分野別リューション
カーボンニュートラル社会実現のカギを握る取り組みが自動車の電動化ですが、その車載用バッテリーとして、リチウムイオン電池のさらなる性能向上や、全固体電池などの新たな二次電池の開発が求められています。
ここでは、SCSKが提供する、バッテリー研究開発・製造のための各種CAEシミュレーション技術をご紹介します。
- ① 事例紹介：
- 研究開発向け材料開発シミュレーション GeoDict[GE014]
- ② 事例紹介：
- 材料開発におけるサロゲートモデル
GeoDict × pSeven
[GE015] - ③ 事例紹介：
- 材料開発における配合最適化
GeoDict × Citrine[GE016]
急速充電時のリチウムイオン濃度分布解析関連ツール 
EV普及の条件のひとつが急速充電です。しかし、高速で充電／放電する場合、リチウムイオンが電極-電解液間を移動する際の抵抗や電極内を移動する際の抵抗などが原因で、出力可能な電池容量が大幅に減少してしまうことがあります。これを改善するため、ハイレート充電や電極密度を変化させた場合のリチウムイオン濃度分布を解析し、材料開発に役立てます。
急速充電のための負極の改良
- レーザーによる穴あけ、マイクロエンボス加工などの微細構造化プロセスの影響をシミュレート
- 粒子径・粒子配向の最適化
電池の充電状態におけるリチウムイオン濃度分布の可視化
- 右側の正極から左側の負極に高濃度（赤）の分布が移動
充放電による活物質の損傷解析関連ツール
充放電の際の、活物質へリチウムイオンの挿入・脱離により、活物質粒子が体積変化を起こしますが、これによって電極内に圧縮や引張応力が生じ、活物質の損傷や機械的劣化を引き起こします。これを低減するため、粒子の膨張と応力分布を検証します。
サロゲートによる最適な電極構造の探索関連ツール 
材料特性や機械的特性を計算するGeoDictに、最適化/機械学習による設計空間探索ソフトウエアｐＳｅｖｅｎのサロゲートベースの最適化手法を組み合わせることで、計算回数を大幅に削減し、電気伝導率、拡散率、電解質と活物質(LCOとNCA)の接触面積などを最大化するという複数の目的関数の組み合わせから最適解を導き出します。
バッテリーハウジングの構造解析と熱解析のAI予測関連ツール 
バッテリーハウジングの構造解析予測
内部バッテリーの構造安全性を保証するため、ハウジングの設計には軽量化やパッケージングの要件を満たす数百の設計案を検証する必要があります。
シミュレーション結果を学習したAIを用いることで、瞬時に解析結果を予測し、数百の設計案も短時間で検証できます。
上：FEAによる変位量の解析結果
下：機械学習による解析結果予測
バッテリー用冷却板の設計と性能予測
Results source: Dr. Niklas Klinke, Dr. Dr. Stefan Buchkremer, Dr. Lutz-Eike Elend, Maksym Kalaidov, Thomas von Tschammer, AI-based performance prediction and its application on the design and simulation of cooling plates for battery electric vehicles, Future Automotive Production Conference Wolfsburg, Germany 17–18th May 2022
マテリアルズ・インフォマティクス（MI）による材料開発の高速化関連ツール 
電池は負極材、正極材、セパレータ、電解液など、複数の材料の組合せで構成されており、これらの配合を検討するのは複雑な問題になりす。
Citrine Platformは、少量データでのAIモデル作成から次の実験候補の提案までをノーコードUIで行えるMIプラットフォームです。
実験とAIによる候補探索を繰り返すことで、従来よりも少ない実験数で配合の最適化が可能です。
バッテリーパックの大規模構造解析・非定常熱伝導解析関連ツール 
バッテリーのセル、モジュール、バッテリーパックなどの構造解析は、数十から数百という膨大な数の部品の接触を考慮する必要があり、非常に大規模な計算になります。そのような解析でも、大規模問題を得意とするADVENTUREClusterでは、数時間で計算を行うことが可能です。
セル
（構造解析）
バッテリーパック
（非定常熱伝導解析）
多層プリント基板の熱変形解析関連ツール
バッテリー用充電制御ICなどの多層プリント基板 の製造工程において生じる熱変形を事前に解析する場合、薄板の積層を扱うためフルモデルになるとメッシュ数が増大となりますが、ADVENTUREClusterでは、実用時間内で高速に精度良く計算することが可能です。
バッテリータブにおける抵抗溶接の溶接性評価関連ツール 
SORPASではバッテリータブの抵抗溶接として、シリーズ溶接やプロジェクション溶接等をシミュレーションし、応力評価や溶接性の評価を実施することが可能です。
これらの評価を通して、溶接条件の改善/形状の再検討等を実施いただけます。
シリーズ溶接
プロジェクション溶接
バッテリー用セパレータの成形解析関連ツール 
バッテリーのセルの構成部品であるセパレータは、板厚を均一にしながら、溝のピッチ幅を小さくする必要があり、成形解析で板厚を詳細に再現しようとするとメッシュ数が増大し、大規模な計算になります。
TRANSVALOR MATERIAL FORMINGには、板厚方向に細かく、面内方向に粗いメッシュを生成する異方性アダプティブリメッシュ機能があり、メッシュ数の増大を抑えながら精度良く計算することが可能です。
バッテリー用セパレータの圧延解析関連ツール
バッテリー用のセパレーターの製造工程において、予備成形として板の厚みの均一化を実施する必要があります。
その際にTRANSVALOR MATERIAL FORMINGを用いて圧延プロセスを実施する事で、ワークへのロールの転写性、ロールにかかる力・トルク、温度変化などの予測を行うことが可能です。
バッテリー製造工程へのCAEシミュレーション技術活用
フィルター
スラリーをろ過するフィルターをモデル化し、流体と粒子捕集計算を行い、圧力損失、粒度毎捕集率、フィルター寿命を計算します。
ロールプレス
- 1. 簡易的に圧縮計算を行い、圧縮の度合いによる電解液の浸透具合を確認します。
- 2. 活物質の押し込み計算を行い、粒子同士や金属箔との密着性を確認します。
- 3. マルチスケールシミュレーションにより、実加工条件における活物質内部状態を解析します。
打ち抜き加工
電極切断の際にダレ、バリが少なく、きれいなせん断面となるような加工条件を探索します。
巻取り(3D)
しわや層ずれが起こらないような条件を探索します。
レーザー溶接、抵抗溶接
タブ、封止、バスバー接合時のレーザー溶接、抵抗溶接を解析し、残留応力や変形、割れの評価に役立てます。
発泡成形、フィラー塗布
REM3Dバッテリーパックの保護及び熱管理のための発泡剤充填において最適な充填や工法、密度計算を行います。
防爆弁
電池内部の圧力が異常に高まった際、正常に防爆弁が作動してガスを逃がすことができるかを解析します。
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