모든 것을 전기화하려는 오늘날의 노력에서 프로토타입 제작 문제가 대두되고 있습니다. 실험실 벤치 모형으로 작동하는 것이 현실에서는 중단됩니다. 그리드 규모와 자동차에서 에너지를 활용하고 안전하게 저장합니다. 트럭그리고 비행기 단순화된 모델이 때때로 건드릴 수 없는 매우 어려운 문제입니다.
“전기화의 핵심은 전자기 효과, 열 전달, 구조적 역학의 복잡한 상호 작용이 결합된 것입니다.”라고 말합니다. 비요른 쇼딘스톡홀름에 본사를 둔 소프트웨어 회사의 제품 관리 담당 수석 부사장 컴솔.
COMSOL은 단일 현상(예: 회로의 전자기적 동작)을 시뮬레이션하는 것이 아니라 오히려 시뮬레이션을 추구하는 엔지니어링 R&D 소프트웨어 회사입니다. 모두 실제 작동 조건에서 새로운 기술을 개발하기 위해 시뮬레이션해야 하는 관련 물리학입니다.
엔지니어와 개발자들은 COMSOL을 위해 10월 8~10일 매사추세츠주 벌링턴에 모였습니다. 연례 보스턴 컨퍼런스그들은 여러 동시 물리 패키지를 통한 엔지니어링 시뮬레이션에 대해 논의했습니다. 그리고 다중물리 모델링신흥 분야라고 불리는 이 분야는 단순히 갖고 있으면 좋은 것 이상으로 변하고 있는 전기화 R&D의 구성 요소로 등장했습니다.
“때때로 일부 사람들은 여전히 시뮬레이션을 멋진 R&D로 보는 것 같습니다.”라고 말합니다. 닐루파르 카미압COMSOL의 화학 엔지니어이자 응용 프로그램 관리자입니다. “그들은 그것을 실험의 대체물로 보기 때문입니다. 하지만 더 최적화되고 효과적인 방법으로 실험을 수행할 수는 있지만 여전히 실험을 수행해야 합니다.”
다중물리학으로 전기화를 확장할 수 있습니까?
Kamyab은 다중물리학이 때때로 게임의 절반에 불과할 수 있다고 말합니다.
“배터리에 관한 한 시뮬레이션에는 또 다른 매력이 있다고 생각합니다.”라고 그녀는 말합니다. “다중이야.규모—다양한 분야에서 배터리를 연구하는 방법 저울. 아주 어렵지는 않더라도 실험적으로는 불가능하다고 할 수 있는 심층적인 분석을 얻을 수 있습니다.”
부분적으로 이는 배터리가 복잡한 동작을 드러내기 때문입니다(그리고 폭주 반응) 셀 수준에서 뿐만 아니라 배터리 팩 수준에서도 예측할 수 없는 새로운 방식으로 사용됩니다.
“배터리 팩 시뮬레이션을 수행하는 대부분의 사람들의 열 관리는 주요 관심사 중 하나입니다.”라고 Kamyab은 말합니다. “이 시뮬레이션을 하면 이를 피하는 방법을 알 수 있습니다. 오작동하는 세포를 재현하는 것입니다.” 그녀는 열폭주에 대한 다중물리 시뮬레이션을 통해 배터리 엔지니어가 가장 극한 조건에서도 각 설계가 어떻게 작동하는지 안전하게 테스트하여 배터리 문제나 화재가 발생하기 전에 이를 막을 수 있다고 덧붙였습니다.
무선 충전 시스템은 열 문제가 있는 또 다른 전기화 영역입니다.. “더 높은 전력 레벨에서는 코일의 국부적인 가열로 전도도가 변경됩니다.”라고 말합니다. 니르말 파우델의 수석 엔지니어 베리스트엔지니어링매사추세츠 니드햄에 본사를 둔 엔지니어링 컨설팅 회사입니다. 그리고 그는 이것이 전체 회로는 물론 회로를 둘러싼 모든 요소의 설계와 성능을 변경할 수 있다고 지적했습니다.
전기 모터 전력 변환기에도 비슷한 시뮬레이션 지식이 필요합니다. 전기 엔지니어 및 COMSOL 수석 응용 엔지니어에 따르면 비네쉬 구루사미이러한 오래된 전기 기술을 개발하는 오래된 방법은 오늘날 덜 유용하다는 것이 입증되었습니다. Gurusamy는 “최근 다양한 응용 분야에서 전기화가 급증하면서 새로운 최적의 설계 개발이 가능해지기 때문에 보다 전체적인 접근 방식이 필요합니다.”라고 말합니다.
그리고 화물 운송: “트럭의 경우 사람들이 조사하고 있습니다. 배터리를 사용해야 할까요?? 연료전지를 사용해야 할까??” 쇼딘은 말합니다. “연료전지는 유체 흐름, 열 전달, 화학 반응, 전기화학 반응 등 다중물리학에 매우 친화적입니다.”
마지막으로 전기 그리드 자체가 있습니다. “전력망은 지속적인 전력 공급을 위해 설계되었습니다.”라고 Sjodin은 말합니다. “그러니까 전원이 있으면 [like wind and solar] 항상 전원을 껐다가 켜면 완전히 새로운 문제가 발생합니다.”
배터리 및 전기 모터 설계의 다중물리학
Kamyab은 엔지니어링 시뮬레이션에 대한 이러한 올인 접근 방식을 취하면 예상치 못한 이점도 얻을 수 있다고 말합니다. 베를린에 본사를 둔 자동차 엔지니어링 회사 IAV예를 들어, 다양한 배터리 형식과 화학 물질을 단일 팩에 통합하는 파워트레인 시스템을 개발하고 있습니다. “나트륨 이온 너에게 그런 에너지를 줄 수는 없어 리튬 이온 Kamyab은 “그래서 그들은 각각의 이점을 얻기 위해 다양한 화학 물질을 혼합한 다음 모든 화학 물질에 맞는 열 관리를 설계했습니다.”라고 말했습니다.
IAV에서 기술 컨설턴트로 일하는 Jakob Hilgert는 최근 COMSOL 산업 사례 연구. 여기에서 Hilgert는 나트륨 이온 셀과 더 값비싼 리튬 고체 배터리를 결합한 이중 화학 배터리 팩의 설계를 설명했습니다.
Hilgert는 다중물리 시뮬레이션을 사용하여 IAV 팀이 두 가지 화학 물질의 서로 다른 특성을 서로 활용할 수 있게 되었다고 말합니다. Hilgert는 “고온에서 작동할 수 있는 셀과 저온에서 작동할 수 있는 셀이 있는 경우 성능이 높은 셀의 배기열을 사용하여 성능이 낮은 셀을 가열하는 것이 유리하며 그 반대의 경우도 마찬가지입니다.”라고 말했습니다. “그래서 우리는 더 차가운 상태에 있기를 원하는 세포에서 더 뜨거운 상태에 있기를 원하는 세포로 에너지를 이동시키는 냉각 시스템을 생각해 냈습니다.”
Sjodin에 따르면 IAV는 모든 것의 전기화로 인해 영향을 받는 다양한 산업에서 더 큰 추세의 일부입니다. “알고리즘 개선과 하드웨어 개선이 함께 배가됩니다.”라고 그는 말합니다. “이것이 다중물리 시뮬레이션의 미래입니다. 이를 통해 점점 더 크고 더 현실적인 시스템을 시뮬레이션할 수 있습니다.”
Gurusamy에 따르면 GPU 가속기와 대리 모델을 사용하면 전기 모터 성능과 효율성이 더 크게 향상될 수 있습니다. 모터 코어의 구리선 권선과 같이 겉보기에 단순해 보이는 구성요소(라고 함)도 고정자) 다중물리학이 최적화할 수 있는 매개변수를 제공합니다.
Gurusamy는 “전기 모터 개발의 주요 개척지는 열 관리가 핵심 과제로 떠오르면서 전력 밀도와 효율성을 새로운 차원으로 끌어올리는 것입니다.”라고 말합니다. “전자기 및 열 시뮬레이션을 결합하는 다중물리 모델은 고정자 권선 및 자성 재료의 온도 의존적 동작을 통합합니다.”
시뮬레이션은 또한 무선 충전 세계를 변화시키고 있다고 Paudel은 말합니다. “전통적인 설계 주기는 코일 형상을 조정합니다.”라고 그는 말합니다. “오늘날 통합 다중물리 플랫폼을 통해 유연한 충전 직물과 실시간으로 적응하는 스마트 표면을 포함한 새로운 충전 아키텍처를 탐색할 수 있습니다.”
Kamyab에 따르면 배터리는 더 높은 전력 밀도와 더 낮은 가격을 향해 계속해서 노력하고 있습니다. 이는 가전제품이나 EV와 같이 이미 배터리를 사용하는 산업뿐만 아니라 변화를 일으키고 있습니다. 고용량 배터리는 다음과 같은 새로운 산업도 주도하고 있습니다. 전기 수직 이착륙 항공기 (eVTOL).
“30년 전에 우리가 가졌던 많은 아이디어가 현실이 되고 있는 이유는 이제 우리가 그 아이디어에 전력을 공급할 배터리를 갖게 되었기 때문입니다.”라고 Kamyab은 말합니다. “그것이 수년 동안 병목 현상이었습니다. … 그리고 우리가 배터리 기술을 계속 발전시키면서 다음에 어떤 새로운 기술과 응용 프로그램을 만들 수 있을지 누가 알겠습니까?”