Soluzioni di modellazione e progettazione delle batterie

Optimise Batteries Design with Electrochemical and Mechanical Simulations

The materials and manufacturing processes involved in battery fabrication play a pivotal role in determining their performance, safety, and lifespan. From electrode composition to microstructure optimisation, every component and process step influences the battery's overall efficiency. Understanding and fine-tuning these factors are essential for advancing battery technology and meeting the growing demand for high-performance energy storage solutions.

Digimat offers a groundbreaking platform for simulating both the electrochemical and mechanical performance of batteries. By accounting for the diverse material properties of battery components and the intricacies of the manufacturing process, engineers can now design optimised solutions with unmatched precision. The tool’s ability to virtually assess and enhance battery performance ensures faster development cycles and reduced costs, empowering manufacturers to innovate with confidence.

Thanks to the partnership with Fraunhofer ITWM, the integration of the "Battery and Electrochemistry Simulation Tool" (BEST) within Digimat adds immense value to electrochemical simulations. BEST enables precise modelling of critical phenomena like ion transport, conductivity, and overpotential contributions. Engineers can use these insights to optimise battery designs, achieving significant performance improvements while minimizing costly trial-and-error experimentation.

Hexagon solutions

• Digimat-FE: Digitalise materials to accelerate their development based on a deeper understanding
• HxGN Digital Materials: Unlocking the power of materials

Ottimizzazione delle prestazioni e della sicurezza delle batterie: Gestione termica

La gestione termica delle batterie è cruciale per ottenere prestazioni e sicurezza ottimali nei veicoli elettrici. Operare all'interno dell'intervallo di temperatura ideale di 20-30 °C garantisce efficienza, potenza e previene la degradazione. Le alte temperature mettono a rischio la durata e la sicurezza della batteria, causando runaway termico e potenziali esplosioni. Per progettare un sistema di gestione termica efficace, gli ingegneri necessitano di strumenti di simulazione multifisica come la CFD e la modellazione di sistemi in 1-D. Questi strumenti consentono una rapida valutazione delle opzioni di design, degli scenari operativi e garantiscono affidabilità nelle prestazioni del sistema. Le simulazioni sono economicamente vantaggiose, eliminano i progetti inefficaci in fase precoce e riducono la dipendenza dai prototipi fisici. I metodi CFD ad alta fedeltà e i modelli elettrochimici integrati assicurano una precisa valutazione della propagazione termica e del sistema di raffreddamento. Le simulazioni permettono un'ottimizzazione a livello di sistema, considerando vincoli come il peso, senza richiedere strutture specializzate o la distruzione di prototipi di batteria.

Soluzioni Hexagon

• Cradle CFD: simulazioni fluido-termiche con elettrochimica delle celle integrata
• Elements: modellazione di sistemi 1D; accoppiamento con CFD 3D tramite FMI/FMU
• CoSim: co-simulazione multifisica
• MSC Nastran: soluzione general-purpose per la gestione termica strutturale
• Marc: soluzione general-purpose per la gestione termica strutturale non lineare avanzata

Battery safety

Battery safety is a key factor that must be evaluated as early as possible in the design process of a new battery module/pack. In this phase, simulation becomes a very powerful tool because it allows us to quickly investigate how the designers can better deal with severe phenomena such as thermal runaway. Thermal runaway is characterized by the transition of a battery cell into a self-heating state which can lead to a thermal chain reaction that quickly propagates to adjacent cells and eventually to the entire battery module/pack, becoming potentially a life-threatening risk for passengers. Instead of running expensive and dangerous physical tests, propagation of thermal runaway can be efficiently simulated with CFD analysis considering the actual battery cell physical properties by using Accelerating Rate Calorimetry (ARC) test data. These allow to accurately and efficiently characterize the heat generation within a cell during the self-heating state of a thermal runaway. Once cells properties have been set, a simulation of the entire battery module/pack can be carried out for various designs of battery module/pack and various scenarios of thermal runaway event, analyzing the extensions and temperature reached in the impacted area and help designing countermeasures to reduce the risk of propagation and mitigate the damages to the vehicle and its occupants.

Hexagon solutions

Sicurezza e operatività delle batterie: simulare per ottenere l'eccellenza

Le batterie non sono solo la fonte di alimentazione del veicolo, ma sono anche il componente più costoso. Inoltre, le normative globali richiedono ai produttori di automobili di proteggere le batterie con garanzie che possono arrivare fino a 10 anni. Questi fattori pongono la durabilità della batteria sotto enorme pressione, poiché le campagne di richiamo possono essere estremamente costose e possono portare alla perdita di fiducia da parte dei potenziali clienti per l'intera gamma di veicoli dell'OEM, non solo per i modelli coinvolti. È quindi di fondamentale importanza scoprire anticipatamente eventuali difetti di progettazione mediante l'uso estensivo di tecniche di simulazione. Queste tecniche permettono, ben prima della disponibilità di qualsiasi prototipo reale, di esporre le batterie ai livelli di vibrazioni e temperature più severi; punti caldi e connessioni deboli possono essere immediatamente identificati e contromisure adottate prima che sorga qualsiasi problema reale.

Le valutazioni preliminari al design consentono anche di garantire la sicurezza di questo componente critico sia in termini di abuso meccanico, ad esempio, impatto dal basso, sia termico, ad esempio, ottimizzando il numero e le posizioni dei cappucci di ventilazione.

Soluzioni Hexagon

• Rendere disponibile a tutti l'analisi a fatica

Progettazione integrata: migliorare le prestazioni e l'efficienza

Le batterie alimentano sistemi complessi come i veicoli elettrici, dove le prestazioni del sistema dipendono da molteplici sottosistemi e dal modo in cui interagiscono tra loro. L'integrazione a livello di sistema è fondamentale per fare le scelte giuste nelle fasi iniziali della progettazione per accelerare il ciclo di sviluppo. Con Elements è possibile integrare batterie, sistemi elettrici, controlli, termici, meccanici, idraulici e molti altri domini fisici in un unico modello. Questi modelli possono eseguire interi cicli di guida in pochi secondi, permettendoti di eseguire molteplici scenari per trovare il giusto insieme di parametri che soddisfino le tue esigenze. Una volta che i progetti dei componenti sono definiti, è possibile integrare FMU da Adams e Cradle CFD in Elements per validare i tuoi progetti. Elements copre le tue esigenze di integrazione di sistema in entrambe le fasi del ciclo di sviluppo.

Soluzioni Hexagon

• Integrazione e simulazione di sistemi multifisica

Produzione di sistemi di accumulo energetico ricaricabili (RESS)

Il processo di produzione dei sistemi di accumulo energetico ricaricabili (RESS) comprende diverse fasi che richiedono conoscenze e competenze specializzate. La fase di progettazione è cruciale per determinare le specifiche necessarie nel sistema. Il passo successivo coinvolge la produzione delle singole celle che compongono la batteria, incluso l'assemblaggio degli elettrodi, del separatore e dell'elettrolita in un contenitore sigillato. Le celle vengono poi assemblate in moduli che sono racchiusi in un involucro protettivo. I moduli vengono collegati in serie o in parallelo per ottenere la tensione e la capacità desiderate. Infine, i moduli vengono assemblati in un pacchetto batteria completo, che viene sottoposto a test per assicurare che soddisfi le specifiche richieste. Il controllo della qualità è fondamentale per garantire che il pacchetto batteria rispetti gli standard di qualità richiesti.

Le soluzioni di Hexagon permettono agli ingegneri di utilizzare la simulazione per testare virtualmente il processo produttivo, considerando il materiale, il processo, le prestazioni, il costo e la qualità.

Soluzioni Hexagon

• Soluzioni per la simulazione dei processi di produzione
• Soluzione polivalente per applicazioni di produzione

Ispezione e sviluppo delle batterie

Una delle componenti più costose e critiche per la sicurezza nelle auto e altri veicoli elettrificati (EV) è la batteria. Questa ha infatti la maggiore influenza sull'autonomia del veicolo e una qualità scadente può portare a una rapida degradazione. Attualmente, le batterie agli ioni di litio (LIB) sono le più comuni sul mercato. La loro integrità deve essere garantita con la massima affidabilità utilizzando le più recenti tecnologie di ispezione delle batterie. L'elettronica di consumo richiede batterie con densità energetiche ancora maggiori. Incidenti nel recente passato hanno dimostrato che anche la sicurezza di questi dispositivi deve essere garantita.

Oltre alla produzione di design consolidati, le batterie sono anche un argomento caldo nella ricerca. Le sfide nella ricerca e sviluppo spaziano dal design delle batterie alla caratterizzazione microstrutturale dei componenti. Gli scienziati mirano a ottimizzare i materiali di anodo e catodo delle LIB, così come a esplorare nuovi concetti come le batterie allo stato solido, dove un design interno fisso non è ancora stato stabilito.

Soluzioni Hexagon

• Analisi del sopravanzo dell'anodo della batteria con Volume Graphics

Scansione tomografica computerizzata di una cella di batteria Li-Ion 18650 virtualmente sezionata con analisi della regione di sopravanzo dell'anodo