万万没想到！零基础入门COMSOL锂电池多物理场工程仿真

导读：贾老师，仿真秀优秀讲师，10+年锂电仿真经历，具有扎实的电化学理论基础和工程仿真实践经验。曾就职于国外全球TOP锂电池厂，带领团队从头搭建锂电池机理建模仿真部门，主导开发系统完整的工程仿真技术以及机理建模技术，为电芯研发项目提供数字化仿真支持(在全球知名整车厂量产项目落地应用)，先后为来自国内外知名锂电企业和高校的学员提供系统的锂电池仿真培训指导。

11月6日19时30分（周日），贾老师将受邀仿真秀平台主办的#自学仿真第一课#第五期讲座《零基础入门COMSOL锂电池多物理场工程仿真》，诚邀各位专家、同学和工程师朋友们莅临直播间，如有不当欢迎批评指正。本文是贾老师自学Comsol软件的经历，以及对仿真分析的认知和思考。以下是正文：

一、结缘COMSOL多物理场仿真

大学的时候，我无意间看到Comsol软件的介绍，当时的感觉就是，这个软件太神奇了，多物理场仿真这不就是为我们物理专业量身打造的吗？如果把所有的物理效应都描述出来，那不就是一个真实世界的数字复刻吗？这也太神奇了。所以好奇心一下子就被调动起来了，然后就拿Comsol当游戏玩的心态，跟着文档漫无目的的学了些电磁、传热、结构、流体、电池相关的仿真。

直到研究生的时候才开始真正尝试用仿真解决实际问题。我的研究方向是电极设计优化（燃料电池），这是一个实验课题，进组后我兴致勃勃的打算系统学习电化学仿真技术，用仿真给出最优设计，然后通过实验把仿真结果复现。导师听到这个想法的时候，完全没有预想中的欣慰，反而有一些耐人寻味的表情，后来才知道，导师只是不想打消我的积极性，给我一个尝试的机会而已。

二、意外入坑锂电行业

故事的背景设定在某个H系公司，名字不太方便直接透露了，也是在这里我见证了锂电池（电化学）工程仿真技术的曲折发展历程。

自从读研期间发现仿真的局限性，深知仿真如果玩成一个数学拟合游戏，那么对于实验指导就没有意义了，所以对自己的工作做了两步走规划：

先下一线做实验、充分了解真实的锂电池是什么样的，然后再回头做仿真（现在看来这个想法很幼稚，只是一厢情愿，一旦参加工作想更换岗位或者部门并不是那么随意，另外，换岗或者换部门往往会影响到年度绩效，在绩效和岗位之间的选择并不是一件容易的事情)。万万没想到，后面的故事的真的是按照这个剧本推进的。

三、我的锂电仿真经历

先讲讲公司锂电池仿真的发展经历。其实锂电行业是一个非常年轻的行业，早期锂电项目研发的过程中很多时候并不是向大家想象的那样满满的科技感，具体的工作内容反而显得很Low，那时候的研发很大程度上都是在试错，研发过程的知识参与感很低。

所谓的DOE清单现在来看，就是一个 try error list！当时很多人都意识到这个问题了，也有人在思考如何提高研发效率的问题。开发了各种各样的实验手段，也尝试把电化学仿真技术引入研发过程中。公司最早承接引入电化学仿真的是结构仿真部门。可能当时的想法是电化学仿真也是仿真所以就让结构仿真的同事去学习一下。然后买了Comsol软件，让Comsol的技术支持做了一下软件培训就开始开发电化学仿真技术了。

但是很快就遇到了一些棘手的问题：Comsol的软件教程，只是一个操作指导教程，仿真人员虽然学会了操作软件，但是却不会根据真实电池搭建对应的电池模型。此外，结构力学出身的仿真工程师缺乏电化学理论基础，对模型的理解偏差较大。就这样结构仿真工程师做了一段时间电化学仿真发现，玩不转电化学仿真，不能够利用电化学仿真为项目提供实质性指导。

后来，公司又招了一批有电化学理论背景的人来接手电化学仿真，才勉强把电化学仿真的能力搭建起来。但情况并没有好太多，电化学仿真在项目研发过程中的参与度依然很低，很多时候还是会被人诟病，仿真不可信或者仿真只能给出一些已知的定性结论。

回头来看，可能主要的原因是很多仿真工程师都没进过实验室，没见过真实的电池，很多现象都是靠想象，而想象很多时候与实际不符，自然仿真结果就与实际相去甚远。比如，有些异常现象是结构应力导致的，而仿真工程师可能在模型假设里面考虑成温度效应导致的；有些异常现象的诱因是单体层级的（比如卷芯褶皱），仿真工程师可能把问题定位到材料层级。这些情况下，往往仿真最初的模型假设就已经出现了偏差，也就不可能给出正确指导。

印象较深的是一个高镍体系寿命建模的Case。早期高镍体系不太成熟，寿命衰减较快出现跳水情况，仿真工程师的分析结论是，负极侧衰减过快导致的，但是无论对负极怎么改进，都缓解不了，直到反**样多次之后才锁定真实的原因是正极界面产气严重导致界面存在气泡，气泡覆盖的地方极片不参与充放电，并不是真实的材料失效。而仿真由于使用了错误的机理假设，把问题定位到了负极，造成了方向性错误。其实如果仿真工程师现场查看过电池，就会发现电池鼓胀的现象，那么在模型假设里面就可以把这个因素考虑进去，反之，如果没有现场感性认知，遇到问题仿真工程师往往会根据假想或者去查阅文献寻找线索，而文献用的较多的老化机理主要是SEI生长，实际工况却不仅仅是SEI这一种模式。

仿真工程师对制造工艺也会存在认知偏差。比如，真实极片往往会有边缘削薄区，冷压之后极片还会有延展行为等，在处理与这些现象相关的问题时，没接触过实验的仿真工程师往往很难找到合理的模型假设。此外，仿真工程师和实验工程师在沟通时经常存在一些错位。比如，实验人员默认的SOC定义是0.33C的额定容量为基准，而仿真工程师默认的SOC概念是以热力学容量为基准，两者语言上就存在错位，所以很容易引入沟通歧义。这些实验认知上的偏差，往往会导致模型偏离实际情况，给仿真引入人为认知误差。  

当我做了一年的电池后，已经亲自拆解过上百个各种类型的电池，对电池以及相关的现象都比较了解了，也积累了很多实验+仿真联合研发的思路，觉得是时候转到仿真岗了。开始是托仿真组的同事帮我引荐转岗，仿真领导说现在仿真岗暂时没有空缺。后来，我直接发邮件给仿真组领导，说明了我的想法：把仿真做成电池设计工具，形成一个从设计到测试到优化的全流程研发平台，然后描述了我的实验建模思路。仿真组领导看过之后直接回复，原部门处理好之后仿真组这边随时欢迎。

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四、锂电仿真为什么是Comsol

锂电池工作过程中除了电化学反应（涉及多个物理步骤）过程之外，还会涉及到显著的产热行为，同时材料脱嵌锂过程中还会伴随有结构应力行为，考虑环境影响还会涉及流体传热行为，所以锂电池仿真天然涉及到多物理过程。而Comsol软件就是为处理多物理问题而设计的，两者在需求和功能上高度匹配。

COMSOL 实现多物理场双向直接耦合分析，相比其它有限元分析软件，可自定义偏微分方程组，函数求解参数控制，强大网格划分和丰富的后处理能力；COMSOL发布时间与锂电池行业起步的时间最为接近，最大程度匹配锂电仿真需求，为锂电池研发提供了一把利器。

参加COMSOL多物理场仿真技术交流

五、仿真容易出现的误区

只有深刻的理解研究对像才能够给出合理的建模仿真方案。很多新手学习仿真都会认为学会软件操作就学会了仿真，其实对于真实的工程问题而言，两者并不是一回事。仿真工程师虽然平常打交道的对像是模型（电脑），但是仿真工程师的研究对象其实是真实的物理对像/现象。

切记不要把仿真玩成数学拟合游戏。多物理场仿真的预测能力是以物理理论为基础的，如果抛开了物理理论，那么模型的预测能力就很难保证，所以模型的物理可解释性很重要。我们建模一定要保证模型符合物理规律，保证物理上的可解性，然后再去优化数学求解设置，使得数学上求解操作更容易。

六、锂电行业电化学仿真发展趋势

在行业的研发数字化转型需求背景下，锂电池研发过程中仿真技术的参与度会越来越高，仿真技术与实验技术互补支撑、双向迭代，仿真精度逐步提升，研发效率越来越高。

仿真技术逐步固化到研发流程中，形成数字化研发平台为电池设计、性能测试、迭代优化及电池应用，提供数字化研发工具。

自动化也是仿真进化的一个重要方向，随着自动化程度的提升，操作门槛逐渐降低。

仿真平台还有可以发展成为上下游研发交互的虚拟接口，使得材料企业、电池企业、整机/终端企业能够在同一平台上交互研发（统一研发语言，规范上下游研发界面），提升全产业链研发效率。

最后，云仿真也可能是仿真发展的重要趋势。

七、我的公开课

自10月9日仿真秀正式启动《自学仿真第一课》系列直播讲座—让仿真新手走上仿真软件入门和精进之路，受到广大的理工科学子和仿真设计工程师的喜爱。

11月06日19时30分（周日），笔者将在#自学仿真第一课#系列讲座的第六期带来《零基础入门Comsol锂电池多物理场工程仿真》，届时跟大家分享一下工程仿真问题的分析流程，以及锂电池研发过程中涉及到的一些重要的工程仿真场景，带大家简单了解一下Comsol软件以及锂电池仿真技术。

以下是课程安排：

以上学习资料，也已经收藏到仿真秀-CAE仿真入门学习包，大家按需下载，持续更新且永久有效，下载方法见后文。

六、自学仿真第一课是什么

如何自学CAE仿真软件？小白如何快速入门仿真？仿真软件如何安装？遇到计算分析不收敛怎么办？学仿真还有那些好学习资料？这些是很多新手用户比较关注的问题，也是一个老生常谈的话题。

自2022年10月9日起，仿真秀正式推出《自学仿真第一课》系列讲座，让仿真新手走上仿真软件的入门和精进之路。

1、新手入门直播安排

来源：仿真秀App

原标题：入坑锂电行业10年！好奇心带我零基础入门COMSOL多物理场工程仿真