了理论模型和数值算法，仿真软件还需要注重工程经验的积累，特别是对于电池这一非线性的复杂系统来说。因此，国内锂电池CAE软件公司一方面需要在产品功能上加强与实验测试数据的结合，为设计和仿真人员提供更便捷的仿真服务。这里具体来说，电池仿真通常需要大量参数输入，部分参数需要标定和实验以及文献参考得来，如果积累了大量的测试数据，就可以提供一个丰富的数据库，更加方便快捷提供模拟仿真所需参数，避免因为仿真人员标定出现问题带来较大的偏差，进一步缩短设计验证周期。另一方面，国内锂电池CAE软件公司需要注重加强与电池企业的合作，更好地积累测试和实际制造的数据，以此优化仿真软件性能，更好地实现设计仿真与制造工艺协同。总之，要充分利用好我国掌握锂电全产业链这一庞大制造规模的优势，因为海量测试和制造数据中蕴藏着巨大的数据优势，利用好这些数据资产，有利于国内锂电池CAE软件公司加速发展起来。综合本文前述内容，锂电池仿真软件的突破，要实现多尺度、多物理场、全生命周期的仿真服务，同时要利用好工业物联网和云计算技术，将电池的设计、仿真、制造以及使用过程中产生的海量工艺技术、工况数据形成数字化资产。锂电池仿真软件不仅仅担负着仿真驱动正向设计的功能，也是推动整体锂电池领域研发数字化进程的重要力量。由独立于上下游企业主体的第三方软件公司驱动行业研发数字化、通过标准的流程、功能完善的仿真平台带动，实现上下游研发的网络化协同。目前国内已经出现一些锂电池仿真软件公司，如易来科得、屹艮科技、鸿阳智能、海仿科技等。实现电池领域的多尺度多物理场耦合仿真道阻且长，需要多学科人才、知识积累乃至多个细分软件工具的融合，参照COMSOL的发展历程[35]（COMSOL产品发布历程 (comsol.com)），这将会是一个长达20-30年的过程。
CAE仿真领域有不少开源软件，锂电池仿真领域就有TauFactor、OpenPNM等开源软件。关于开源是否能够加速国产CAE仿真软件的发展，也曾被多次讨论过，这里简要表达我们对工业仿真软件领域开源的看法：
软件开源能否提高国产工业软件迭代升级、向欧美成熟工业软件追赶的速度？我们目前认为是不能。一般基础软件通过开源获取技术迭代助力的逻辑并不适用于工业软件。首先，工业软件的底层核心在于基础理论和数值算法，这两方面的理论突破和算法创新才能从根本上实现工业软件的技术突破，很难通过无数软件开发人员的使用、贡献代码来提高CAE软件的性能，比如仿真计算速度更快、收敛更好、精度更高。其次，仿真软件并不是一个互联网研发编写程序时需要用到的基础软件，而是一个受众面相对较小的专用软件，并且仿真软件代码编写的门槛很高，通过开源无法像互联网开源基础软件获得很多程序员的开发助力。此外，互联网基础软件通过源代码开源吸引广大的开发者，这些开发者多数也会转变为客户，意味着基础软件的开源本身就是一种营销手段，开源基础软件无需付出高昂的销售成本就可以获得大量的用户。但是对于工业软件来说，代码开源并不意味着工程师就会使用这款软件甚至成为付费用户。由于制造业的行业属性，工程师需要选择稳定性更好、仿真质量更佳的软件，免费并不能构成一个富有竞争力的因素。
从技术研发角度看，如果前处理和求解器部分采用开源软件，相当于将技术核心命脉交在了别人手中，技术体系的更新完全依赖于开源软件的迭代升级。从产品功能角度看，工业软件需要具备高可靠性和优异性能，并能与实际工程应用场景深度结合。开源软件通常自身性能和稳定性较低，一旦面对整体非常复杂的大型模型仿真，使用开源软件很可能出现计算不容易收敛或者求解速度过慢等问题。此外，开源软件通常缺乏大量的实际应用案例和帮助文档，可能无法回应仿真工程师的实际需求[36]。从软件架构角度看，如果在某些功能模块采用开源软件（组件），也可能会出现架构耦合上的问题，软件升级后也会涉及和其他功能模块协同的问题，甚至会需要调整开源软件的架构，如此一来需要投入很多研发资源，结果可能得不偿失，还不如一开始就选择自主研发。自主开发才是正途。这是一条少有人走的路。或有企业在开源软件基础上二次开发，套上一层壳就宣称自己是国产替代。这种做法只是看上去在走捷径，实际上是选择依附在其他公司的技术体系内，企业并未形成基于自身实际经验的产品原始研发能力。只有当企业以自主研发理念创新、性能先进的商业产品为目标时，企业才可能产生更强的创新动力和学习能力，才能在自主开发产品中突破技术瓶颈、逐渐掌握工业软件的研发能力。自主开发也不意味着完完全全从头做起，除底层技术需要自身突破外，部分非核心软件模块可以考虑采用已经非常成熟的商业开发工具，比如GUI组件和图形渲染方面。在软件生态上也要加强合作，开放仿真上下游的第三方软件API接口，做好数据兼容，进一步增强软件的易用性和包容性，融入现有的设计仿真工具链中，降低工程师的软件使用成本。
