バッテリーモデリングおよび設計ソリューション

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

バッテリー性能と安全性の最適化：サーマルマネジメント

バッテリー熱管理は、電気自動車の最適な性能と安全性にとって非常に重要です。理想的な温度範囲である 20 〜 30 °C で動作することにより、効率と出力が確保され、劣化が防止されます。高温はバッテリーの寿命や安全性を危険にさらし、熱暴走や爆発を引き起こす恐れがあります。効果的な熱管理システムを設計するには、 CFD や 1Dシステムモデリングなどのマルチフィジックスシミュレーションツールが必要です。これらのツールにより、設計オプション、運転状況、システム性能の信頼性を迅速に評価できます。シミュレーションはコスト効率がよく、これにより早期の段階で設計不良を排除でき、実機によるプロトタイプ試験への依存度を下げることができます。電気化学モデルを組み込んだ高い再現性を持つCFD解析により、正確な熱伝導と冷却システムの評価が可能になり、特別な施設や多くのバッテリー試作品による試験を必要とせずに、重量などの制約を考慮したシステムレベルの最適化が可能になります。

Hexagonのソリューション

• Cradle CFD：統合された電気化学セルによる熱流体シミュレーション
• Elements：1Dシステムモデリング、FMI/FMU による 3D CFD とのカップリング
• CoSim：マルチフィジックスコシミュレーション
• MSC Nastran：構造的な熱管理のための汎用ソリューション
• Marc：高度な非線形構造熱管理のための汎用ソリューション

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

バッテリーの耐久性と安全性：エクセレンスのためのシミュレーション

バッテリーは車両の動力源であるだけでなく、最も高価な部品でもあります。さらに、世界中の規制は、自動車メーカーに最高 10年の保証期間を設け、バッテリーを保護することを求めています。リコールキャンペーンは莫大な費用がかかり、関連モデルだけでなく、 潜在的なユーザーの OEM 車両全体に対する信頼性の喪失につながる可能性があるため、これらの要因はバッテリーの耐久性に対する大きなプレッシャーとなります。そこで、シミュレーション技術を幅広く活用し、設計上の欠陥の可能性を早期に発見することが非常に重要です。これらの技術は、実際のプロトタイプが利用できる前に、最も厳しい振動と温度レベルにバッテリーをさらすことを可能にし、問題点と脆弱な接続を直ちに特定し、実際の問題が発生する前に対策を講じることができます。

初期設計の検証はまた、下からの衝撃などの機械的損傷、通気キャップの数や位置の最適化などの熱からの問題の両方に関して、この重要なコンポーネントの安全性を保証することを可能にします。

Hexagonのソリューション

• より広い技術者への疲労解析の普及

統合された設計：パフォーマンスと効率性の向上

バッテリーは電気自動車のように複雑なシステムに電力を供給しますが、そのようなシステムの性能は複数のサブシステムと、それらの相互作用に依存します。システムレベルの統合は、設計の初期段階で適切な選択を行い、開発サイクルを加速させるためのキーとなります。Elements では、バッテリー、電気、管理、熱、機械、油圧などの多くの物理ドメインを 1 つのモデルに統合できます。これらのモデルは、ドライブのサイクル全体を数秒で実行できるため、複数のシナリオを実行して、要件に適したパラメータセットを見つけることができます。部品設計が具体化されたら、 Adamsと Cradle CFDから FMU を Elements に統合し、設計を検証することができます。Elements は開発サイクルの開始時と終了時の両方で、お客様のシステム統合ニーズに応えます。

Hexagonのソリューション

• マルチフィジックスシステムの統合とシミュレーション

充電式エネルギー貯蔵 システム (RESS) の製造

充電式エネルギーストレージシステム (RESS) の製造プロセスには、特殊で専門的な知識を必要とするいくつかの段階があります。設計段階は、システムに必要な仕様を決定するために重要です。次の工程は、電極、セパレータ、および電解質を密閉された容器に組み付けるなど、電池を構成する個々のセルの製造を含みます。これらのセルはモジュールとして組付けられ、保護用のケースに収められます。モジュールは、必要な電圧と容量を達成するために直列または並列に接続されます。最後にモジュールはバッテリーパックに組み込まれて完成し、最後にモジュールはバッテリーパックに組み込まれて完成し、必要な仕様を満たしているかテストされます。バッテリーパックが必要な品質基準を満たすことを保証するには、品質管理が重要です。

Hexagon ソリューションは、シミュレーション技術を用いて、材料、プロセス、パフォーマンス、コスト、品質を考慮した生産プロセスの検討を可能にします。

Hexagonのソリューション

• 製造プロセスをシミュレーションするためのソリューション
• 製造用途向けの汎用ソリューション

バッテリー検査および開発

自動車やその他の電動車両 (EV) で最も費用がかかり、安全性が重視される部品の 1 つにバッテリーがあります。これは車両の航続可能距離に最も大きな影響を与えます。品質が悪いと早期の劣化につながる可能性があります。現在、市場で最も一般的なのは、リチウムイオンバッテリー (LIB)です。その完全性は最新のバッテリー検査技術を使用し、最大限の信頼性で保証する必要があります。家電製品には、さらに高いエネルギー密度のバッテリーが必要です。最近の事故では、これらの機器の安全性も保証する必要があることが明らかになりました。

バッテリーにおいて確立された設計の創出は重要ですが、それに加えてバッテリーは研究対象としても注目されています。科学者はLIB のアノードとカソード材料を最適化するだけでなく、内部設計がまだ確立されていない全固体電池などの新しいコンセプトを探求することを目指しています。

Hexagonのソリューション

• ボリュームグラフィックスによるバッテリーのアノードオーバーハング形状の解析

仮想的に切断されたアノードオーバーハング形状の解析を伴う 18650 リチウムイオン電池セルのコンピュータ断層撮影スキャン。