模擬幫助工程師提高電池的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)新的電池技術(shù).在這篇博文中,我們將介紹來(lái)自3DFERMA平臺(tái)模擬電池的工程流程,并演示如何利用這些流程來(lái)創(chuàng)建高性能電池系統(tǒng)。

電池在我們的日常生活中變得越來(lái)越重要,從智能手機(jī)到電動(dòng)汽車(chē),再到大規(guī)模的電網(wǎng)存儲(chǔ)。隨著電氣化越來(lái)越普遍,電池的容量越來(lái)越大,成本和重量越來(lái)越低,壽命越來(lái)越長(zhǎng),需要有能力滿(mǎn)足嚴(yán)格的操作條件和安全標(biāo)準(zhǔn)。能夠滿(mǎn)足這些要求的公司將具有重大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

開(kāi)發(fā)改進(jìn)電池的過(guò)程始于電池級(jí)。電池是電池的基本單位,包括電極和電解質(zhì)。電池組是通過(guò)連接多個(gè)電池組而形成的,通常帶有附加的結(jié)構(gòu)、熱和控制元件。

模擬幫助工程師提高電池的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)新的電池技術(shù).在這篇博文中,我們將介紹?電池工程流程 來(lái)自 SIMULIA在 3DEXPERIENCE? platform并演示如何利用它們創(chuàng)建高性能電池系統(tǒng)。

電池工程的挑戰(zhàn)

在開(kāi)發(fā)電池系統(tǒng)時(shí),工程師必須考慮許多相互競(jìng)爭(zhēng)的設(shè)計(jì)要求。以下是電動(dòng)汽車(chē)的例子,但其他行業(yè)也有類(lèi)似的需要：

l能力(練習(xí)場(chǎng))：電池應(yīng)具有盡可能大的容量,以最大限度地減少充電頻率,并延長(zhǎng)設(shè)備的總體壽命。

l充電時(shí)間：電池充電越快,司機(jī)就能越早回到公路上去。

l重量：較輕的電池能更快地加速和提高能源效率。

l長(zhǎng)壽：汽車(chē)電池是一個(gè)昂貴的部件.延長(zhǎng)壽命會(huì)降低維護(hù)成本,增加轉(zhuǎn)售價(jià)值。

l溫度：充電和放電在電池內(nèi)部產(chǎn)生顯著的熱量,需要在炎熱的天氣下冷卻,在寒冷的天氣下加熱。

l安全：電池必須經(jīng)受住使用的壓力和震動(dòng),即使在碰撞中也要保持安全。

為了實(shí)現(xiàn)所有這些設(shè)計(jì)目標(biāo)并找到最佳的權(quán)衡,工程師不僅需要了解細(xì)胞在實(shí)驗(yàn)室中的行為,還需要了解它在實(shí)際操作條件下的表現(xiàn)。

最近電池工業(yè)的發(fā)展也使發(fā)展更具挑戰(zhàn)性。隨著產(chǎn)業(yè)的擴(kuò)大,供應(yīng)商和制造商創(chuàng)建了一個(gè)更加復(fù)雜的供應(yīng)鏈。開(kāi)發(fā)電池,規(guī)模制造,并將其集成到車(chē)輛或設(shè)備中,可能涉及從分子到系統(tǒng)的眾多參與者,每個(gè)參與者的操作都有不同的細(xì)節(jié)。老牌電池制造商面臨來(lái)自初創(chuàng)企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng),與汽車(chē)和能源等其他行業(yè)的合資企業(yè)越來(lái)越普遍。電池制造商正在探索固態(tài)電解質(zhì)和鈉離子電池等新技術(shù)。

為什么要模擬電池?

在沒(méi)有原型的虛擬雙胞胎上測(cè)試

模擬使工程師能夠應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn).通過(guò)模擬,工程師可以使用虛擬雙生模型分析電池的性能.這個(gè)電池的數(shù)字表示包括所有相關(guān)的數(shù)據(jù),如幾何學(xué),電極和電解質(zhì)的性質(zhì)及其相互作用,以精確的表示它的真實(shí)世界的行為。

虛擬雙胞胎需要捕捉復(fù)雜的電池的幾何形狀,如分層圓柱形("膠輥")設(shè)計(jì)。3DEXPERIENCE 體驗(yàn)電池電池工程解決方案，幫助設(shè)計(jì)分層3d電池電池的幾何形狀，并將它們轉(zhuǎn)換成詳細(xì),現(xiàn)實(shí)的模擬準(zhǔn)備模型。模擬后,細(xì)胞的各個(gè)方面,如溫度分布或離子濃度,都可以用3D可視化。

虛擬雙生子可以在任何開(kāi)發(fā)階段進(jìn)行分析,從設(shè)計(jì)階段的早期到構(gòu)建物理原型之前。這樣可以比較不同的概念并優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù),以確保設(shè)計(jì)在進(jìn)行特定設(shè)計(jì)之前符合要求。潛在的失敗風(fēng)險(xiǎn),昂貴的返工和項(xiàng)目延遲是最小的。

優(yōu)化電化學(xué)以提高性能

電池充電、儲(chǔ)存和放電的性能由其電化學(xué)性質(zhì)決定。這種復(fù)雜的多物理現(xiàn)象是由電池的三維結(jié)構(gòu)和電極與電解質(zhì)之間的相互作用決定的。用測(cè)試分析這些問(wèn)題是耗時(shí)的,而測(cè)量的局限性本身就限制了提供的洞察力。

電池電池工程解決方案提供了一種基于紐曼模型的擴(kuò)展的三維多孔電極理論(PET)來(lái)模擬電池在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的性能?？紤]到微尺度和宏觀尺度的細(xì)節(jié),這個(gè)模型建立了細(xì)胞內(nèi)的電化學(xué)模型。物理學(xué)的不同方面--結(jié)構(gòu)、熱、電化學(xué)和孔隙壓力--被考慮在一起.工程師可以在不同的機(jī)械和熱條件下分析不同收費(fèi)率下的充電/放電行為等因素。由于模擬是在三維,用戶(hù)也可以評(píng)估和預(yù)測(cè)三維行為,如厚度變形和應(yīng)力引起的腫脹。

確保實(shí)際情況下的安全

電池的設(shè)計(jì)是為了以便攜式的方式存儲(chǔ)高能量密度,例如在智能手機(jī)或電動(dòng)汽車(chē)中。因此,他們面臨許多困難和危險(xiǎn)的情況--極端的冷熱、彎曲、撞擊和滲透。電池需要抵御這些危險(xiǎn)--如果失敗,就應(yīng)該安全地失效。

模擬可以在虛擬環(huán)境中安全地復(fù)制危險(xiǎn)的現(xiàn)實(shí)世界場(chǎng)景。可以研究釘子穿透、車(chē)禍或熱失控等事件,而無(wú)需建造和摧毀物理原型的成本和風(fēng)險(xiǎn)。

使電池具有更長(zhǎng)的壽命和可靠性,成為更好的投資

隨著時(shí)間的推移(歷法)和反復(fù)使用(循環(huán)老化)電池。例如,當(dāng)電池?zé)o法使用時(shí),就會(huì)出現(xiàn)日歷老化,而每次電池充電或放電時(shí)都會(huì)發(fā)生循環(huán)老化。電池的花費(fèi)對(duì)電動(dòng)車(chē)的成本影響很大,而電池老化是電動(dòng)車(chē)迅速折舊和所有權(quán)增加的主要原因之一。如果電池能持續(xù)更長(zhǎng)的時(shí)間,電動(dòng)汽車(chē)將成為對(duì)司機(jī)和車(chē)隊(duì)管理人員更有吸引力的投資。

電池工程解決方案 3D 經(jīng)驗(yàn)平臺(tái)為模擬這些老化過(guò)程提供了全面的工作流。它可以模擬各種電池的老化機(jī)制,如合成和生長(zhǎng)的SEI,鋰電鍍,以及陰極的溶解。通過(guò)分析這些影響,工程師可以?xún)?yōu)化電池的使用壽命,生產(chǎn)客戶(hù)需要的更可靠的電池。

探索電池科學(xué)到細(xì)胞化學(xué)優(yōu)化 

太陽(yáng)能電池工程3DEXPERIENCE體驗(yàn)平臺(tái)將模擬多物理模擬工作流程與關(guān)鍵功能相結(jié)合?BIOVIA 化學(xué)和材料科學(xué)工程和?CATIA 做設(shè)計(jì)和建模。這些支持電池工程師一起設(shè)計(jì)、分析、優(yōu)化和驗(yàn)證使用3D虛擬雙胞胎電池。

所有流程階段都在同一環(huán)境中進(jìn)行：3DEXPERIENCE,為所有電池工程數(shù)據(jù)提供唯一的真實(shí)性來(lái)源。設(shè)計(jì)師、分析師和其他利益攸關(guān)方可以共享信息,并可靠和安全地協(xié)作。統(tǒng)一建模和模擬(MODSimM)有助于左轉(zhuǎn)移分析過(guò)程,使單元設(shè)計(jì)能夠更早地優(yōu)化,并有可能被識(shí)別和解決,確保一個(gè)更一致、無(wú)錯(cuò)誤和加速的設(shè)計(jì)周期。

電池電池工程工具中高度詳細(xì)的三維紐曼建模 3DEXPERIENCE是創(chuàng)建實(shí)際模擬電池?zé)岷碗娀瘜W(xué)行為的關(guān)鍵。這些模擬提供了關(guān)于細(xì)胞性能和年齡的最高質(zhì)量預(yù)測(cè),包括在不同條件下使用它的任何影響。微結(jié)構(gòu)模擬能夠深入分析電極內(nèi)部的材料特性。與此同時(shí),用機(jī)械模擬來(lái)測(cè)試電池在諸如熱應(yīng)力、機(jī)械壓痕或釘子穿透等事件中的行為,這樣工程師們就可以在電池的整個(gè)壽命期間設(shè)計(jì)出最佳的安全性。

結(jié)論

從智能手表和手機(jī)到電動(dòng)汽車(chē)和電網(wǎng)存儲(chǔ),電池性能是大小設(shè)備成功的關(guān)鍵。這種性能是由電池內(nèi)的電化學(xué)和多物理相互作用決定的。開(kāi)發(fā)高效、安全和競(jìng)爭(zhēng)的電池需要了解電池復(fù)雜的三維行為。

達(dá)索系統(tǒng)提供了一個(gè)完整的電池工程解決方案 3DEXPERIENCE。該解決方案將最佳設(shè)計(jì)和模擬解決方案集成到工作流中。使用這些工具,電池設(shè)計(jì)師可以從辦公桌的舒適性來(lái)準(zhǔn)確分析電池性能,而不必制作物理原型。

以及電池工程解決方案 3DEXPERIENCE、電池制造商可以在開(kāi)發(fā)周期內(nèi)促進(jìn)所有利益相關(guān)者之間的協(xié)作和左移分析?？梢约霸缃鉀Q潛在的安全和效率問(wèn)題,而不需要大量的重新設(shè)計(jì)造成延誤和成本超支。通過(guò)仿真,電池電池制造商可以開(kāi)發(fā)創(chuàng)新的、有競(jìng)爭(zhēng)力的新產(chǎn)品,同時(shí)降低研發(fā)成本和時(shí)間到市場(chǎng)。