透過電池的數位孿生模擬技術，加速實現電動汽車的未來

隨著燃料價格飛漲，全球許多消費者已經漸漸向電動汽車 (EV) 買單。 政府官員和監管機構也在推動電動汽車的廣泛佈局，美國總統喬·拜登在近期雄心勃勃地制定了一系列的目標——包括到 2030 年在美國銷售的所有汽車中，電動汽車的銷量將佔一半以上。

世界各國的汽車製造商們，正全力投資電動汽車產品相關的開發計劃，以獲得市場先機。 到 2030 年，電動汽車的銷售額，預計將達到 8237.5 億美元（與 2021 年的銷售額相比，年增長率為 18.2%）。汽車工程團隊專注於使他們的產品安全、符合經濟效益且具最佳效能——這是三個最關鍵的產品屬性。

要推動電動汽車的全面化，此一工程挑戰的核心將是 EV 電池組的製造。 雖然高容量鋰離子電池（一種為電動汽車供電的選擇），自推出以來成本已大幅下降，但挑戰仍然存在。 它們的重量降低了其運行效率，每次充電範圍仍然相對小，而且隨著時間的推移，針對其性能下降程度仍存在許多未知數。

為了開發可用於電動汽車的商用電池設計，並提供長年的可靠性能，其產品開發團隊需要了解溫度、氣候、天氣狀況、使用模式、行駛速度、高和低充電狀態等因素可能造成的長期影響 ，以及電池設計的電流變化。

然而問題在於與電動汽車相關的科技相對較新，因此無法收集到太多關於電池性能的真實數據。 實體原型製作與道路測試成本高昂且耗時，尤其又需考慮到此一挑戰的急迫性。而這與許多其他複雜、緊迫的產品設計問題一樣——其解決方案就在於工程模擬。

Twin Builder：推動電池的快速驗證

多年來，Ansys 一直為電池設計提供端到端的模擬功能，使工程師能夠研究和管理熱問題、建立電池管理系統並克服其他挑戰。 如今，Ansys Twin Builder 作為一種獨特的模擬解決方案，可以隨著時間的推移完全複製電動汽車的電池在真實條件下的性能。

Ansys Twin Builder 究竟是如何運作的？ 數位孿生是產品的虛擬複製品，例如在開發電動汽車的電池系統時，工程師可以導入真實世界的運行參數並研究其影響。 工程師透過安裝在實際使用的電池上的感應器，將即時的性能數據輸入到該電池的模擬模型中。 為了節省時間和計算工作量，Twin Builder 採用Ansys專有降階建模 (ROM) 功能，此功能專注於分析關鍵的性能表現。 ROM 透過簡化計算複雜性，將運行時間從幾小時縮短到幾秒，然而同時提供極高標準的工程分析。

雖然無法看到實際運作中鋰離子的電池內部，但 Twin Builder 可以顯示電池設計在受到各種熱、化學、機械、電氣和其他影響時將發生的狀況。 開發團隊可以視覺化電池中的流體流動、結構應力、材料降解與溫度變化。 在工程師檢測到性能偏差和故障時，他們可以使用新的物理設計功能（例如冷卻系統和改進的控制演算法）來糾正這些錯誤。 這將顯著加速開發週期——再也無需建構實體原型或從已上線的服務中移除部分產品。

透過瞬態研究和預測分析，工程師可以使用 Twin Builder 查看各種條件下電動汽車的長期電池性能。 他們將可以回答以下問題：不同的溫度控制策略會如何影響車輛的續航力？ 車輛可以被啟動多少次而不會使電池組過熱？ 如果電動汽車發生碰撞，電池能否還能安全地運行？ 產品開發團隊可以對數位孿生模型進行各種假設與研究，而不再需要將實際產品置於所有操作條件下才能進行測試。

工程團隊不僅可以利用 Twin Builder 來辨識故障原因與防止故障發生，還可以根據特定地理區域的地形、當地駕駛行為和大氣條件客製化電池設計。 例如，電池在挪威的寒冷溫度和沙烏地阿拉伯的炎熱溫度下，電池的老化可能會有很大差異。因此這些關鍵變化在不同運行條件下，可以反映在不同市場的產品供應中。

Twin Builder 使電動汽車製造商在引入新電池設計時，可以提前預測維修和維護需求，避免消費者客訴的狀況發生，並為產品滿意度與品牌忠誠度奠定紮實基礎。

為了幫助工程師更快地進行電池分析，Ansys 在 Twin Builder 中創建了一個名為 Battery Wizard 的功能，該功能通過逐步處理程序，簡化了問題設置的流程。 工程師可以快速指定電池配置、電池參數以及電池充電狀態和溫度等變量。 此功能再與 Twin Builder 的簡易使用者介面和開放的供應商平台相結合，可使電動汽車開發團隊快速啟動並開始建立他們的數位孿生模型。

引領電動汽車電池的創新

隨著市場壓力不斷增長，同時帶來更多意想不到的商機，毫無疑問地，革命性的電動汽車電池設計即將到來。 然而唯一的問題是，誰將能領先業界，準確地進行電池的驗證分析並將產品推向市場？ Ansys Twin Builder 是您的解決方案，將為您的產品開發團隊帶來絕佳的競爭優勢。

眾多產業領導者已經在導入 Twin Builder 以獲得市場優勢。 電池製造商 A123 最近使用 Ansys Twin Builder 對 48 伏的液冷電池組進行建模。

A123 Systems 表示，借助模擬的能力，A123 可以判斷對電氣性能的熱依賴性、設計冷卻供應、計算溫度分佈並預測電池壽命。 A123 還利用 Ansys Twin Builder 的 ROM 技術來簡化複雜的 3D 熱模擬，從而將模擬運算時間從幾天縮短到幾秒鐘內完成，並仍保持所需的準確度。

Ansys於物理的模擬方面具悠久的發開歷史，且一直抱持領先業界，沒有任何軟體商更有資格幫助您啟動數位孿生計劃，並協助您在開發 EV 電池的長跑賽中，持續領先其他競爭者。 Ansys Twin Builder 還可以幫助您的團隊，降低與避免電池故障和產品召回的情況發生、優化維護與維修，並大幅減少產品開發時間與成本。 Ansys Twin Builder 的強大功能，是不是讓您躍躍欲試？那就立即開始，為您的 EV 電池開發工程 power up 吧！

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 Ansys Digital Twin 網路研討會系列，涵蓋與數位孿生模型相關的各種主題。 此場「使用 Ansys Twin Builder 進行電池和燃料電池系統建模」，可以提供您更多資訊，以了解有關如何使用數位孿生模型快速構建準確的系統模型。 您還可以申請免費試用 Ansys Twin Builder，親身體驗 Ansys Twin Builder 的強大能力。

引用文章出處

1. Fact Sheet: President Biden Announces Steps to Drive American Leadership Forward on Clean Cars and Trucks, The White House, Aug. 5, 2021
2. Electric Vehicle Market, Allied Market Research, January 2022
3. A Behind the Scenes Take on Lithium-ion Battery Prices, May 5, 2019, BloombergNEF