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在如今 “全面电气化” 的推进过程中，原型开发领域正浮现一个关键问题：实验室里可行的模型，在实际应用中却容易失效。无论是电网级别的能源利用与安全存储，还是汽车、卡车、飞机等交通工具的电气化，都是极具挑战性的课题，仅靠简化模型往往难以触及核心症结。

“电气化的核心，是电磁效应、热传导与结构力学三者的复杂相互作用。”总部位于斯德哥尔摩的软件公司 COMSOL 的产品管理高级副总裁 Bjorn Sjodin 说。

COMSOL 是一家专注于工程研发的软件企业，其核心优势在于不仅能模拟单一物理现象（例如电路的电磁特性），更能整合研发新技术所需的所有相关物理场，实现真实工况下的全面仿真。

10 月 8 日至 10 日，工程师与研发人员齐聚马萨诸塞州伯灵顿市，参加 COMSOL 年度波士顿会议。会上，大家围绕多物理场同步仿真工具展开讨论。这一被称为 “多物理场建模” 的新兴领域，已从电气化研发中的 “加分项”，逐渐成为不可或缺的核心环节。

“有时，我认为有些人仍然将仿真视为一种花哨的研发工作。”COMSOL 的化学工程师兼应用经理 Niloofar Kamyab 说，“他们认为仿真会取代实验，但事实并非如此 —— 实验依然不可或缺，只是仿真能让实验设计更优化、更高效。”

多物理场建模能否助力电气化规模化推进？

Kamyab 表示，多物理场有时只是解决方案的一半。

“在电池领域，仿真还有另一个吸引力 —— 多尺度特性。” 她说，“我们可以跨不同尺度研究电池，获得深入的分析结果，而这类分析即便不是极难，也可以说是实验无法实现的。”

这在一定程度上是因为，电池在单体层面会呈现复杂特性（甚至失控反应），而在电池组层面，还会以不可预测的新方式表现出来。

“大多数对电池组进行模拟的人——热管理是他们最关心的问题之一，”Kamyab 说，“通过仿真，工程师可以重现故障单体的工作状态，从而找到避免热失控的方法。” 她补充道，热失控的多物理场仿真，能让电池工程师在最极端的工况下安全测试各类设计方案，提前防范电池故障或起火风险。

无线充电系统是电气化的另一个领域，也有其自身的热挑战。 “在更高的功率水平下，线圈的局部加热会改变其电导率，”位于马萨诸塞州尼达姆的咨询公司 Veryst Engineering 的首席工程师 Nirmal Paudel 说。他指出，这反过来又可以改变整个电路以及它周围所有元素的设计和性能。

电机和功率转换器的研发也需要类似的仿真技术支持。COMSOL 高级应用工程师、电气工程师 Vignesh Gurusamy 表示，传统的研发方式如今已逐渐失效。“近年来，电气化在各类应用场景中迅速普及，这就要求我们采用更全面的研发方法，才能打造出全新的优化设计。”

货运交通领域同样面临抉择：“对于卡车，人们在探讨 —— 应该使用电池，还是燃料电池？”Bjorn Sjodin 说，“燃料电池非常适合多物理场建模，涉及流体流动、热传导、化学反应和电化学反应等多个维度。”

最后是电网本身。“电网的设计初衷是保障电力的持续供应。”Bjorn Sjodin 表示，“而当风电、光伏等间歇性电源大量接入后，就会催生一系列全新的问题。”

电池和电机设计中的多物理场

Niloofar Kamyab 称，这种全方位的工程仿真方法，还能带来意想不到的收获。例如，柏林汽车工程公司 IAV 正在研发一种动力系统，可在单个电池组中整合多种规格和化学体系的电池。“钠离子电池的能量密度无法与锂离子电池相比，因此他们将不同化学体系的电池混合使用，以兼顾各自的优势，同时设计出适配所有体系的热管理系统。”

IAV 的技术顾问 Jakob Hilgert 近期参与了 COMSOL 的行业案例研究，他在研究中详细介绍了一种双化学体系电池组的设计 —— 该电池组将钠离子电池与成本更高的锂固态电池相结合。

Jakob Hilgert 表示，借助多物理场仿真，IAV 团队得以充分利用两种化学体系的特性互补优势。“如果部分电池适合在高温下工作，而另一些适合低温环境，那么将高温工作电池的废热用于加热低温工作电池，反之亦然，会带来显著效益。这就是我们设计这套冷却系统的核心思路 —— 将需要降温的电池的热量，转移到需要升温的电池上。”

Bjorn Sjodin 指出，IAV 的实践反映了受 “全面电气化” 影响的众多行业的普遍趋势。“算法的改进与硬件的升级相互叠加，这就是多物理场仿真的未来。它将支持我们对更大规模、更贴近现实的系统进行仿真。”

COMSOL 的 Vignesh Gurusamy 表示，GPU 加速器和代理模型的应用，让电机的性能和效率实现了大幅跃升。即便是电机铁芯中看似简单的铜线绕组（称为定子），其相关参数也能通过多物理场建模进行优化。

“电机研发的核心前沿是将功率密度和效率推向新高度，而热管理已成为关键挑战。”Vignesh Gurusamy 说，“耦合电磁与热仿真的多物理场模型，能够纳入定子绕组和磁性材料的温度相关特性。”

Nirmal Paudel 表示，仿真技术也在改变无线充电领域的格局。“传统设计周期主要调整线圈几何结构，而如今的集成多物理场平台，让新充电架构的探索成为可能，包括柔性充电织物和可实时适配的智能表面。”

Niloofar Kamyab 称，电池技术仍在朝着更高功率密度和更低成本的方向发展。这不仅改变了消费电子、电动汽车等已有电池应用的行业，高容量电池还催生了电动垂直起降飞行器（eVTOL）等新产业。

“30 年前许多只是想法的概念如今能成为现实，正是因为我们有了足够强大的电池来提供动力。”Niloofar Kamyab 说，“多年来，电池一直是制约这些技术落地的瓶颈。随着电池技术的持续进步，谁也不知道接下来我们还能解锁哪些新的技术和应用。”

关键词： 仿真技术 电气化 物理场