تعمل COMSOL Multiphysics على تحسين تصميمات البطاريات والشبكات

تظهر مشكلة النماذج الأولية في الجهود المبذولة اليوم لكهربة كل شيء. ما يعمل كنموذج بالحجم الطبيعي لمقاعد المختبر ينكسر في الواقع. يعد تسخير الطاقة وتخزينها بأمان على نطاق الشبكة وفي السيارات والشاحنات والطائرات مشكلة صعبة للغاية لا يمكن للنماذج المبسطة في بعض الأحيان أن تتطرق إليها.

يقول: “في جوهر عملية الكهربة، يوجد هذا المزيج من التأثيرات الكهرومغناطيسية، ونقل الحرارة، والميكانيكا الهيكلية في تفاعل معقد”. بيورن سجودين، نائب الرئيس الأول لإدارة المنتجات في شركة البرمجيات التي يقع مقرها في ستوكهولم كومسول.

COMSOL هي شركة برمجيات بحث وتطوير هندسية تسعى إلى محاكاة ليس فقط ظاهرة واحدة – على سبيل المثال، السلوك الكهرومغناطيسي للدائرة – ولكن بدلاً من ذلك الجميع الفيزياء ذات الصلة التي يجب محاكاتها لتطوير تقنيات جديدة في ظروف التشغيل في العالم الحقيقي.

اجتمع المهندسون والمطورون في برلينجتون بولاية ماساتشوستس في الفترة من 8 إلى 10 أكتوبر لحضور مؤتمر COMSOL مؤتمر بوسطن السنويحيث ناقشوا عمليات المحاكاة الهندسية عبر حزم فيزيائية متعددة متزامنة. و نمذجة الفيزياء المتعددة، كما يُطلق على هذا المجال الناشئ، برز كعنصر من عناصر البحث والتطوير في مجال الكهربة والذي أصبح أكثر من مجرد شيء جميل.

يقول: “في بعض الأحيان، أعتقد أن بعض الناس ما زالوا ينظرون إلى المحاكاة على أنها شيء خيالي في مجال البحث والتطوير”. نيلوفر كامياب، مهندس كيميائي ومدير التطبيقات في COMSOL. “لأنهم يرون أنها بديل للتجارب. ولكن لا، لا تزال هناك حاجة إلى إجراء التجارب، على الرغم من أنه يمكن إجراء التجارب بطريقة أكثر فعالية ومثالية.”

هل تستطيع الفيزياء المتعددة توسيع نطاق الكهربة؟

يقول كامياب إن الفيزياء المتعددة يمكن أن تكون في بعض الأحيان نصف اللعبة فقط.

وتقول: “أعتقد أنه عندما يتعلق الأمر بالبطاريات، هناك عامل جذب آخر عندما يتعلق الأمر بالمحاكاة”. “إنها متعددةحجم– كيف يمكن دراسة البطاريات عبر مستويات مختلفة. يمكنك الحصول على تحليل متعمق، إن لم يكن صعبًا للغاية، أود أن أقول أنه من المستحيل القيام به تجريبيًا.

ويرجع ذلك جزئيًا إلى أن البطاريات تكشف عن سلوكيات معقدة (وردود أفعال جامحة) على مستوى الخلية، ولكن أيضًا بطرق جديدة لا يمكن التنبؤ بها على مستوى حزمة البطارية أيضًا.

يقول كامياب: “معظم الأشخاص الذين يقومون بمحاكاة حزم البطاريات يعتبرون الإدارة الحرارية أحد اهتماماتهم الأساسية”. “أنت تقوم بهذه المحاكاة حتى تعرف كيفية تجنبها. أنت تقوم بإعادة إنشاء خلية بها خلل.” وتضيف أن محاكاة الفيزياء المتعددة للهروب الحراري تمكن مهندسي البطاريات من اختبار كيفية تصرف كل تصميم بأمان حتى في أكثر الظروف قسوة، من أجل إيقاف أي مشاكل أو حرائق في البطارية قبل حدوثها.

تعد أنظمة الشحن اللاسلكي مجالًا آخر من مجالات الكهرباء، مع ما تواجهه من تحديات حرارية خاصة بها. يقول: “عند مستويات الطاقة الأعلى، يؤدي التسخين الموضعي للملف إلى تغيير موصليته”. نيرمال باودل، مهندس رئيسي في الهندسة الفائقة، وهي شركة استشارية مقرها في نيدهام بولاية ماساتشوستس. ويشير إلى أن ذلك بدوره يمكن أن يغير الدائرة بأكملها بالإضافة إلى تصميم وأداء جميع العناصر المحيطة بها.

تتطلب المحركات الكهربائية ومحولات الطاقة خبرة مماثلة في المحاكاة. وفقًا للمهندس الكهربائي ومهندس التطبيقات الأول في COMSOL فيجنيش جوروسامي، أثبتت الطرق القديمة لتطوير هذه التقنيات الكهربائية القديمة أنها أقل فائدة اليوم. يقول جوروسامي: “إن الطفرة الأخيرة في استخدام الكهرباء عبر التطبيقات المتنوعة تتطلب نهجًا أكثر شمولية لأنها تمكن من تطوير تصميمات مثالية جديدة”.

و نقل البضائع: “بالنسبة للشاحنات، يقوم الناس بالتحقيق، هل يجب أن نستخدم البطاريات؟ هل يجب أن نستخدم خلايا الوقود؟؟” يقول سجودين. “إن خلايا الوقود صديقة جدًا للفيزياء المتعددة – تدفق السوائل، ونقل الحرارة، والتفاعلات الكيميائية، والتفاعلات الكهروكيميائية.”

وأخيرًا، هناك الشبكة الكهربائية نفسها. يقول سجودين: “تم تصميم الشبكة لتوفير إمدادات مستمرة من الطاقة”. “لذلك عندما يكون لديك مصادر الطاقة [like wind and solar] عند إيقاف التشغيل وتشغيله طوال الوقت، ستواجه مشاكل جديدة تمامًا.

الفيزياء المتعددة في تصميم البطاريات والمحركات الكهربائية

يقول كامياب إن اتباع مثل هذا النهج الشامل في عمليات المحاكاة الهندسية يمكن أن يؤدي أيضًا إلى فوائد غير متوقعة. شركة هندسة السيارات ومقرها برلين اي ايه في، على سبيل المثال، تعمل على تطوير أنظمة نقل الحركة التي تدمج تنسيقات وكيمياء البطاريات المتعددة في حزمة واحدة. “أيون الصوديوم لا يمكن أن تعطيك الطاقة التي أيون الليثيوم يقول كامياب: “يمكن أن يعطي. لذا توصلوا إلى مزيج من الكيميائيات، للحصول على فوائد كل منها، ثم صمموا إدارة حرارية تتوافق مع جميع الكيميائيات”.

ساهم جاكوب هيلجيرت، الذي يعمل كمستشار فني في IAV، مؤخرًا في دراسة حالة صناعة COMSOL. في كتابه، وصف هيلجرت تصميم مجموعة البطاريات الكيميائية المزدوجة التي تجمع بين خلايا أيون الصوديوم وبطارية الليثيوم ذات الحالة الصلبة الأكثر تكلفة.

يقول هيلجيرت إن استخدام محاكاة الفيزياء المتعددة مكّن فريق IAV من التلاعب بالخصائص المختلفة للكيميائيتين عن بعضهما البعض. وقال هيلجيرت: “إذا كان لدينا بعض الخلايا التي يمكن أن تعمل في درجات حرارة عالية وبعض الخلايا التي يمكن أن تعمل في درجات حرارة منخفضة، فمن المفيد أن نأخذ حرارة العادم من الخلايا ذات التشغيل الأعلى لتسخين الخلايا ذات التشغيل الأقل، والعكس صحيح”. “لهذا السبب توصلنا إلى نظام تبريد يحول الطاقة من الخلايا التي تريد أن تكون في حالة أكثر برودة إلى الخلايا التي تريد أن تكون في حالة أكثر سخونة.”

وفقًا لسجودين، يعد IAV جزءًا من اتجاه أكبر في مجموعة من الصناعات التي تتأثر بكهربة كل شيء. ويقول: “تتضاعف التحسينات الخوارزمية وتحسينات الأجهزة معًا”. “هذا هو مستقبل محاكاة الفيزياء المتعددة. سوف يسمح لك بمحاكاة أنظمة أكبر وأكبر وأكثر واقعية.”

وفقًا لجوروسامي من COMSOL، تسمح مسرعات وحدة معالجة الرسومات والنماذج البديلة بقفزات أكبر في قدرات وكفاءات المحرك الكهربائي. حتى المكونات التي تبدو بسيطة، مثل لفات الأسلاك النحاسية الموجودة في قلب المحرك (وتسمى الجزء الثابت)، توفر معلمات يمكن للفيزياء المتعددة تحسينها.

يقول جوروسامي: “إن الحدود الأساسية في تطوير المحركات الكهربائية هي دفع كثافة الطاقة وكفاءتها إلى آفاق جديدة، مع ظهور الإدارة الحرارية كتحدي رئيسي”. “نماذج الفيزياء المتعددة التي تجمع بين المحاكاة الكهرومغناطيسية والحرارية… تدمج السلوك المعتمد على درجة الحرارة في اللفات الثابتة والمواد المغناطيسية.”

يقول بوديل إن المحاكاة تعمل أيضًا على تغيير عالم الشحن اللاسلكي. يقول: “دورات التصميم التقليدية تعدل هندسة الملفات”. “اليوم، تتيح منصات الفيزياء المتعددة المتكاملة استكشاف بنيات الشحن الجديدة، بما في ذلك منسوجات الشحن المرنة والأسطح الذكية التي تتكيف في الوقت الفعلي.

والبطاريات، بحسب كامياب، تواصل الدفع نحو كثافة طاقة أعلى وأسعار أقل. وهذا لا يغير فقط الصناعات التي تستخدم فيها البطاريات بالفعل، مثل الإلكترونيات الاستهلاكية والمركبات الكهربائية. تقود البطاريات ذات السعة العالية أيضًا صناعات جديدة مثل طائرات الإقلاع والهبوط العمودي الكهربائية (eVTOLs).

يقول كامياب: “إن السبب وراء تحول العديد من الأفكار التي كانت لدينا قبل 30 عامًا إلى حقيقة هو أننا نمتلك الآن البطاريات اللازمة لتشغيلها”. “لقد كان هذا هو عنق الزجاجة لسنوات عديدة…. وبينما نواصل دفع تكنولوجيا البطاريات إلى الأمام، من يدري ما هي التقنيات والتطبيقات الجديدة التي سنجعلها ممكنة بعد ذلك.”