隨著全球減少溫室氣體 (GHG) 排放的永續倡議日益增加，對再生能源的關注也持續升溫。然而，再生能源可能成本高昂、受地區限制，且不夠可靠。基於這些原因，電池儲能系統 (BESS) 對廣泛採用再生能源而言極具影響力。
電池儲能透過收集並儲存來自太陽能與風能等再生資源產生的多餘電力，來支援再生能源。這讓人們即使在再生資源無法產生足夠電力時，也能夠使用再生能源。有了這種環保吸引力，根據 McKinsey & Co. 的預測，全球 BESS 市場預計在 2030 年前將突破 1,200 億美元。持續轉向電動車 (EV) 發展的普遍趨勢很可能是推動此預期成長的一大主因。
Element Energy 成立於 2019 年，該公司當時已意識到永續電池系統日益增長的需求。自那時起，這家位於加州的新創公司便致力於提升大型電池系統的安全性、智慧性與經濟效益，同時支援電池的循環經濟。其主要關注的領域之一是「二次壽命電池」(SLB) 應用 — 也就是回收使用過的電池並重新部署，以擴充能源儲存能力。
除了透過 Ansys 新創公司計畫取得 Ansys 模擬技術的存取權外，Ansys 精選的通路合作夥伴 KETIV Technologies 也提供了關鍵指導，加速 Element Energy 對進階模擬技術的採用，使其能夠在虛擬環境中進行迭代設計變更。這大幅降低了對實體原型與測試的需求，而這些往往耗時又昂貴。透過整合 Ansys 的結構、流體與電子模擬技術，這家注重環保的新創公司得以最佳化設計、將開發時間減半並降低成本，同時持續達成其發展永續電池解決方案的使命。
瞭解 BMS 技術
是什麼讓 Element Energy 有別於其他電池管理系統 (BMS) 公司？根據這家新創公司的說法，其電池儲能技術更安全、壽命更長，且輸出更高。為什麼他們可以做到這點？該公司表示關鍵在於其透過 Ansys 模擬所設計的技術架構。
「我們在系統各層級的工程設計決策中積極使用 Ansys 工具。」Element Energy 工程副總裁 Corrado Cammi 表示。
該團隊自 2021 年開始整合 Ansys 多重物理量模擬，如今在工作流程中會經常導入七項 Ansys 解決方案。
傳統的電池管理系統 (BMS) 架構為靜態架構並由集中式系統控制，而 Element Energy 的 BMS 架構則是分散式的自適應架構，每個模組都配有專屬的電源轉換能力。
傳統的 BMS 架構為靜態架構並由集中式系統控制，而 Element Energy 的 BMS 架構則是分散式的自適應架構，每個模組都配有專屬的電源轉換能力。換句話說，在傳統的電池組中，電芯是串聯連接，並透過集中式 BMS 對其進行監控。因此，在充電或放電過程中，不論其實際狀態為何，每個電芯都承受相同的負載。例如，即使電芯的健康狀態、劣化程度或安全性不同，它們仍會以相同速率充放電。
相對地，Element Energy 的架構將 BMS 功能與電源控制結合，並採取分散式方法。在這類系統中，每個由少數串聯電芯組成的模組，皆由嵌入電源轉換階段功能的 BMS 板進行控制。這讓每個電芯都能被獨立監控，而模組的電力負載則透過電源轉換階段來控制。在 Element Energy 的 BMS 中，一個電池組由多個串聯模組組成，並且可對各模組的電源負載或運作模式進行個別控制。
Element Energy 致力於提升大型電池系統的安全性、智慧性與經濟效益，同時支援電池的循環經濟。
此外，Element Energy 的 BMS 也支援雲端監控。雖然不是每個控制單元都直接連接至雲端，但資料會先由與雲端通訊的主控制器進行彙整。多虧有上述的架構設計，Element Energy 的系統能在整體系統根據其商業應用持續運作的同時，針對一個或多個模組進行持續且順暢的診斷測量。這讓運行於雲端的演算法能準確判斷每顆電芯的健康狀況、劣化程度或安全性。分析結果隨後會從雲端傳送至本機控制器，以管理電池組的處理量、使用壽命與安全性。
「打造永續電池解決方案是我們的首要目標與使命宣言。」Cammi 表示。「我們的主要重點之一，是將我們的技術應用於 SLB 應用上。我們可以回收例如退役電動車上的舊電池，整合我們的硬體/軟體解決方案，並重新將其部署為至少可使用 10 年的能源儲存裝置。我們之所以能夠有效達成這一點，正是因為我們的架構與其所帶來的效益，即處理量管理、壽命延長以及更高的安全性。」
Element Energy 的 BMS 能為即將進入生命週期末端，或被原始設備製造商 (OEM) 認定為不良品的 EV 電池帶來新生。當這些電池經過翻新並重新製造後，所儲存的能源會重新導回電網，並通常供應給私人能源供應商。根據該公司的說法，這種針對 SLB 儲能的循環經濟作法，能實現電池整體使用壽命中高達 40% 的電池可用性總成本。
Element Energy 的 BMS 能為接近壽命終點的電動車 (EV) 電池，或是被原始設備製造商 (OEM) 認定為不良品的電池帶來新生。
該公司表示，Element Energy 採用的二次壽命電池 (SLB) 儲能循環經濟作法，能實現電池整體使用壽命中高達 40% 的電池可用性總成本。
Element Energy 已預留超過 2 百萬瓩時 (GWh) 容量的 SLB 儲能。
截至目前，Element Energy 已預留超過 2 百萬瓩時 (GWh) 的 SLB 儲能，並在德州新建了一座 53 兆瓦時 (MWh) 的 SLB 電廠 — 該公司表示，這是同類型中全球最大的電網。為了讓這個電量更具體一點，我們可以轉換成每度電 (kWh) 來思考。一座 53 MWh 的電廠容量即相當於 53,000 kWh，而 Element Energy 的電廠大約使用了 900 組退役的電動車電池組。現在，想像一下 2 GWh — 那就是 2 百萬 kWh，相當於將近 34,000 組退役電動車電池組。
Element Energy 在德州的電廠擁有 53 兆瓦時的 SLB 儲能容量
應用模擬於 BMS 解決方案中
Ansys 多重物理量模擬是 Element Energy 在 BMS 設計流程中的重要一環。該團隊使用 Ansys Mechanical 結構有限元素分析軟體，針對電池元件 (如電池組與 BESS 容器) 進行結構分析。常見的模擬包括靜態與動態載重、振動與模態分析，以及印刷電路板 (PCB) 的熱分析，以支援在 Ansys Sherlock 電子產品可靠度預測軟體中所進行的研究。
一項在 Ansys Sherlock 電子產品可靠度預測軟體中進行的熱 - 機械分析
Sherlock 軟體會應用於所有 PCB 以進行可靠度預測。透過這個工具，團隊能根據相對應的加速因子來決定進行熱與機械應力循環測試的條件，並預估 BMS 的壽命。
「預測各個元件可靠度的能力也讓我們能找出薄弱環節，並針對設計進行相對應的調整。」Cammi 表示。
電子模擬深度整合在團隊的設計流程中。除了 Sherlock 工具組外，團隊也使用 Ansys Q3D Extractor 寄生萃取電磁模擬軟體、Ansys Maxwell 進階電磁場求解器，以及 Ansys SIwave PCB 與封裝電磁模擬軟體，以支援 PCB 電子設計，並特別著重在把電力轉換階段的能量損耗與磁性元件設計最佳化。此外，團隊也使用 Ansys Icepak 電子冷卻模擬軟體，針對 PCB 進行電熱分析與電子冷卻設計。
Element Energy 的工程師使用 Ansys Fluent 流體模擬軟體，模擬電池液冷系統 (上圖) 與電池模組冷卻系統 (下圖)。
除了結構與電子模擬之外，Element Energy 的工程師也使用 Ansys Fluent 流體模擬軟體來進行計算流體力學 (CFD) 分析。Fluent 工具組的主要用途包括：針對 PCB 與電池模組進行熱模擬、氣冷與液冷在容器層級的最佳化，以及運用鋰離子電池模組進行電化學模擬。
「模擬技術的準確度讓我們在原型階段就能打造出與最終產品非常接近的系統。」Cammi 表示。「我估計我們在產品開發時間上節省了 50%，因為我們大幅縮短了從原型到最終產品的轉換流程。」
該公司也在符合性評估階段發現了額外好處。
「在可靠度與認證作業方面也是如此。Sherlock 模擬讓我們能在開始認證測試前，就先找出潛在問題，」他補充道。認證測試可能非常昂貴，且耗時甚久 — 有時可能長達一季。能在進入認證階段之前就先偵測並處理問題，對我們來說真的是一大救星。」
透過模擬實現永續目標
Element Energy 致力於為電池解決方案打造循環經濟，以改善永續發展，並視模擬技術為實現這一目標的關鍵推手。
「電池再利用在減少二氧化碳 (CO2) 排放與廢棄物方面的環境效益非常巨大，隨著全球逐漸走向電動化，這樣的影響力只會越來越大。」Cammi 表示。「如前所述，Ansys 是我們設計流程中不可或缺的一環，並協助我們實現了公司的使命目標。」
除了 Ansys 模擬工具與 Ansys 新創公司計畫的協助外，Cammi 也特別感謝 KETIV 團隊的貢獻。
透過打造永續電池解決方案，Element Energy 得以支援循環經濟。
「KETIV 在過去四年中給予我們非常多的支援。」他表示。「KETIV 的工程師協助我們解決技術問題，也幫助我們最佳化工作流程與模擬架構，例如建立分散式運算資源等等。」
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「模擬技術的準確度讓我們在原型階段就能打造出與最終產品非常接近的系統。我估計我們在產品開發時間上節省了 50%，因為我們大幅縮短了從原型到最終產品的轉換流程。」
— Corrado Cammi，Element Energy 工程副總裁
