電池設計與製造解決方案

材料探索 : 用電化學與機械模擬，最佳化電池設計

電池的性能、安全性與壽命，深深依賴於材料選擇與製造過程的精密設計。從電極成分到微結構的優化，每一個零件與工序都直接影響電池的整體效率。要推動電池技術的進步，滿足日益增長的高效能能源儲存需求，深入了解並精準調整這些關鍵因素是不可或缺的。

Digimat 提供了一個突破性的模擬平台，能同時模擬電池的電化學與機械性能。透過全面考量電池組件的多樣材料特性及製造過程的複雜性，工程師可以以無與倫比的精準度設計出最佳解決方案。這項工具不僅能虛擬評估與提升電池性能，還能加速開發流程、降低成本，讓製造商在創新之路上更加充滿信心。

此外，透過與 Fraunhofer ITWM 的合作，Digimat 整合了「電池與電化學模擬工具」（BEST），進一步提升了電化學模擬的價值。BEST 能夠精確模擬關鍵現象，例如離子傳輸、導電性及過電位貢獻等。工程師可利用這些深入洞察，優化電池設計，在減少昂貴試錯成本的同時，實現顯著的性能提升。

Hexagon 解決方案

• • Digimat-FE：數位化材料，是強大的材料模擬與性能分析解決方案
  • HxGN Digital Materials：數位化材料數據管理解決方案

熱管理：電池效能與安全新突破

電池的熱管理是電動車效能與安全的核心！當電池溫度維持在理想範圍 20-30°C，不僅能提升效率與輸出動力，還能有效延長使用壽命。然而，當溫度過高，可能引發電池熱失控，不僅縮短電池壽命，還可能產生爆炸等危險。

為了打造高效穩定的電池熱管理系統，工程師需要仰賴先進的模擬工具，例如 CFD（計算流體力學）與 1-D 系統建模。這些工具能快速分析設計方案與操作情境，提前排除不良設計，降低開發成本，減少對實體原型的依賴。

透過高精度的 CFD 方法，結合業界廣泛使用的電化學電池模型（如 P2D 模型或高效的等效電路模型），能精準模擬電池的熱產生、熱傳播及冷卻系統效能。此外，FMI（功能模型介面）能與第三方提供的高精度電池模型（FMU）整合，進一步提升模擬準確度。這些技術讓工程師能在系統層級進行最佳化設計，考量重量等限制條件，無需耗費大量資源建設專門設施或破壞昂貴的電池原型。

Hexagon 解決方案

• • Cradle CFD：整合電池電化學模擬的熱流分析工具
  • Elements：1D 系統建模，並可透過 FMI/FMU 與 3D CFD 結合
  • CoSim：多物理場協同模擬工具
  • MSC Nastran：多功能結構與熱管理解決方案

電池安全：守護乘客與車輛

在設計新一代電池模組或電池組時，「電池安全」是必須從一開始就嚴格把關的重要環節。而在這個過程中，模擬技術成為不可或缺的利器，特別是在應對「熱失控」這類高風險現象時，能夠提供快速且有效的解決方案。

熱失控是指電池單元進入自我加熱的狀態，進一步引發熱鏈反應，迅速蔓延至相鄰單元甚至整個電池模組或電池組，對乘客的生命安全構成潛在威脅。傳統上，這類問題需要透過昂貴且高危險的實體測試來驗證，但現在我們可以利用計算流體力學（CFD）模擬技術，根據實際電池單元的物理特性以及加速速率量熱儀（ARC）測試數據，精準模擬電池在熱失控狀態下的熱量生成與傳播情況。

一旦完成電池單元特性的設定，設計團隊便能針對不同的電池模組設計與熱失控情境進行模擬分析，深入了解受影響區域的溫度變化與範圍。這不僅有助於設計有效的防範措施，降低熱失控的傳播風險，更能減少對車輛及乘客的潛在危害，全面提升電池的安全性與可靠性。

Hexagon 解決方案

• • Marc：針對非線性結構與熱管理的高階模擬工具
  • Cradle CFD：整合電池電化學模擬的熱流體分析工具
  • CoSim：多物理場聯合模擬的全方位解決方案

耐用性與安全性：追求卓越的模擬技術

電池不僅是車輛的動力來源，更是車輛中最昂貴的零組件。此外，全球法規要求車廠為電池提供長達10年的保固，這讓電池的耐用性面臨了極大的挑戰。若發生召回事件，不僅費用高昂，還可能導致潛在顧客對整個車系失去信任，而不僅僅是涉及的特定車型。

因此，透過先進的模擬技術及早發現設計缺陷，變得至關重要。這些技術能在實體原型問世前，讓電池模擬承受最嚴苛的震動與高溫測試，快速找出熱點與薄弱連接處，並在問題真正發生前採取對策，從而大幅降低風險。

在設計初期進行深入探索，還能確保這個關鍵零件的安全性，不論是機械衝擊（如底部撞擊），還是熱效應（如優化排氣閥的數量與位置），都能做到面面俱到。

Hexagon 解決方案

• • CAEfatigue：讓疲勞分析技術不再是專家的專利，全面推向大眾，讓每個人都能輕鬆掌握！

模擬技術系統級整合：提升效能與效率

電池是像電動車這類複雜系統的動力核心，而整體系統的效能，則依賴於多個子系統之間的互動與協作。要在設計初期做出正確選擇，加速開發流程，「系統層級整合」是不可或缺的關鍵！

在 Elements 平台上，你可以將電池、電力、控制、熱管理、機械結構、液壓系統等多種物理領域整合到一個模型中。這些模型能在短短幾秒內模擬完整的行駛循環，讓你能快速運行多種情境，找出最符合需求的參數組合！當各個元件設計完成後，你還可以將 Adams 和 Cradle CFD 的 FMU 模組整合進 Elements，進一步驗證設計的可行性。從開發初期到最終驗證，Elements 都能滿足你的系統整合需求，讓開發流程更加高效、節省時間！

Hexagon 智慧解決方案

跨領域多物理系統整合與模擬，為你的創新設計提供全面支持！

電池製造：打造高效能電池

電池製造過程從單個電池單元開始，一直到整個電池模組，包含多個階段。每個元件和子組件都必須設計得當，以便在這個複雜系統中發揮作用。多個複雜製造步驟的影響對系統的品質、可靠性和性能有著重要的影響。

製造過程模擬在優化元件幾何形狀和製造過程中扮演關鍵角色，能提升品質和效率，預測並減少缺陷，管理熱能挑戰，以及降低成本。透過模擬金屬成型、接合、箔焊、罐焊、導體焊接或模組外殼組裝等過程，製造商可以提升品質、簡化生產流程，並促進規模化和自動化，最終減少浪費，加速交付可靠且高效能的電池。

Hexagon 解決方案

• • HxGN Virtual Manufacturing
  • Marc