تطبيق محاكاة يسرّع تصميم بطاريات الشاحنات الكهربائية
في عالم اليوم سريع الخطى، أصبحت خيارات التوصيل السريع مثل الشحن خلال يومين أو يوم واحد أو حتى في اليوم نفسه أمرًا معتادًا. وعلى الرغم من انتشار مراكز التنفيذ والتوزيع المحلية، لا تزال شاحنات التوصيل تواجه تحديات الرحلات الطويلة، وغالبًا على الطرق السريعة. ولتقليل تكاليف الوقود والصيانة، فضلًا عن انبعاثات الكربون، تتجه الشركات بشكل متزايد إلى الاستثمار في الشاحنات الكهربائية لأسطولها. ومع ذلك، غالبًا ما لا تلبي حزم البطاريات المستخدمة في هذه المركبات متطلبات العمر الافتراضي اللازم للرحلات الطويلة على الطرق السريعة.
لمعالجة مشكلة عمر البطارية، دمج تحالف من الجامعات وشركاء الصناعة المحاكاة متعددة المقاييس وتطبيق simulation app مخصص في عملية تصنيع البطاريات. ويضم المشروع عدة مؤسسات، من بينها Aurobay وResolvent والمفوضية الأوروبية وجامعة الدنمارك التقنية (DTU) وVinnova (الوكالة السويدية لأنظمة الابتكار) وInnovation Fund Denmark وVolvo Group Trucks Operations.
يتيح تطبيق المحاكاة، الذي طورته Resolvent، وهي شركة استشارات هندسية مقرها الدنمارك وتركز على الطاقة الخضراء، لقسم البحث والتطوير في Volvo تقييم أداء عمر البطارية بكفاءة.
مشروع LaserBATMAN
انطلق مشروع المحاكاة متعددة المقاييس للحام بالليزر لتصنيع حزم البطاريات المثلى، المعروف باسم “LaserBATMAN”، في مايو 2022 ومن المقرر أن ينتهي في مايو 2025. وبينما يشير الاختصار BATMAN إلى تصنيع البطاريات، تستهدف أهداف المشروع تحقيق تقدم كبير في تقنية البطاريات.
يركز LaserBATMAN على تحسين مقياسين حاسمين لأداء حزم البطاريات: المتانة والعمر الافتراضي. ومن الجوانب الرئيسية في عملية تصنيع البطاريات التي تؤثر على هذين المقياسين اللحام بالليزر المستخدم لربط المكونات، مثل توصيل خلايا البطارية عبر busbar. ويمكن للحام بالليزر المنفذ بشكل صحيح أن يعزز عمر البطارية، في حين قد تؤدي التقنيات غير الصحيحة إلى تدهورها. وتؤدي النمذجة الحاسوبية دورًا حيويًا في تحليل وتوقع تأثيرات عمليات اللحام طوال عملية التصنيع.
وأشار Martin Refslund Nielsen، الرئيس التجاري السابق والشريك في Resolvent، إلى أنه لمعالجة مثل هذه التحديات متعددة الفيزياء ومتعددة المقاييس، فإن “COMSOL Multiphysics هي الأداة المناسبة تمامًا”.
سير عمل البحث والتطوير وتطوير التطبيق
استخدم فريق Resolvent برنامج COMSOL Multiphysics لدراسة كيفية تأثير اللحام بالليزر على الكيمياء الكهربائية وتدهور خلايا البطارية. وركز المشروع في البداية على هذا الجانب، ولكن مع تنامي الطموحات، وسّع الفريق نطاق النمذجة ليشمل البطارية بأكملها، من مستوى الخلية إلى مستوى الحزمة، ليحوّل النموذج في النهاية إلى أداة تصميم.
وبعد تدريب الشبكة العصبية العميقة (DNN) لنموذج البطارية، أنشأ الفريق تطبيق محاكاة مخصصًا لتحسين ألسنة busbar ضمن تكوين حزمة البطارية. وبدأوا بتطوير نموذج كهروكيميائي لخلية بطارية، يتضمن صيغًا لحركية التفاعلات الكيميائية ذات الصلة. ثم استُخدم هذا النموذج على مستوى الخلية لتدريب الشبكة العصبية العميقة، مما أتاح رؤى سريعة حول سلوك الخلية.
أداة تصميم لحام busbar
يتضمن تطبيق المحاكاة خيارات متنوعة، من بينها إدخال أبعاد هندسة الحزمة وعدد الخلايا وظروف التشغيل مثل درجة الحرارة المحيطة ومنحنيات تيار الشحن والتفريغ. ويمكن للمستخدمين تطبيق تيار شحن بسيط وتحميل دورات مخصصة، مما يتيح لهم مراقبة أداء البطارية في ظروف محددة.
ومن الميزات البارزة في تطبيق Resolvent أداة تصميم لحام busbar، التي وصفها Nielsen بأنها “أداة داخل أداة”. وتتيح هذه الوظيفة للمستخدمين حساب أداء لحام busbar بكفاءة بعد دورات متعددة. وبالنقر على الزر، يمكن للمستخدمين الوصول إلى نافذة تتضمن خيارات لضبط معلمات مثل شكل اللحام وسماكة busbar وعمق اختراق الليزر.
وشدد Nielsen على أهمية هذه الأداة للتصميم المتين، إذ تتيح للمستخدمين استكشاف التباينات في معلمات الإدخال وتقييم النتائج الإنتاجية المحتملة إذا كان اختراق اللحام غير كافٍ.
تحسين أداء البطارية
تتضمن واجهة مستخدم التطبيق زر Compute Battery، الذي يتيح للمستخدمين تقييم درجة حرارة اللحام وحالة الشحن وسماكة طبقة الواجهة الصلبة-الكهرلية (SEI). وتساعد هذه النتائج فريق الهندسة في تحديد فرص تحسين التصميم، مثل تطبيق تدفقات تبريد لمراقبة تأثيرات الاضطراب أو الهواء الراكد.
وأبرز Nielsen أن تطبيقات المحاكاة تسهل التحليل وإعداد التقارير بشكل متسق، مما يجعل مشاركة المعرفة أكثر بديهية. وقال: “نحن الآن في وضع أفضل بكثير لتحسين الأداء وزيادة المتانة”.
ويهدف تطبيق المحاكاة المخصص الذي طوره تحالف LaserBATMAN إلى إنتاج تصاميم بطاريات أكثر مرونة قادرة على دعم رحلات أطول على الطرق السريعة مع أعطال أقل، مع تعزيز مبادرات الطاقة الخضراء في الوقت نفسه.
المراجع
- “LaserBATMAN”، University of Skovde، تم الوصول إليه في 08/21/2025، https://www.his.se/en/research/virtual-engineering/virtual-manufacturing-processes/LaserBatman/.
- R. Nielsen، “Keynote: Optimizing Lifetime and Robustness of Electric Truck Batteries with Simulation Apps”، COMSOL Conference 2024 Florence، أكتوبر 2024.
رابط ذو صلة: comsol.com
المصدر: IEEE Spectrum