打造成功的電動車電池產品,需要深入掌握電池開發的多尺度特性,涵蓋從電極層級到整個系統的各個層面。電動車電池設計 CAE 工程師必須善用 CAE 軟體工具。我們秉持這一核心理念,結合完善的基礎架構與高度可及的技術,提供全面的產品組合(MSCOne),助力業界在這一複雜領域持續突破。
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。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,考慮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,縮短開發週期、降低成本。
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,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。
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。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。高效的熱管理系統設計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。
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。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,並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。
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。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 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。
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。
電動車電池不僅是車輛的動力來源,也是成本最高的元件。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。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。
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。
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。在整合式設計 Elements 平台中,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,並在數秒內運行完整的駕駛循環測試,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,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。
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。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,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交付速度。
在汽車及其他電氣化車輛中,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。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。除了成熟電池技術的生產,電池研發也是熱門領域,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。
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,有助於優化電池設計、提高製造質量控制。
從材料探索、熱管理、安全性、耐用性到製造與檢測,電動車電池設計橫跨多重物理場。本文以 MSCOne 全系列工具(Digimat、Cradle CFD、Elements、Marc、Nastran、CAEFatigue 等)逐一拆解電池開發七大關鍵環節。
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