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バッテリーソリューション

セル性能から
バッテリーマネジメント
システム
開発まで
幅広い課題を解決

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バッテリー製品開発における
背景と課題

CO2排出削減の規制強化にともない、電動自動車(EV)への製品要求は年々高まる一方です。とりわけ、駆動源となるバッテリーの性能は燃費などに直結するため、その高性能化は非常に重要な課題です。
バッテリーの高出力化と軽量化を実現するため、重量エネルギー密度の大きいリチウムイオンバッテリーが現在主流となっています。セル(電池)としての性能は電極の材料や充填時の微細構造によって決定されるため、材料選定とともにマイクロスケールでの検討も必要です。一方、リチウムイオンバッテリーはエネルギー密度が大きい反面、発火や破裂といった事故の危険性も高いことが知られています。また、車載バッテリーは多数のセルをまとめたモジュールをさらに複数配置したバッテリーパックとして運用されます。そのため、何らかの原因により1つのセルの温度が大きく上昇すると、その影響が隣接するセルに伝播してパック全体が高温になってしまう「熱暴走」が生じる可能性もあります。こうしたリスクを回避し、バッテリーの安全性を確保するためには適切な冷却設計を行う必要があります。また、個々のセルの充放電率や温度などを監視・制御するバッテリーマネジメントシステム(BMS)の設計も必要です。
このようにバッテリー開発の課題はセル、モジュール、パックといった複数のスケールにまたがって存在し、分野としても電気、熱、電気化学などの広い範囲に渡る検討が必要です。

サイバネットの
バッテリーソリューション

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Ansysはマルチフィジックスに対応したCAEソフトウェアを多数擁しており、電気、熱、電気化学といった複数の分野にまたがる連成シミュレーションを行うことが可能です。シミュレーション環境をAnsysに統合することで、バッテリーに関する幅広い設計課題を統一的に検討することができます。また、弊社が開発したMultiscale.SimやCADFEM社のModel Reduction inside Ansysなどのアドインツールを併用することで標準機能以外の解析手法も利用可能です。サイバネットはこれらのツールを用いた総合的なバッテリーソリューションをご提案します。

特徴

ミクロスケールの
特性評価

電池としてのバッテリーの性能はバッテリーセルを構成する電極材料の特性や充填時の微細構造などが大きく影響します。Multiscale.Simはミクロスケール電極構造をモデル化することで、電気的特性に対する微細構造の影響を評価することができます。また、Ansys Fluentに実装されたリチウムイオンバッテリーモデルを用いれば、電極の微細構造を反映した詳細な電気化学反応をシミュレーションを行うことが可能です。

高精度な熱解析

バッテリーの発熱はセル内部の電気化学反応によって生じます。Ansys Fluentではセルの電気化学反応を1次元的に解き、伝熱は3次元的に解くことで、計算コストを抑えつつ高精度なシミュレーションを行うことができます。また、Ansys Fluentには熱暴走に関する物理モデルも用意されており、適切な冷却設計に関する指標をシミュレーションから得ることができます。

ROMによる高速な
シミュレーション

バッテリーマネジメントシステムの設計にはバッテリーの熱特性と電気特性を表すプラントモデルが必要ですが、3Dモデルをそのまま利用することは計算コスト上現実的ではありません。Ansys Twin BuilderやCADFEM社のアドインツールであるModerl Reduction inside Ansysは、元となるシミュレーション結果から計算コストの小さなReduced Order Model(ROM)を作成できます。ROMを組み込んだ1Dモデルを用いることで、計算コストを大幅に削減しつつ、システム全体の挙動を模擬することが可能です。

導入事例

セル内部の微細構造の最適化

Ansys Fluentのリチウムイオンバッテリーモデルの事例です。電極の微細構造を直接3Dモデルとして表現し、電気化学反応を考慮したシミュレーションを行うことでイオン濃度を可視化した例になります。その他、このモデルを用いることで、セル性能に関わる充放電曲線や電池寿命の予測などが可能になります。

初期開発における放熱設計の検討

熱暴走の予測
シミュレーション

バッテリーの熱暴走シミュレーションの事例です。Ansys Fluentには物理的損傷などに起因する内部短絡の物理モデルと高温時に生じる熱分解反応を模擬する熱乱用モデルが用意されています。これらのモデルを用いて熱暴走の伝播の様子を可視化することが可能です。

モータ電磁力に起因する振動騒音解析

ROMを用いた
システム設計

バッテリーマネジメントシステムの設計に関する事例です。バッテリーパックの熱流体解析を行った結果からROMを作成し、システムの熱特性を表現しています。電気特性についてはバッテリーセルに対するパルス試験のデータから作成した等価回路モデルを用いています。これらのモデルを組み合わせてAnsys Twin Builderにより実際の走行時の状況を模擬しながら制御系設計などを行うことができます。

システム制御シミュレーション

導入までの流れ

ベンチマーク
トライアル利用
受託解析

ご要望に応じて、目的の結果が得られるかどうか導入前に無償/有償で弊社が解析を実施して検討します(ベンチマーク,受託解析)。また無償のトライアルライセンスによるお客様ご自身での試用も可能です。

トレーニング
立ち上げ支援

各種ツールや理論のトレーニングをご用意しております。また①でお客様のモデルに対する受託解析をご依頼いただいた場合、必要に応じてお客様のモデルに対する解析ノウハウをご提供いたします。

充実したサポートや
カスタマイズ

弊社専門技術スタッフによるお問合せ対応やFAQ閲覧、セミナーテキストのダウンロードなど充実したサポートが利用可能です。また導入後も、内容に応じて有償となりますがお客様モデルでのトレーニングコンテンツ作成や解析の請負、特定の用途に応じた製品カスタマイズにも対応いたします。

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