Simcenter
Battery Design Studio

시뮬레이션을 사용하여 혁신을 추구하고 계십니까? HEEDS를 사용하면 패러다임을 변경하여 이러한 혁신을 수행할 수 있습니다. 더 이상 성능 하나만을 평가하기 위해 설계를 시작하고 시뮬레이션을 사용하지 않아도 됩니다. 이제 원하는 성능을 정의하고 HEEDS 및 시뮬레이션 툴을 사용하여 양질의 설계를 확인할 수 있습니다.

HEEDS는 엔지니어링 설계 공간 탐색 프로세스를 자동화하고 가속화합니다. 간단한 컴포넌트나 복잡한 다중 분야 간 시스템의 성능을 개선해야 하는 상황이든 상관없이, HEEDS는 요구 사항을 최상으로 충족하는 설계 구성을 찾기에 충분한 유연성을 제공합니다.

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주요 특징

상세한 기하학적 셀 사양 : 엔지니어는 셀의 모든 기하학적 특성을 모델링할 수 있습니다. 여기에는 셀의 크기, 모양, 재료, 구성 요소 등이 포함됩니다.

셀 성능 시뮬레이션 : 엔지니어는 셀의 전기, 열, 기계적 성능을 시뮬레이션할 수 있습니다. 여기에는 전압, 전류, 용량, 온도, 응력 등이 포함됩니다.

다양한 성능 모델 : Simcenter Battery Design Studio는 다양한 수준의 성능 모델을 제공합니다. 물리 기반 매크로 균질 모델은 셀의 전기 화학 메커니즘에 대한 통찰력을 제공합니다. 등가 RCR 회로 모델은 셀의 동작을 보다 효율적으로 모델링합니다.

왜 Simcenter Battery Design Studio를 사용해야 할까요?

Simcenter Battery Design Studio는 엔지니어가 상세한 기하학적 셀 사양과 셀 성능 시뮬레이션을 통해 리튬 이온 셀 설계를 디지털 방식으로 검증할 수 있도록 지원합니다. 배터리 셀의 광범위한 컴포넌트 뿐만 아니라 재료 데이터베이스도 제공되므로 모델 개발에도 유용합니다.

디지털 방식의 설계 검증
상세한 기하학적 전지 사양 및 전지 성능 시뮬레이션을 통해 리튬 이온 전지 설계를 디지털 방식으로 검증합니다. 모델 개발을 지원하는 배터리 셀의 광범위한 컴포넌트와 재료 데이터베이스에 액세스할 수 있습니다.

성능 모델링 활용
Simcenter Battery Design Studio는 전지의 전기 화학 메커니즘에 대한 통찰력을 얻기 위한 물리 기반 매크로 균질 모델과 전지의 동작을 매우 효과적인 방식으로 모델링하는 경험적 접근 방식인 등가 RCR 회로 모델 등 여러 수준의 성능 모델을 제공합니다.

최적화된 의사 결정
Simcenter Battery Design Studio를 사용하여 추가적으로 이해한 내용은 설계 의사 결정과 시스템 성능에 미치는 영향을 더욱 정확하게 고려하는 데 도움이 됩니다. 당사의 솔루션은 실현 가능한 선택을 최적화할 수 있도록 지원합니다.

하이라이트

셀 설계 적용 사례

셀 크기 및 비용
화학 선택
가상 테스트
에이징 모델링
배터리 오남용 모델링 (열폭주)

항공 운송
전기 자동차 (PHEV, BEV)
소비자 전자제품
군사 및 항공 우주
오프로드 차량
모터사이클
고성능 차량
세미 트럭
해양
철도
농기계
건설장비

주요 기능
물리적 셀 설명

imcenter Battery Design Studio의 첫 번째 단계는 셀 구성 요소의 형상과 특성을 지정하는 것입니다. 팀 책임에 따라 액세스할 수 있거나 셀 공급업체에서 제공하거나 구성요소 리버스 엔지니어링을 통해 얻을 수도 있습니다.

Simcenter Battery Design Studio는 리튬이온 배터리 구성 요소에 대한 표준화된 사양을 제공합니다. 사용자는 파우치, 원통형 또는 각형에서 셀 모양을 선택한 다음 전극, 탭, 집전체 디자인 등과 같은 개별 구성 요소를 선택할 수 있습니다. 각 구성 요소는 전극의 중앙 탭 디자인과 같은 특성을 사용하여 보다 세밀하게 정의되거나 집전체의 재료 및 두께와 목록이 계속해서 셀을 완전히 구성합니다.

일반적으로 혼합물 공식이 알려진 경우 정확한 값은 처음부터 추측하는 경우가 많습니다. 그러나 문헌이나 실험적 특성화에서 얻을 수 있는 활물질 평형 전압 곡선에서 시작하여 사용자는 혼합물을 조정하여 저전류 방전 곡선에 잘 맞도록 하고 매우 정확한 용량 상관 관계를 얻을 수 있습니다. 계산된 '빌드 보고서'는 예를 들어 셀의 최종 에너지 밀도 또는 무게를 확인하여 항목을 검증하는 데 매우 유용할 수도 있습니다.

사용자는 또한 젤리 롤 섹션의 그래픽 출력을 자동으로 생성하여 전극 권선이 예상대로인지 검토할 수도 있습니다.

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셀 성능 시뮬레이션

Simcenter Battery Design Studio는 여러 수준의 성능 모델을 제공합니다. 즉, 셀의 듀티 사이클 중 전압 손실 메커니즘과 같은 셀의 전기화학적 메커니즘에 대한 통찰력을 얻거나 전극 전체의 농도 또는 열 발생 분포를 이해하기 위한 물리학 기반의 거시 균질 모델입니다. ; 그리고 등가 RCR 회로 모델은 매우 효과적인 계산 방식으로 셀의 동작을 모델링하는 경험적 접근 방식입니다.

시뮬레이션은 또한 전위 분포, 전극 전체의 탭 근처에 집중된 전류 밀도 측면에서 셀 내부에서 무슨 일이 일어나고 있는지 알려줄 수 있습니다.

전에 대한 셀 전류 밀도 분포

그렇다면 저나 Siemens 엔지니어링 서비스 팀으로서의 저의 배경을 아시거나 Simcenter SPEED 소프트웨어 에 대한 저의 이전 게시물을 읽으셨다면 제 다음 질문이 무엇인지 아실 것입니다. 이러한 모델 기반 시스템 엔지니어링 접근 방식의 실제 예상 결과는 무엇입니까? 답변: 개발 주기를 통해 시스템 성능에 대한 디자인 선택의 프런트로드 영향을 이해하고 파악하십시오. 귀하의 도구는 귀하가 최적화되고 실행 가능한 선택을 할 수 있도록 지원해야 합니다.

예를 들어, Saft 회사가 Simcenter Battery Design Studio를 사용하여 고에너지 양극 셀을 설계하는 방법을 보여주는 Silicon-Graphite 셀에 대한 온디맨드 웨비나를 시청해 보세요.

하지만 귀하의 시스템뿐만이 아닙니다. 병렬/직렬 셀 모듈과 배터리 팩 주변 요소 간의 상호 작용도 고려해야 합니다.

다중 물리학 소프트웨어와의 원활한 연결

이를 위해 우리는 일반적으로 고객에게 Simcenter Battery Design Studio를 사용하여 팩의 3D 전열 시뮬레이션 전용 셀 전압 동작을 나타내는 RCR 경험적 모델을 생성할 것을 권장합니다. 물리학 기반 모델을 사용할 수 있지만 RCR 경험적 모델은 결과의 특정 정확성을 유지하면서 계산 비용을 개선하고 배터리 모듈 수준에서 작업하는 비전문가 사용자에게 더 적합합니다. 따라서 HPPC 테스트(셀 SOC, 온도 및 전류에 따라 달라지는 저항을 특성화하기 위한 방전 및 재생 펄스)는 합성 또는 측정에서 입력 데이터로 사용되며 Simcenter Battery Design Studio는 RCR 3D 경험적 모델 매개변수를 자동으로 생성하여 매우 계산적으로 효율적인 방식으로 Simcenter STAR-CCM+ 내에서 배터리 팩의 3D 동작 모델에 사용됩니다 .

위에 언급된 두 Simcenter Portfolio 소프트웨어 간의 연결은 Simcenter Battery Design Studio 출력 파일인 TBM(텍스트 배터리 모델) 파일을 통해 수행됩니다. TBM 파일은 Simcenter STAR-CCM+의 배터리 시뮬레이션 모듈 애드온에서 원하는 배터리 모듈 3D 모델을 구축하는 데 사용됩니다. Simcenter STAR-CCM+의 형상, 셀 성능 모델 및 열 솔버를 결합함으로써 배터리 모듈 엔지니어는 과도 시나리오에서 전체 배터리 팩의 전열 시뮬레이션을 실행할 수 있습니다.

사용자는 버스 바, 전기 절연 패드, 냉각 채널 및 배터리 케이스와 같은 배터리 팩의 다른 구성 요소 부분을 추가하고(STAR-CCM+ 3D-CAD 또는 타사 CAD 소프트웨어 사용) 자동 메싱을 수행하고 지정할 수 있습니다. 재료/냉각수 특성.

마지막 단계는 듀티 사이클 또는 응용 분야의 모든 종류의 전류 과도 여기 프로필 기능에 대한 과도 시뮬레이션을 수행하는 것입니다. 다음은 25degC 환경 온도 및 일정한 냉각 펌프 속도에서 US06 사이클에 대한 배터리 모듈 온도 분포 결과의 예입니다.

액체 냉각판 상단에 18650개의 셀이 배치된 4P12S 모듈의 예(여기에는 표시되지 않음) 결과는 냉각 시스템이 조화로운 온도 분포를 유지할 수 없기 때문에 모듈 전반에 걸쳐 큰 온도 구배를 보여줍니다.

목표는 통합 설계를 검증하고 문제가 발생할 수 있는 하드웨어 중에 시간을 낭비하지 않고 배터리 모듈의 다중 물리 '디지털 트윈'을 사용하여 개발 주기에서 가능한 결함, 원치 않는 제어 동작 또는 안전 문제를 초기에 감지하는 것입니다. 과정에서 너무 늦게 발견되었습니다.

자동화된 설계 공간 탐색 및 최적화

이러한 시뮬레이션 결과를 바탕으로 엔지니어는 셀 수준에서 설계 공간 탐색 연구를 시작하여 용량을 최대화할 수 있습니다. 예를 들어 고정 팩 설계를 고려하면서 셀 화학에 대해 작업하거나, 배터리 모듈 수준에서 형상 및 특성에 대해 작업하는 등의 작업을 수행할 수 있습니다. 이러한 설계 공간 탐색 연구는 Simcenter STAR-CCM+의 일부인 Design Manager 와 Simcenter Portfolio의 HEEDS 소프트웨어 일부를 사용하여 수행할 수 있습니다. 이것이 제가 디지털 트윈 매직이라고 부르는 것입니다. 시뮬레이션 엔지니어는 다중 속성 성능의 균형을 맞추고 시스템 제약 조건을 존중하기 위해 수백 가지 설계를 반자동으로 효율적이고 안전하게 탐색할 수 있습니다.

비효율적인 냉각수 흐름 분포로 인해 배터리 모듈 전체에 온도가 잘 분산되지 않아 위의 배터리 팩 열 성능이 향상될 수 있다는 것을 빠르게 확인할 수 있습니다. 이는 확실히 과열된 셀의 전기적 성능에 영향을 미치고 심지어 셀 수명을 손상시킬 수도 있습니다. 또는 안전.

아래에는 설계 탐색 입력, 채널 직경, 채널 수, 냉각수 유량 전략과 같은 변수를 설정한 연구 예가 나와 있습니다. 설계 탐구 목적을 위해 젤리롤의 셀 온도 차이를 2°C 미만으로 설정하고 압력 강하 감소를 설정했습니다. 모듈에 대한 향상된 온도 균질성을 보여주는 연구 결과를 아래에서 볼 수 있습니다.

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