在如今 “全面電氣化” 的推進過程中，原型開發領域正浮現一個關鍵問題：實驗室里可行的模型，在實際應用中卻容易失效。無論是電網級別的能源利用與安全存儲，還是汽車、卡車、飛機等交通工具的電氣化，都是極具挑戰性的課題，僅靠簡化模型往往難以觸及核心癥結。

“電氣化的核心，是電磁效應、熱傳導與結構力學三者的復雜相互作用。”總部位于斯德哥爾摩的軟件公司 COMSOL 的產品管理高級副總裁 Bjorn Sjodin 說。

COMSOL 是一家專注于工程研發的軟件企業，其核心優勢在于不僅能模擬單一物理現象（例如電路的電磁特性），更能整合研發新技術所需的所有相關物理場，實現真實工況下的全面仿真。

10 月 8 日至 10 日，工程師與研發人員齊聚馬薩諸塞州伯靈頓市，參加 COMSOL 年度波士頓會議。會上，大家圍繞多物理場同步仿真工具展開討論。這一被稱為 “多物理場建模” 的新興領域，已從電氣化研發中的 “加分項”，逐漸成為不可或缺的核心環節。

“有時，我認為有些人仍然將仿真視為一種花哨的研發工作。”COMSOL 的化學工程師兼應用經理 Niloofar Kamyab 說，“他們認為仿真會取代實驗，但事實并非如此 —— 實驗依然不可或缺，只是仿真能讓實驗設計更優化、更高效。”

多物理場建模能否助力電氣化規模化推進？

Kamyab 表示，多物理場有時只是解決方案的一半。

“在電池領域，仿真還有另一個吸引力 —— 多尺度特性。” 她說，“我們可以跨不同尺度研究電池，獲得深入的分析結果，而這類分析即便不是極難，也可以說是實驗無法實現的。”

這在一定程度上是因為，電池在單體層面會呈現復雜特性（甚至失控反應），而在電池組層面，還會以不可預測的新方式表現出來。

“大多數對電池組進行模擬的人——熱管理是他們最關心的問題之一，”Kamyab 說，“通過仿真，工程師可以重現故障單體的工作狀態，從而找到避免熱失控的方法。” 她補充道，熱失控的多物理場仿真，能讓電池工程師在最極端的工況下安全測試各類設計方案，提前防范電池故障或起火風險。

無線充電系統是電氣化的另一個領域，也有其自身的熱挑戰。 “在更高的功率水平下，線圈的局部加熱會改變其電導率，”位于馬薩諸塞州尼達姆的咨詢公司 Veryst Engineering 的首席工程師 Nirmal Paudel 說。他指出，這反過來又可以改變整個電路以及它周圍所有元素的設計和性能。

電機和功率轉換器的研發也需要類似的仿真技術支持。COMSOL 高級應用工程師、電氣工程師 Vignesh Gurusamy 表示，傳統的研發方式如今已逐漸失效。“近年來，電氣化在各類應用場景中迅速普及，這就要求我們采用更全面的研發方法，才能打造出全新的優化設計。”

貨運交通領域同樣面臨抉擇：“對于卡車，人們在探討 —— 應該使用電池，還是燃料電池？”Bjorn Sjodin 說，“燃料電池非常適合多物理場建模，涉及流體流動、熱傳導、化學反應和電化學反應等多個維度。”

最后是電網本身。“電網的設計初衷是保障電力的持續供應。”Bjorn Sjodin 表示，“而當風電、光伏等間歇性電源大量接入后，就會催生一系列全新的問題。”

電池和電機設計中的多物理場

Niloofar Kamyab 稱，這種全方位的工程仿真方法，還能帶來意想不到的收獲。例如，柏林汽車工程公司 IAV 正在研發一種動力系統，可在單個電池組中整合多種規格和化學體系的電池。“鈉離子電池的能量密度無法與鋰離子電池相比，因此他們將不同化學體系的電池混合使用，以兼顧各自的優勢，同時設計出適配所有體系的熱管理系統。”

IAV 的技術顧問 Jakob Hilgert 近期參與了 COMSOL 的行業案例研究，他在研究中詳細介紹了一種雙化學體系電池組的設計 —— 該電池組將鈉離子電池與成本更高的鋰固態電池相結合。

Jakob Hilgert 表示，借助多物理場仿真，IAV 團隊得以充分利用兩種化學體系的特性互補優勢。“如果部分電池適合在高溫下工作，而另一些適合低溫環境，那么將高溫工作電池的廢熱用于加熱低溫工作電池，反之亦然，會帶來顯著效益。這就是我們設計這套冷卻系統的核心思路 —— 將需要降溫的電池的熱量，轉移到需要升溫的電池上。”

Bjorn Sjodin 指出，IAV 的實踐反映了受 “全面電氣化” 影響的眾多行業的普遍趨勢。“算法的改進與硬件的升級相互疊加，這就是多物理場仿真的未來。它將支持我們對更大規模、更貼近現實的系統進行仿真。”

COMSOL 的 Vignesh Gurusamy 表示，GPU 加速器和代理模型的應用，讓電機的性能和效率實現了大幅躍升。即便是電機鐵芯中看似簡單的銅線繞組（稱為定子），其相關參數也能通過多物理場建模進行優化。

“電機研發的核心前沿是將功率密度和效率推向新高度，而熱管理已成為關鍵挑戰。”Vignesh Gurusamy 說，“耦合電磁與熱仿真的多物理場模型，能夠納入定子繞組和磁性材料的溫度相關特性。”

Nirmal Paudel 表示，仿真技術也在改變無線充電領域的格局。“傳統設計周期主要調整線圈幾何結構，而如今的集成多物理場平臺，讓新充電架構的探索成為可能，包括柔性充電織物和可實時適配的智能表面。”

Niloofar Kamyab 稱，電池技術仍在朝著更高功率密度和更低成本的方向發展。這不僅改變了消費電子、電動汽車等已有電池應用的行業，高容量電池還催生了電動垂直起降飛行器（eVTOL）等新產業。

“30 年前許多只是想法的概念如今能成為現實，正是因為我們有了足夠強大的電池來提供動力。”Niloofar Kamyab 說，“多年來，電池一直是制約這些技術落地的瓶頸。隨著電池技術的持續進步，誰也不知道接下來我們還能解鎖哪些新的技術和應用。”