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2025-10-16 15:00:00
あらゆるものを電動化しようとする今日の取り組みにおいて、プロトタイピングの問題が浮上しています。実験台のモックアップとして機能するものは、現実には壊れます。グリッド規模で、自動車、トラック、飛行機内でエネルギーを利用し、安全に貯蔵することは非常に難しい問題であり、単純化されたモデルでは対処できない場合があります。
「電動化の核心では、電磁効果、熱伝達、および構造力学が複雑に相互作用して組み合わされています」と彼は言います。 ビョルン・ショーディン、ストックホルムを拠点とするソフトウェア会社の製品管理担当上級副社長 コムソル。
COMSOL は、単一の現象 (回路の電磁的挙動など) をシミュレートするだけでなく、 全て 新しいテクノロジーを開発するために実際の動作条件でシミュレーションする必要がある関連する物理学。
エンジニアと開発者は 10 月 8 日から 10 日にかけてマサチューセッツ州バーリントンに集まり、COMSOL のイベントを開催しました。 年次ボストン会議そこでは、複数の同時物理パッケージを介したエンジニアリング シミュレーションについて議論しました。そして マルチフィジックスモデリング、新興分野と呼ばれるこの分野は、電動化の研究開発のコンポーネントとして登場しており、単にあれば良いというだけではなくなりつつあります。
「時々、シミュレーションを派手な研究開発のものだと考えている人もいると思います」と彼は言います。 ニローファル・カムヤーブ、COMSOL の化学エンジニア兼アプリケーション マネージャー。 「彼らはそれを実験の代替品と考えているからです。しかし、いいえ、実験はまだ行われる必要があります。ただし、実験はより最適化された効果的な方法で行うことができます。」
マルチフィジックスは電化を拡大できるか?
カミヤブ氏によれば、マルチフィジックスは場合によっては半分しか達成できないこともあります。
「バッテリーに関して言えば、シミュレーションには別の魅力があると思います」と彼女は言います。 「マルチですよ規模—バッテリーをさまざまなスケールでどのように研究できるか。非常に困難ではないにしても、実験的に行うのは不可能だと言える詳細な分析を得ることができます。」
その理由の 1 つは、バッテリーがセル レベルで複雑な動作 (および暴走反応) を明らかにするだけでなく、バッテリー パック レベルでも予測できない新たな方法で現れるためです。
「バッテリー パックのシミュレーションを行う人のほとんどは、熱管理が主な関心事の 1 つです」とカミヤブ氏は言います。 「このシミュレーションを行うと、それを回避する方法がわかります。機能不全に陥ったセルを再作成することになります。」さらに、熱暴走のマルチフィジックス シミュレーションにより、バッテリー エンジニアは、バッテリーの問題や火災を発生前に阻止するために、最も極端な条件下でも各設計がどのように動作するかを安全にテストできると付け加えました。
ワイヤレス充電システムは、独自の熱的課題を伴う電動化のもう 1 つの分野です。 「より高い電力レベルでは、コイルの局所的な加熱により導電率が変化します」と彼は言います。 ニーマル・パウデル、リードエンジニア ベリーストエンジニアリングそしてそれは、回路全体だけでなく、回路を囲むすべての要素の設計や性能も変える可能性があると彼は指摘しています。
電気モーターと電力コンバーターにも同様のシミュレーションの知識が必要です。 電気技術者および COMSOL 上級アプリケーション エンジニアによると ヴィグネーシュ・グルサミー、これらの古くからある電気主力技術を開発する古い方法は、今日ではあまり役に立たないことが判明しています。 「最近の多様な用途にわたる電動化の急増により、新しい最適な設計の開発が可能になるため、より総合的なアプローチが必要となります」とグルサミー氏は言います。
そして貨物輸送: 「トラックについては、人々が調査中です。 電池を使用すべきか? 燃料電池を使用すべきか？」ショディンは言う。 「燃料電池は、流体の流れ、熱伝達、化学反応、電気化学反応など、マルチフィジックスに非常に適しています。」
最後に、電力網自体があります。 「送電網は電力を継続的に供給できるように設計されています」とショーディン氏は言う。 「だから、電源があれば、 [like wind and solar] 常に電源をオフにしたりオンにしたりすると、まったく新しい問題が発生します。」
バッテリーおよび電気モーター設計におけるマルチフィジックス
このような総合的なアプローチをエンジニアリング シミュレーションに採用すると、予期せぬ利点も得られる可能性があるとカミヤブ氏は言います。 ベルリンに本拠を置く自動車エンジニアリング会社 たとえば、IAV は、複数のバッテリー形式と化学的性質を 1 つのパックに統合するパワートレイン システムを開発しています。 「ナトリウムイオン あなたにそのようなエネルギーを与えることはできません リチウムイオン 「そこで彼らは、それぞれの利点を得るために化学物質のブレンドを考え出し、その後、すべての化学物質に適合する熱管理を設計しました。」とカミヤブ氏は言います。
IAV で技術コンサルタントとして働く Jakob Hilgert は、最近 COMSOL 業界の事例研究に貢献しました。その中でヒルガート氏は、ナトリウムイオン電池とより高価なリチウム固体電池を組み合わせた二重化学電池パックの設計について説明した。
ヒルガート氏は、マルチフィジックス シミュレーションを使用することで、IAV チームは 2 つの化学の異なる特性を相互に作用させることができたと述べています。 「高温で動作できるセルと低温で動作できるセルがいくつかある場合、稼働率の高いセルの排熱を利用して稼働率の低いセルを加熱したり、その逆を行うことは有益です」とヒルガート氏は述べた。 「だからこそ、私たちは、より冷たい状態にしたい細胞から、より熱い状態にしたい細胞にエネルギーを移す冷却システムを思いついたのです。」
ショーディン氏によると、IAV はあらゆるものの電化の影響を受けるさまざまな業界における大きなトレンドの一部です。 「アルゴリズムの改善とハードウェアの改善は相乗効果をもたらします」と彼は言います。 「これがマルチフィジックス シミュレーションの未来です。これにより、ますます大規模で、より現実的なシステムをシミュレーションできるようになります。」
COMSOL の Gurusamy によると、GPU アクセラレータとサロゲート モデルにより、電気モーターの機能と効率が大幅に向上するとのことです。モーターコア内の銅線の巻線 (ステーターと呼ばれる) のような一見単純なコンポーネントでも、マルチフィジックスで最適化できるパラメーターが提供されます。
「電気モーター開発の主要なフロンティアは、電力密度と効率を新たな高みに押し上げることであり、熱管理が重要な課題として浮上しています」とグルサミー氏は言います。 「電磁シミュレーションと熱シミュレーションを組み合わせたマルチフィジックス モデルには、固定子巻線と磁性材料の温度依存の挙動が組み込まれています。」
パウデル氏は、シミュレーションによってワイヤレス充電の世界も変わりつつあると語ります。 「従来の設計サイクルでは、コイルの形状を微調整します」と彼は言います。 「現在、統合されたマルチフィジックス プラットフォームにより、柔軟な充電テキスタイルやリアルタイムで適応するスマート サーフェスなど、新しい充電アーキテクチャの探求が可能になっています。」
そして、カミヤブ氏によると、バッテリーは引き続き高出力密度と低価格化を目指しているという。これが変化しているのは、家電製品やEVなど、すでにバッテリーが使用されている業界だけではありません。大容量バッテリーは、電動垂直離着陸機 (eVTOL) などの新しい産業も推進しています。
「30 年前にあった多くのアイデアが現実になりつつあるのは、今ではそれらに電力を供給するためのバッテリーがあるからです」とカミヤブ氏は言います。 「それが長年のボトルネックでした。…そして私たちはバッテリー技術を前進させ続けていますが、次にどのような新しい技術やアプリケーションが可能になるかは誰にも分かりません。」
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