Az elektromos technológiák rohamos fejlődése és a „mindent elektromossá tenni” törekvés új kihívásokat hoz magával a mérnöki fejlesztésekben. A laboratóriumi prototípusok gyakran nem állják ki a valós körülmények próbáját, különösen akkor, amikor az energia tárolása és kezelése nagy hálózati méretekben vagy járművekben – legyen szó autókról, teherautókról vagy repülőgépekről – válik szükségessé. Ebben a komplex környezetben a hagyományos, leegyszerűsített modellek sokszor nem képesek megbízható eredményeket adni.
A multifizikai szimulációk jelentősége az elektromos rendszerek fejlesztésében
Bjorn Sjodin, a stockholmi COMSOL szoftvercég termékmenedzsmentért felelős alelnöke így fogalmaz: „Az elektrifikáció lényegében az elektromágneses hatások, hőátadás és szerkezeti mechanika bonyolult kölcsönhatásának kombinációja.” A COMSOL célja nem csupán egyetlen fizikai jelenség – például egy áramkör elektromágneses viselkedése – szimulálása, hanem az összes releváns fizikai folyamat egyidejű modellezése annak érdekében, hogy a fejlesztések valós körülmények között is működőképesek legyenek.
Éppen ezért került sor 2023. október 8-10. között Massachusetts állambeli Burlingtonban a COMSOL éves konferenciájára, ahol mérnökök és fejlesztők osztották meg tapasztalataikat a multifizikai szimulációk alkalmazásáról. Ez az új terület mára már nem csupán „luxus” kutatás-fejlesztési eszköz, hanem alapvető fontosságú része az elektrifikációs innovációknak.
A multifizikai modellezés és az elektrifikáció kapcsolata
Niloofar Kamyab, a COMSOL kémiai mérnöke és alkalmazásmenedzsere rámutat: „Sokan még mindig úgy gondolják, hogy a szimuláció csupán egy kísérleteket helyettesítő eszköz. Pedig nem helyettesíti azokat, hanem optimalizáltabbá és hatékonyabbá teszi a kísérletezést.”
A multifizika korlátai és előnyei az akkumulátorfejlesztésben
Kamyab szerint a multifizikai szimulációk csak részben fedik le a teljes képet. Az akkumulátorok esetében ugyanis nemcsak egyetlen skálán kell vizsgálni őket, hanem több méret- és időskálán keresztül is. Ez lehetővé teszi olyan mélyreható elemzések elvégzését, amelyek kísérleti úton szinte lehetetlenek.
Az akkumulátorok működése során bonyolult jelenségek lépnek fel: például a cellaszintű viselkedés mellett előfordulhatnak váratlan reakciók az egész akkumulátorcsomag szintjén is. A hőkezelés és a termikus menedzsment kulcsfontosságú tényezők ebben a folyamatban.
Kamyab kiemeli: „A legtöbb akkumulátorcsomag-szimulációban a termikus menedzsment az egyik legfontosabb tényező. Ezekkel a modellekkel meg tudjuk előzni a hibás cellák okozta problémákat.” A multifizikai szimuláció segítségével biztonságosan tesztelhetők extrém körülmények között is az akkumulátorok viselkedései, így megelőzhetőek a termikus runaway jelenségek és az ebből fakadó tüzek.
Vezeték nélküli töltőrendszerek és elektromos motorok kihívásai
A vezeték nélküli töltőrendszerek szintén komoly hőkezelési problémákkal néznek szembe. Nirmal Paudel, a massachusettsi Veryst Engineering vezető mérnöke elmagyarázza: „Magasabb teljesítményszinteken az indukciós tekercsek lokális felmelegedése megváltoztatja azok vezetőképességét, ami befolyásolja az egész áramkört és annak környezetét.”
Az elektromos motorok és teljesítményátalakítók fejlesztése is egyre inkább igényli ezt a komplex megközelítést. Vignesh Gurusamy, COMSOL vezető alkalmazási mérnöke szerint: „Az elektrifikáció gyors terjedése újfajta holisztikus szemléletet követel meg, amely lehetővé teszi optimálisabb tervek kidolgozását.”
Elektrifikációs dilemmák és megoldások teherautókban és hálózatokban
Sjodin rámutat arra is, hogy például teherautók esetén még mindig kérdéses, hogy akkumulátort vagy üzemanyagcellát érdemes-e használni. Az üzemanyagcellák különösen alkalmasak multifizikai modellezésre, hiszen egyszerre kell kezelni bennük a folyadékáramlást, hőátadást, kémiai és elektrokémiai reakciókat.
A villamosenergia-hálózat önmagában is új kihívásokkal néz szembe: „A hálózatot folyamatos energiaellátásra tervezték,” magyarázza Sjodin. „De amikor olyan források kapcsolódnak be és ki folyamatosan, mint a szél- vagy napenergia, teljesen új problémák merülnek fel.”
Gyakorlati példák: multifizika az akkumulátor- és motorfejlesztésben
Kamyab szerint ez az átfogó megközelítés váratlan előnyöket is hozhat. Például az IAV berlini autóipari mérnöki vállalat olyan hajtáslánc-rendszereket fejleszt, amelyek többféle akkumulátorformátumot és kémiát integrálnak egyetlen csomagban.
Jakob Hilgert technikai tanácsadóként részt vett egy COMSOL ipari esettanulmány elkészítésében, amelyben egy kettős kémiájú akkumulátorcsomag tervezését mutatta be. Ez a csomag nátrium-ion cellákat kombinál egy drágább lítium-ion szilárdtest akkumulátorral.
„A multifizikai szimuláció lehetővé tette számunkra, hogy kihasználjuk mindkét kémia eltérő tulajdonságait,” mondta Hilgert. „Ha vannak cellák magas hőmérsékleten működve és mások alacsony hőmérsékleten, akkor hasznos lehet a magasabb hőmérsékletű cellák hulladékhőjét felhasználni az alacsonyabb hőmérsékletű cellák melegítésére – illetve fordítva.” Így alakítottak ki egy olyan hűtőrendszert, amely átcsoportosítja az energiát azok között a cellák között, amelyek inkább hűvösebb vagy melegebb állapotot igényelnek.”
A jövő kilátásai: nagyobb rendszerek és hatékonyabb technológiák
Sjodin szerint ez csak egy része annak a szélesebb trendnek, amely számos iparágat érint az elektrifikáció terjedésével együtt: „Az algoritmusfejlesztések és hardverfejlesztések egymást erősítve hozzák el azt a jövőt, amikor egyre nagyobb és valósághűbb rendszereket tudunk modellezni.”
Gurusamy hozzáteszi: „A GPU gyorsítók és helyettesítő modellek (surrogate models) ugrásszerű fejlődést hoznak az elektromotorok képességeiben és hatékonyságában.” Még olyan látszólag egyszerű alkatrészek paraméterei is optimalizálhatók multifizikai modellezéssel, mint például egy motor állórészének rézhuzalai.
„Az elektromotor-fejlesztés egyik fő célja ma már a teljesítménysűrűség növelése és hatékonyság javítása,” mondja Gurusamy. „Ebben kulcsszerepet kapnak azok a modellek, amelyek elektromágneses és termikus szimulációkat kapcsolnak össze úgy, hogy figyelembe veszik például az állórész tekercsek és mágneses anyagok hőmérsékletfüggő viselkedését.”
Innovációk vezeték nélküli töltésben és akkumulátor-technológiában
Paudel szerint a vezeték nélküli töltési technológiák is forradalmi változásokon mennek keresztül: „A hagyományos tervezési ciklusok során csak tekercsgeometriákat módosítottak. Ma már integrált multifizikai platformokon keresztül új töltési architektúrákat vizsgálhatunk – például rugalmas töltőtextileket vagy valós idejű alkalmazkodásra képes okos felületeket.”
Kamyab hangsúlyozza továbbá, hogy az akkumulátorok iránti igény folyamatosan nő mind nagyobb energiasűrűség és alacsonyabb ár irányába. Ez nemcsak a hagyományos iparágakat érinti (például fogyasztói elektronika vagy elektromos járművek), hanem új területeket is nyit meg – ilyenek például az elektromos függőleges felszállású repülőgépek (eVTOL-ok).
„Azért válnak valóra olyan ötletek ma már, amelyek 30 évvel ezelőtt csak álomnak tűntek,” mondja Kamyab. „Mindez azért lehetséges, mert most már rendelkezünk olyan akkumulátorokkal, amelyek képesek ezeket meghajtani – ez volt sokáig a legnagyobb akadály… Ahogy továbbfejlesztjük az akkumulátor-technológiát, ki tudja milyen új alkalmazások nyílnak majd meg előttünk?”
Összegzés
A multifizikai szimulációk alkalmazása alapvetően formálja át azt, ahogyan ma fejlesztjük az elektromos rendszereket – legyen szó akkumulátorokról, motorokról vagy energiahálózatokról. Az összetett fizikai jelenségek párhuzamos modellezése lehetőséget ad arra, hogy biztonságosabb, hatékonyabb és innovatívabb technológiákat hozzunk létre. Ezáltal közelebb kerülünk ahhoz a jövőhöz, ahol minden eszközünk fenntartható módon működik majd villamos energiával.
Forrás: https://spectrum.ieee.org/comsol-multiphysics-electrification-of-everything