多物理场仿真技术推动电池与电网设计革新

多物理场仿真助力电动化发展

在当今全面电动化的进程中，出现了一个原型设计难题：实验室工作台上的模型在实际应用中往往会失效。在电网规模及汽车、卡车和飞机中安全存储能量是一个非常复杂的问题，简化模型有时无法解决。

"在电动化领域，核心问题在于电磁效应、热传递和结构力学之间复杂的相互作用，"某斯德哥尔摩软件公司产品管理高级副总裁Bjorn Sjodin表示。该公司是一家工程研发软件企业，旨在模拟现实操作条件下开发新技术所需的所有相关物理现象，而不仅仅是单一现象（例如电路的电磁行为）。

10月8日至10日，工程师和开发人员聚集在某地参加该公司的年度会议，讨论了通过多个同步物理包进行工程仿真。这个新兴领域被称为多物理场建模，已成为电动化研发中越来越重要的组成部分。

多物理场能否推动电动化规模化？

化学工程师、该公司应用经理Niloofar Kamyab表示：“有时，我认为有些人仍然将仿真视为一种花哨的研发手段，因为他们将其视为实验的替代品。但事实并非如此，实验仍然需要进行，不过可以通过更优化和有效的方式进行。”

Kamyab指出，多物理场有时可能只是解决方案的一半。"当涉及电池时，仿真还有另一个吸引力点，"她说。“它是多尺度的——可以研究电池在不同尺度下的表现。你可以进行深入分析，这些分析如果不说非常困难，我会说通过实验几乎不可能完成。”

这部分是因为电池在单体级别表现出复杂的行为（和失控反应），在电池包级别也会以不可预测的新方式出现。"大多数进行电池包仿真的人——热管理是他们主要关注的问题之一，"Kamyab说。"进行这种仿真是为了知道如何避免问题。你可以重现一个故障电芯。"她补充说，热失控的多物理场仿真使电池工程师能够安全测试每个设计在最极端条件下的表现，以便在可能发生的任何电池问题或火灾之前阻止它们。

电动马达与电网的仿真挑战

无线充电系统是电动化的另一个领域，也有其自身的热挑战。"在更高功率水平下，线圈的局部加热会改变其导电性，"某咨询公司的首席工程师Nirmal Paudel表示。他指出，这反过来会改变整个电路以及周围所有元件的设计和性能。

电动马达和功率转换器需要类似的仿真技术。根据电气工程师、该公司高级应用工程师Vignesh Gurusamy的说法，开发这些历史悠久的主力电气技术的旧方法在今天被证明不太有用。"最近跨多个应用的电动化激增需要更全面的方法，因为它能够开发新的优化设计，"Gurusamy说。

在货运交通方面："对于卡车，人们正在研究，我们应该使用电池吗？应该使用燃料电池吗？"Sjodin说。“燃料电池非常适用于多物理场——流体流动、热传递、化学反应和电化学反应。”

最后是电网本身。"电网设计用于连续供电，"Sjodin说。“因此，当你有电源（如风能和太阳能）不断开关时，你会遇到全新的问题。”

多物理场在电池和电动马达设计中的应用

Kamyab表示，采用这种全面方法进行工程仿真也能带来意想不到的好处。例如，某汽车工程公司正在开发将多种电池格式和化学物质集成在单个包中的动力系统。"钠离子无法提供锂离子可以提供的能量，"Kamyab说。“因此他们提出了一种化学混合物，以获得每种化学物质的优点，然后设计了匹配所有化学物质的热管理系统。”

该公司技术顾问Jakob Hilgert最近参与了一项行业案例研究。在其中，Hilgert描述了一种双化学电池包的设计，该电池包将钠离子电芯与更昂贵的锂固态电池相结合。

Hilgert表示，使用多物理场仿真使团队能够利用两种化学物质的不同特性相互补充。"如果我们有一些可以在高温下运行的电芯和一些可以在低温下运行的电芯，那么利用较高运行温度电芯的废热来加热较低运行温度的电芯是有益的，反之亦然，"Hilgert说。“这就是为什么我们设计了一种冷却系统，可以将能量从希望处于较冷状态的电池转移到希望处于较热状态的电池。”

据Sjodin称，该公司是受全面电动化影响的一系列行业大趋势的一部分。"算法改进和硬件改进相互叠加，"他说。“这是多物理场仿真的未来。它将允许你模拟越来越大、更真实的系统。”

根据该公司Gurusamy的说法，GPU加速器和替代模型允许电动马达能力和效率实现更大的飞跃。即使是看似简单的组件，如马达核心（称为定子）中的铜线绕组，也提供了多物理场可以优化的参数。

"电动马达开发的主要前沿是将功率密度和效率推向新高度，热管理成为关键挑战，"Gurusamy说。“耦合电磁和热仿真的多物理场模型…在定子绕组和磁性材料中包含了温度依赖性行为。”

Paudel表示，仿真也在改变无线充电领域。"传统设计周期会调整线圈几何形状，"他说。"今天，集成的多物理场平台能够探索新的充电架构，"包括柔性充电纺织品和实时适应的智能表面。

根据Kamyab的说法，电池正在继续朝着更高功率密度和更低价格推进。这不仅改变了已经使用电池的行业，如消费电子和电动汽车。更高容量的电池也在推动新行业，如电动垂直起降飞机（eVTOLs）。

"我们30年前的许多想法现在正在成为现实的原因是现在我们有了为它们供电的电池，"Kamyab说。“这是多年来的瓶颈…随着我们继续推动电池技术向前发展，谁知道我们接下来将使什么新技术和应用成为可能。”
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