我們專注於直面挑戰，提供強大且創新的解決方案，確保每一項技術都經過精心優化，以實現卓越的品質與性能。

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Material exploration：透過電化學與機械性質模擬優化電池設計

電動車電池 的材料選擇與製造工藝對其性能、安全性和壽命具有關鍵影響。從電極成分到微觀結構的優化，每一個元件與製程步驟都決定了電池的整體效率。因此，深入理解並精確調整這些因素，對於推動電池技術進步與滿足高效能儲能需求至關重要。

Digimat 提供突破性的模擬平台，能同時分析電池的電化學與機械性質。該工具考慮了電池各組件的多樣材料特性與製造過程的複雜性，使 CAE工程師 能夠精確設計最佳解決方案。其虛擬測試與性能優化能力，不僅能縮短開發週期、降低成本，還能幫助製造商以更高的信心推動創新。

透過與Fraunhofer ITWM合作，Digimat整合了「電池與電化學模擬工具」(Battery and Electrochemistry Simulation Tool , BEST)，進一步強化電化學模擬功能。BEST 能夠精確建模離子傳輸、導電性與過電位等關鍵現象，幫助工程師優化電池設計，在提升性能的同時，大幅減少傳統試錯實驗的成本與時間。

MSCOne 解決方案

• Digimat-FE：數位化材料，深入理解以加速其開發
• HxGN Digital Materials：釋放材料潛能，推動創新發展

Thermal management：熱管理優化電池性能

電動車電池熱管理對於電動車的性能與安全至關重要，將電池維持在理想溫度範圍 20-30°C，可確保高效運行、穩定功率輸出，並減少電池老化。然而，過高的溫度會縮短電池壽命，甚至導致熱失控，增加爆炸風險。因此，設計高效的熱管理系統越來越受到重視，這會需要多物理場模擬工具（如CFD計算流體力學工具與1D系統建模）進行輔助開發，藉此優化電池性能。

這些模擬工具可快速評估設計選項與運行場景，確保系統性能的可靠性，模擬不僅降低開發成本，還能在設計初期排除低效方案，減少對實體原型機的依賴。高精度的CFD模擬，結合廣受認可的電化學電池模型（如P2D Doyle-Fuller-Newman模型或高效的等效電路模型），能夠準確預測熱產生、熱傳播及冷卻系統性能。

此外，透過FMI（Functional Mockup Interface），可與來自第三方的FMU（Functional Mockup Unit）進行整合，進一步提升電池模型的準確性。這些模擬技術可在系統層級進行最佳化，例如在不影響性能的前提下降低重量，且無需破壞電池原型或搭建昂貴的專業測試設備。

MSCOne 解決方案

• Cradle CFD：熱流體模擬，整合電池電化學分析
• Elements：1D 系統建模，支援與 3D CFD 的 FMI/FMU 耦合
• CoSim：多物理場聯合模擬

Battery safety：電池安全性

電動車電池安全性是全新電池模組/電池包設計過程中必須儘早評估的關鍵因素，在這一階段，模擬技術成為強大的工具，幫助設計師快速分析並應對熱失控等嚴重問題。

熱失控指的是電池單元進入自發加熱狀態，可能引發熱鏈反應，迅速擴散至鄰近電池單元，進而影響整個電池模組/電池包，對乘客構成潛在的生命威脅。與其進行昂貴且危險的物理測試，不如利用 CFD（計算流體力學）分析來高效模擬熱失控的傳播過程。這些模擬可基於加速速率熱量計（ARC）測試數據，準確考量電池單元的實際物理特性，以精確模擬熱失控狀態下的熱量產生與傳播行為。

在確定電池單元特性後，即可針對不同的電池模組/電池包設計與各種熱失控情境進行模擬分析，評估影響範圍與溫度分布，並幫助設計有效的防護措施，以降低傳播風險，減少對車輛與乘客的潛在危害。

MSCOne 解決方案

• Cradle CFD：熱流體模擬，整合電池電化學分析
• CoSim：多物理場聯合模擬
• Marc：針對非線性結構與熱管理的通用解決方案

Durability and integrity：電池耐用性與安全性

電動車電池不僅是車輛的動力來源，也是成本最高的元件。此外，全球各地的法規要求車廠為電池提供長達10 年的保固，使電池的耐用性承受極大壓力。電池召回不僅成本高昂，還可能損害消費者對整個車系的信任，不僅限於受影響的車型。因此，及早發現潛在設計缺陷至關重要，而廣泛應用模擬技術便是關鍵解方。

透過模擬技術，即使在尚未製造實體原型前，也能讓電池經受最嚴苛的振動與溫度變化測試，快速識別熱點與薄弱連接點，並及早採取補救措施，以防止實際問題發生。

早期設計探索也能確保這一關鍵元件的安全性，無論是機械衝擊（例如來自車底的撞擊），還是熱管理（例如最佳化排氣閥的數量與位置），都能透過模擬技術進行最佳化，確保電池系統的可靠性與安全性。

MSCOne 解決方案

• CAEFatigue：普及化的疲勞分析技術，讓更廣泛的工程師能夠高效進行電池耐用性評估
• MSC Nastran：通用的結構模擬解決方案

System level integration：整合式設計，提升性能與效率

電動車電池為電動車等複雜系統提供動力，而系統的整體性能取決於各子系統之間的互動。因此，系統級整合是早期設計階段做出正確決策的關鍵，能夠加速開發週期並提升設計效率。

在整合式設計 Elements 平台中，您可以將電池、電氣系統、控制、熱管理、機械、液壓等多個物理領域整合到單一模型中。這些模型能夠在數秒內運行完整的駕駛循環測試，讓您能夠快速模擬多種情境，找出符合需求的最佳參數組合。

當元件設計完成後，您還可以將來自 Adams 和 Cradle CFD 的 FMU（Functional Mockup Unit） 整合至 Elements，進行設計驗證，確保系統在不同條件下的穩定性與可靠性。無論是開發初期的概念設計，還是後期的系統驗證，Elements 都能滿足您的系統整合需求，讓開發流程更加順暢高效。

MSCOne 解決方案

• Elements：1D 系統建模，支援與 3D CFD 的 FMI/FMU 耦合
• Cradle CFD：熱流體模擬，支持FMI/FMU耦合
• Adams：多體動力學模擬

Manufacturing：電池製造

電動車電池製造涉及從單個電芯到完整電池模組的多個階段，每個元件與子組件都必須經過精密設計，以確保在複雜系統中穩定運作。此外，多個精密製造步驟對於電池系統的品質、可靠性與性能具有重要影響。

製造流程模擬在優化零件幾何形狀與製造工藝方面發揮關鍵作用，不僅能夠提升品質與效率，還能夠預測並減少缺陷、管理熱應力問題，並有效降低成本。透過模擬金屬成形、接合、箔材焊接、電池殼體焊接、導體焊接、模組外殼組裝等製程，製造商能夠提升產品質量、優化生產流程，並加速規模化與自動化，最終降低材料浪費，並加快高性能電池的交付速度。

MSCOne 解決方案

• HxGN Virtual Manufacturing：製造流程模擬解決方案，提升製造精度與效率
• Marc：通用製造應用解決方案，支援多種製造技術與工藝

Cell inspection：電池檢測與開發

在汽車及其他電氣化車輛（EV）中，電池是最昂貴且攸關安全的關鍵元件，同時對車輛續航力影響最大。如果電池品質不佳，可能會導致快速衰退，影響使用壽命與安全性。目前，市面上最常見的電池技術是鋰離子電池（LIBs），其結構完整性必須透過最先進的電池檢測技術來確保最高可靠性。此外，消費電子產品對於高能量密度電池的需求更為嚴苛，近年來的事故更突顯了確保電池安全性的必要性。

除了成熟電池技術的生產，電池研發（R&D）也是熱門領域，研究挑戰涵蓋從電池設計到元件微結構分析等多個層面。科學家們正致力於優化鋰離子電池的陽極與陰極材料，同時探索全固態電池等新概念，由於這些技術仍處於開發階段，其內部結構尚未確立，仍需進一步研究與驗證。

透過電腦斷層掃描（CT Scan），可對 18650 鋰離子電池 進行虛擬切割，以深入分析其內部結構，特別是陽極懸垂（Anode Overhang）區域。此技術可非破壞性地檢測電池內部的結構完整性，評估陽極與隔離膜的對齊情況，並識別可能影響電池性能與安全性的缺陷，例如材料分層、電極錯位或應力集中區域。

這項高精度分析有助於優化電池設計、提高製造質量控制，並最終提升電池的壽命、效率與安全性。

Hexagon 解決方案

• 電池陽極懸垂分析（Anode Overhang Analysis）

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延 伸 閱 讀

• 電動車電池 安全性與效能 – MSCOne
• MSC 透過 Token 制度整合的分析平台 MSCOne

這篇文章 頂尖電池製造商都在用CAE?淺談電動車電池設計 CAE工程師必看 最早出現於 星恆科技有限公司。

隨著移動和運輸系統的電氣化程度越來越高， 電動車電池 的設計和熱管理已經成為原始設備製造商和系統供應商的首要考量，他們希望在產品中提供頂級的安全性能，而電池的熱量生成與熱失控特性，則是影響電動車使用體驗與安全性的關鍵因素。

本篇內容將介紹基於MSC的多物理場分析技術，包括一維系統工具Elements和三維CFD熱流工具Cradle CFD，並針對新能源電池行業面臨的挑戰，提出電池熱失控的分析解決方案，並通過實例進行詳細說明。

認識MSCOne：Cradle CFD

Cradle CFD 作為多物理場計算流體動力學的高效工具，可以顯著提升設計、研究與製造的效率和生產力，以MSCOne的方式使用，更添加了許多彈性與整合。為了確保鋰電池達到最佳性能、安全性與使用壽命，鋰電池必須在特定的溫度範圍內運行。因此，電池系統的熱管理顯得尤為重要。此外，在模擬中對實際電池單元進行真實物理建模的成本非常高，這也對設計提出了不小的挑戰。

Cradle CFD 為電池熱管理提供了兩種模型選擇：RC模型和P2D模型。

電池的RC模型

RC模型提供了一種快速且準確的電池建模方法，是基於等效電路模型（Equivalent Circuit Model）的一種簡化方式，不需要對電池的物理細節進行精確建模。

核心原理：

RC模型利用簡單的電路元件，如電阻（R）和電容（C）的組合，來模擬電池的工作狀態及響應特性。

• 開路電壓（OCV）：作為模型中的基礎電壓來源，反映了電池在穩態下的電壓特性。
• 電阻和電容組合：多個電阻與電容串並聯組成的網絡，用來模擬電池的瞬態響應和熱行為。

優點：

1. 快速建模：不需深入了解電池內部的物理結構，只需參數化特性即可建立模型。
2. 準確預測：能有效地模擬電池在不同工況下的輸入與輸出功率，以及隨時間的熱生成響應。
3. 成本低廉：相較於多物理場仿真，RC模型的計算資源需求更低，適合進行大規模熱管理分析。

適用範圍：

RC模型特別適合需要快速預測電池性能的應用場景，如電動車動力電池模擬、大規模電池模組的熱管理設計以及初步方案驗證等。

電池的P2D模型

P2D模型（Pseudo-2D Model，擬二維模型）是一種基於物理方程的精細化電池建模方法，專注於模擬電池內部微觀尺度上的行為。

核心原理：

P2D模型結合了一系列物理方程，模擬電池內部的物理和化學過程，包括：

1. 固體中的電荷守恆方程：描述鋰離子在電極顆粒內部的傳輸行為。
2. 液體中的電荷守恆方程：模擬電解液中離子的遷移和分佈。
3. Butler-Volmer方程：計算電化學反應動力學，模擬電流密度與過電位的關係。
4. 固體中的擴散方程：模擬鋰離子在固體電極中的擴散過程。
5. 液體中的擴散方程：模擬鋰離子在電解液中的擴散行為。

特點與優勢：

1. 高精度：基於物理和化學機制，能夠精確預測電池內部的微觀狀態，包括鋰濃度分佈和電場特性。
2. 全方位分析：可模擬電池的充電速率、輸出電壓、熱量生成等多項性能指標。
3. 微觀解析：適用於研究電池內部材料行為和設計細節，幫助優化電池性能。

適用場景：

P2D模型特別適合需要高精度模擬的應用，例如：

• 新型電池材料的設計與開發。
• 鋰離子電池內部機制的深入研究。
• 高性能電池單元的精密熱管理和結構優化。

挑戰：

由於涉及多個複雜方程，P2D模型的計算成本較高，通常需要更多的計算資源和時間，適合用於精細化研究或高性能設計的後期階段。

認識MSCOne：Elements

Elements 是一款專為 1D 系統模擬設計的軟體，內建多學科元件庫，是一個功能強大的跨領域模擬工具，透過 Elements使用者能輕鬆建立高精度、多領域的模擬模型，快速進行設計方案分析，評估系統性能以及方案的可行性。

Elements 採用直觀的拖放式建模連接方式，讓多領域元件的建模變得更簡單，它涵蓋多種學科，使用者可以在單一軟體中建立複雜的跨領域模型，輕鬆解決機械、電氣、熱力、液壓、氣動等多種因素引起的系統級問題。

Elements 受益於海克斯康的 SmartFMU 技術，可以與其他海克斯康產品（如 Adams、Cradle、Easy5 等）無縫互聯。同時，Elements 也支援傳統 FMU 功能，其介面對非海克斯康工具完全開放。Elements 提供強大的模擬分析能力，能應用於機器人、能源、包裝與物流、汽車、航太、重型機械等領域的系統整合分析。

熱失控分析

針對熱失控的模擬挑戰，主要問題如下：

1. 熱失控是一個隨溫度升高而加速的過程，會釋放大量能量，進一步升高溫度。
2. 若單個電池過熱，可能導致熔毀擴散，最終破壞整個電池組。
3. 提早檢測熱失控非常重要。

本文針對上述問題，使用MSCOne，結合 Elements 與 Cradle CFD 的耦合模擬，提出解決熱失控模擬分析的方法。
透過 FMI 連接策略，電池模型的系統級建模使用 Elements，熱模擬則採用 Cradle CFD 的 scFLOW。Elements 根據 scFLOW 計算出的每個電池的溫度，動態計算其發熱量，並將每個電池的發熱量實時傳遞給 scFLOW，這種即時耦合方式，有效分析整個電池包在熱失控過程中的行為。

新能源電力電子系統的小型化對於溫控提出了更高的要求，主要挑戰包括以下幾點：

1. 高功率與小型化設計的熱管理
   隨著功率的提高和尺寸的縮小，必須進行有效的熱管理以應對高熱密度，確保系統穩定運行。
2. 印刷電路板溫度分布評估
   精確估算印刷電路板的溫度分布，並考慮元件由多種材料構成的特性，以防止過熱導致的元件故障。
3. 冷卻方法研究
   探討風扇、散熱器、水套等冷卻設備的有效性，找到最適合系統需求的解決方案，以提高散熱效率。
4. 水套冷卻效率與壓力損失評估
   在設計水套時，需評估其冷卻效率，同時考慮壓力損失，以及變速箱和變速器的熱效應對整體系統的影響。

這些挑戰要求針對性地採用先進的模擬與分析工具，以實現高效的熱管理和可靠的系統運行。

MSCOne：Cradle CFD可以做到的事：

1. PICLS 簡單快速地評估印刷電路板的熱設計
   PICLS 提供了一種高效且直觀的工具，用於快速驗證印刷電路板的熱設計效果，幫助工程師節省設計時間。
2. Cradle CFD 高效分析電子設備
   Cradle CFD 無需繁瑣的 CAD 模型清理，內建實用的熱設計零件，並且具有良好的操作性，大幅提升電子設備熱設計分析的便利性。
3. 模擬電力電子設備的溫度分布
   Cradle CFD 可以精準模擬電力電子設備（例如 IGBT 模塊）的溫度分布，確保設備運行在最佳溫度範圍內，提升性能與可靠性。
4. 評估冷卻能力
   Cradle CFD 可分析熱流，幫助評估風扇、散熱器或水套等冷卻設備的效能，提供更優化的冷卻設計方案。
5. 揭示熱路徑與瓶頸
   Cradle CFD 能清楚地揭示電力電子設備的熱傳路徑，幫助工程師快速定位熱流的瓶頸，改善熱管理設計。

文章擷取於 https://mp.weixin.qq.com/s/4lP-vs-LRVPMFnobGoUCyg

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