模拟帮助工程师提高电池的设计和开发新的电池技术.在这篇博文中,我们将介绍来自3DFERMA平台模拟电池的工程流程,并演示如何利用这些流程来创建高性能电池系统。

电池在我们的日常生活中变得越来越重要,从智能手机到电动汽车,再到大规模的电网存储。随着电气化越来越普遍,电池的容量越来越大,成本和重量越来越低,寿命越来越长,需要有能力满足严格的操作条件和安全标准。能够满足这些要求的公司将具有重大的竞争优势。

开发改进电池的过程始于电池级。电池是电池的基本单位,包括电极和电解质。电池组是通过连接多个电池组而形成的,通常带有附加的结构、热和控制元件。

模拟帮助工程师提高电池的设计和开发新的电池技术.在这篇博文中,我们将介绍?电池工程流程 来自 SIMULIA在 3DEXPERIENCE? platform并演示如何利用它们创建高性能电池系统。

电池工程的挑战

在开发电池系统时,工程师必须考虑许多相互竞争的设计要求。以下是电动汽车的例子,但其他行业也有类似的需要：

l能力(练习场)：电池应具有尽可能大的容量,以最大限度地减少充电频率,并延长设备的总体寿命。

l充电时间：电池充电越快,司机就能越早回到公路上去。

l重量：较轻的电池能更快地加速和提高能源效率。

l长寿：汽车电池是一个昂贵的部件.延长寿命会降低维护成本,增加转售价值。

l温度：充电和放电在电池内部产生显著的热量,需要在炎热的天气下冷却,在寒冷的天气下加热。

l安全：电池必须经受住使用的压力和震动,即使在碰撞中也要保持安全。

为了实现所有这些设计目标并找到最佳的权衡,工程师不仅需要了解细胞在实验室中的行为,还需要了解它在实际操作条件下的表现。

最近电池工业的发展也使发展更具挑战性。随着产业的扩大,供应商和制造商创建了一个更加复杂的供应链。开发电池,规模制造,并将其集成到车辆或设备中,可能涉及从分子到系统的众多参与者,每个参与者的操作都有不同的细节。老牌电池制造商面临来自初创企业的竞争,与汽车和能源等其他行业的合资企业越来越普遍。电池制造商正在探索固态电解质和钠离子电池等新技术。

为什么要模拟电池?

在没有原型的虚拟双胞胎上测试

模拟使工程师能够应对这些挑战.通过模拟,工程师可以使用虚拟双生模型分析电池的性能.这个电池的数字表示包括所有相关的数据,如几何学,电极和电解质的性质及其相互作用,以精确的表示它的真实世界的行为。

虚拟双胞胎需要捕捉复杂的电池的几何形状,如分层圆柱形("胶辊")设计。3DEXPERIENCE 体验电池电池工程解决方案，帮助设计分层3d电池电池的几何形状，并将它们转换成详细,现实的模拟准备模型。模拟后,细胞的各个方面,如温度分布或离子浓度,都可以用3D可视化。

虚拟双生子可以在任何开发阶段进行分析,从设计阶段的早期到构建物理原型之前。这样可以比较不同的概念并优化设计参数,以确保设计在进行特定设计之前符合要求。潜在的失败风险,昂贵的返工和项目延迟是最小的。

优化电化学以提高性能

电池充电、储存和放电的性能由其电化学性质决定。这种复杂的多物理现象是由电池的三维结构和电极与电解质之间的相互作用决定的。用测试分析这些问题是耗时的,而测量的局限性本身就限制了提供的洞察力。

电池电池工程解决方案提供了一种基于纽曼模型的扩展的三维多孔电极理论(PET)来模拟电池在现实环境中的性能?？悸堑轿⒊叨群秃旯鄢叨鹊南附?这个模型建立了细胞内的电化学模型。物理学的不同方面--结构、热、电化学和孔隙压力--被考虑在一起.工程师可以在不同的机械和热条件下分析不同收费率下的充电/放电行为等因素。由于模拟是在三维,用户也可以评估和预测三维行为,如厚度变形和应力引起的肿胀。

确保实际情况下的安全

电池的设计是为了以便携式的方式存储高能量密度,例如在智能手机或电动汽车中。因此,他们面临许多困难和危险的情况--极端的冷热、弯曲、撞击和渗透。电池需要抵御这些危险--如果失败,就应该安全地失效。

模拟可以在虚拟环境中安全地复制危险的现实世界场景。可以研究钉子穿透、车祸或热失控等事件,而无需建造和摧毁物理原型的成本和风险。

使电池具有更长的寿命和可靠性,成为更好的投资

随着时间的推移(历法)和反复使用(循环老化)电池。例如,当电池无法使用时,就会出现日历老化,而每次电池充电或放电时都会发生循环老化。电池的花费对电动车的成本影响很大,而电池老化是电动车迅速折旧和所有权增加的主要原因之一。如果电池能持续更长的时间,电动汽车将成为对司机和车队管理人员更有吸引力的投资。

电池工程解决方案 3D 经验平台为模拟这些老化过程提供了全面的工作流。它可以模拟各种电池的老化机制,如合成和生长的SEI,锂电镀,以及阴极的溶解。通过分析这些影响,工程师可以优化电池的使用寿命,生产客户需要的更可靠的电池。

探索电池科学到细胞化学优化 

太阳能电池工程3DEXPERIENCE体验平台将模拟多物理模拟工作流程与关键功能相结合?BIOVIA 化学和材料科学工程和?CATIA 做设计和建模。这些支持电池工程师一起设计、分析、优化和验证使用3D虚拟双胞胎电池。

所有流程阶段都在同一环境中进行：3DEXPERIENCE,为所有电池工程数据提供唯一的真实性来源。设计师、分析师和其他利益攸关方可以共享信息,并可靠和安全地协作。统一建模和模拟(MODSimM)有助于左转移分析过程,使单元设计能够更早地优化,并有可能被识别和解决,确保一个更一致、无错误和加速的设计周期。

电池电池工程工具中高度详细的三维纽曼建模 3DEXPERIENCE是创建实际模拟电池热和电化学行为的关键。这些模拟提供了关于细胞性能和年龄的最高质量预测,包括在不同条件下使用它的任何影响。微结构模拟能够深入分析电极内部的材料特性。与此同时,用机械模拟来测试电池在诸如热应力、机械压痕或钉子穿透等事件中的行为,这样工程师们就可以在电池的整个寿命期间设计出最佳的安全性。

结论

从智能手表和手机到电动汽车和电网存储,电池性能是大小设备成功的关键。这种性能是由电池内的电化学和多物理相互作用决定的。开发高效、安全和竞争的电池需要了解电池复杂的三维行为。

达索系统提供了一个完整的电池工程解决方案 3DEXPERIENCE。该解决方案将最佳设计和模拟解决方案集成到工作流中。使用这些工具,电池设计师可以从办公桌的舒适性来准确分析电池性能,而不必制作物理原型。

以及电池工程解决方案 3DEXPERIENCE、电池制造商可以在开发周期内促进所有利益相关者之间的协作和左移分析。可以及早解决潜在的安全和效率问题,而不需要大量的重新设计造成延误和成本超支。通过仿真,电池电池制造商可以开发创新的、有竞争力的新产品,同时降低研发成本和时间到市场。