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Power Bank Digital Twin - App Guide
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⚡ Digital Twin Simulator

100W USB-PD Power Bank Digital Twin

An interactive, multi-physics digital twin combining 4S independent electrochemical SPMe cell solvers, a 361-node 3D finite volume thermal network, state-space power electronics (TI BQ25713 & BQ40Z50), and Infineon CYPD3171 dynamic PD policy management.

🚀 Launch Web App

⚠️ Important Notice: Local Hardware Resources

This application runs 100% locally in your browser. High-speed physics solvers run in a dedicated Web Worker to ensure UI responsiveness. Smooth 60FPS rendering of the 3D pack and real-time multi-cell telemetry benefit from a modern desktop CPU and GPU.

1. Architecture & Physics Engines

⚡ 4S Independent SPMe Solvers

Resolves spherical solid-state lithium diffusion via Fick's Second Law and Butler-Volmer kinetics for each cell independently.

  • Thermodynamic Balancing: Computes initial lithium concentrations based on active material mass fractions and stoichiometry limits.
  • Electrolyte Dynamics: Resolves liquid phase salt concentration profiles ce(x) and electrolyte diffusion overpotentials.

🔥 361-Node 3D Finite Volume Thermal Mesh

Discretizes the 4S pack, potting, enclosure, and PCB chips into exactly 361 control volumes for rigorous spatial heat diffusion.

  • Component Coupling: Direct thermal conduction from the power inductor and switching FETs into Cell 3 (Rth = 6.5 K/W).
  • Enclosure & Potting: 58 enclosure nodes and 55 potting nodes capture outer surface temperature non-uniformity (mura).

🔌 Real Silicon Power Electronics

State-space averaged converter model for the Texas Instruments BQ25713 4-switch Buck-Boost.

  • Loss Breakdown: Computes dynamic MOSFET conduction, 800kHz switching, inductor DCR/core, and USB-C contact resistance losses.
  • BMS Emulation: Replicates BQ40Z50-R2 1mV ADC quantization, 1.0s UVP/OVP debounce timers, and 20.2Ω odd/even passive balancing.

🌡️ CYPD3171 USB-PD Policy Engine

Monitors both battery cell and PCB power inductor temperatures to dynamically renegotiate USB-PD power contracts.

  • Thermal Throttling: Steps down from 100W to 60W (Cell ≥70°C or Inductor ≥85°C), then 45W (Cell ≥75°C or Inductor ≥92°C).
  • OTP Emergency Shutdown: Triggers critical 0W cutoff at Cell ≥78°C or Inductor ≥98°C to prevent thermal runaway.

2. App Workflow & Interactive Cockpit Guide

📦 Pack Geometry Tab 1

Configure mechanical housing, cooling boundaries, and internal conductor parameters.

  • Thermal Boundary: Switch between Natural Convection, Adiabatic (Confined Bag), Forced Air, or Cold Plate.
  • Medium & Housing: Toggle Silicone Potting (k=1.2 W/m·K) vs Air Gap (k=0.026 W/m·K), and Aluminum vs Polycarbonate case.
  • Clad Busbars & Defects: Choose Ni-Cu-Ni Clad or Nickel strips, and inject Cell 4 spot weld defects (0.0 to +8.0 mΩ).
  • Interactive 3D CAD: Rotate, pan, zoom, adjust the Exploded View Slider (0–100%), switch between Orthographic CAD and Perspective projections, or toggle enclosure transparency.

🎛️ Cell Design & Variations Tab 2

Tune electrochemical properties individually or evaluate manufacturing tolerances across the 4 cells.

  • Cell Configurator: Adjust capacity, electrode thicknesses, particle radii, and contact resistance for Cells 1–4.
  • Automated Variations: Generate Monte Carlo variations to assess production spread on pack safety.
  • 5-Column Comparison Matrix: Compare key KPIs (Capacity, Energy, DCR, N/P Ratio, Plating Margin) across Nominal (C1), Degraded (C2), Hotspot (C3), and Weld Defect (C4).

📈 Dynamic Co-Simulation Tab 3

Execute coupled electro-thermal simulations and monitor real-time multi-physics behavior.

  • Playback Controls: Play, pause, single-step (+0.5s), and reset. Coupled time step Δt adjustable from 10ms (fine) to 200ms (ultra-fast).
  • Load Profiles: Switch between 100W Continuous, Dynamic PPS (15–20V pulse steps), 60W Normal, or Thermal Stress.
  • 3D Spatial Thermal Heatmap: Real-time color-coded temperature distribution across cells, potting, PCB chips, and case.
  • Core-to-Skin Gradient Card: Monitors internal radial temperature profiles (Core vs Skin vs Gradient) for all 4 cells.

🔬 Live Waveforms & Profiles Telemetry

Deep microscopic and macroscopic telemetry synchronized at 60Hz.

  • Pack & Cell Waveforms: Live plotting of pack terminal voltage, VBUS voltage, single cell voltages, and currents.
  • Through-Thickness SPMe Grid: 4 independent charts plotting anode/cathode local SOC and electrolyte concentration ce(x) from current collector to separator.
  • Power & Loss Breakdown: Live tracking of Buck-Boost conversion efficiency, FET switching loss, and USB-C dissipation.

⚠️ 重要なお知らせ：ローカルマシンの動作環境

本シミュレーションはすべてお使いのブラウザ（ローカルPC）上で動作します。 高速な物理計算はWeb Workerを用いてバックグラウンドで並列実行され、UI描画を妨げません。3Dパックの滑らかな60FPS描画やリアルタイムテレメトリを快適に動作させるため、モダンなPC環境を推奨します。

🚀 Webアプリを起動する (Launch Web App)

1. システム構成と物理エンジン

⚡ 4S 独立 SPMe 電気化学モデル

4直列の各セルに対して独立してFickの第2法則（球状粒子内Li拡散）とButler-Volmer界面反応を連立解析します。

  • 熱力学的バランス: 活物質の体积分率と化学量論限界に基づき、完全充電時の初期Li濃度を導出し厳密なSOCを追従。
  • 電解液ダイナミクス: 充放電パルスに伴う電解液中の塩濃度勾配 ce(x) と液相拡散過電圧を解析。

🔥 361要素 3次元有限体積法 (FVM) 熱伝導メッシュ

単セル、ポッティング材、筐体、発熱電子部品を正確に361個のコントロールボリュームに分割し、空間熱伝導を解きます。

  • 局所熱結合: 昇降圧インダクタおよびスイッチングFETの高熱が、直下のCell 3へ直接熱伝導（Rth = 6.5 K/W）。
  • 筐体・ポッティング解像度: 58個のケースノードと55個のポッティングノードにより、外装表面の温度ムラ（ホットスポット）を可視化。

🔌 リアルシリコン・パワーエレクトロニクス

Texas Instruments BQ25713 4スイッチ昇降圧コンバータの状態平均化モデルを実装。

  • 動的損失分解: 800kHzスイッチング損失、FET導通損失（温度連動RdsON）、インダクタDCR/鉄損、USB-C接触抵抗損失を算定。
  • BMSエミュレーション: TI BQ40Z50-R2の1mV ADC量子化、1.0秒デバウンス保護（UVP/OVP）、20.2Ω奇数偶数交互バランシングを再現。

🌡️ CYPD3171 USB-PD ポリシーエンジン

バッテリーセル温度だけでなく、PCB上のパワーインダクタ温度も同時に監視し、USB-PD規格を動的に再ネゴシエーションします。

  • 熱スロットリング: セル≥70℃ または インダクタ≥85℃で100Wから60Wへ、セル≥75℃ または インダクタ≥92℃で45Wへ制限。
  • OTP緊急遮断: セル≥78℃ または インダクタ≥98℃に達した場合、熱暴走防止のため即座に給電を遮断（0W）。

2. アプリのワークフローと操作ガイド

📦 パック構造設計 (Pack Geometry) Tab 1

外装ケース、冷却境界条件、充填材、およびバスバー配線と溶接欠陥を設定します。

  • 冷却境界条件: 自然対流、断熱（密閉バッグ内）、強制空冷、コールドプレートを選択可能。
  • 充填材とケース素材: シリコーンポッティング（k=1.2 W/m·K）とエアギャップ（空気層）、アルミとPC樹脂ケースを切替。
  • クラッドバスバーと欠陥注入: Ni-Cu-Niクラッド材等の選択に加え、Cell 4にスポット溶接不良抵抗（0.0〜+8.0 mΩ）を注入可能。
  • 3D CADビューア: ドラッグによる回転・視点変更、分解図スライダー（Exploded View 0〜100%）、CAD平行投影/遠近法切替、外装の透過・非表示に対応。

🎛️ セル電気化学設計 (Cell Design) Tab 2

4本のセルパラメータを個別に調整し、製造公差による熱・電気アンバランスを事前検証します。

  • 個別セルコンフィギュレータ: 各セルの容量、電極厚み、活物質粒子径、接触抵抗を個別に設定。
  • バラツキ自動ジェネレータ: モンテカルロ法により製造ばらつきを自動付与。
  • 5列比較マトリクステーブル: 標準品（Cell 1）、劣化品（Cell 2）、直上インダクタ受熱品（Cell 3）、溶接不良品（Cell 4）のKPI（容量・Wh・DCR・N/P比・リチウム析出マージン）を一括比較。

📈 動的連成シミュレーション (Performance) Tab 3

電気・熱・BMSが完全に連成したシミュレーションを実行し、挙動をリアルタイムに観察します。

  • 再生コントロール: 再生、一時停止、コマ送り（+0.5秒）、リセットに対応。連成タイムステップΔtは10ms（精密）〜200ms（高速）で調整可能。
  • 負荷プロファイル切替: 100W連続出力、Dynamic PPS（15〜20Vパルス負荷）、60W通常負荷、熱ストレス負荷から選択。
  • 3D 空間熱分布ヒートマップ: セル、ポッティング材、FET/インダクタ、外装ケースの温度をカラーマッピングでリアルタイム表示。
  • セル径方向温度勾配カード: 全4セルのコア温度・表面温度・内部径方向温度差（Core - Skin）を一覧監視。

🔬 リアルタイム波形とSPMeプロファイル Telemetry

マクロな電気回路挙動からミクロな電極内部の電気化学現象までを60Hzで同期表示します。

  • パック＆セル波形: パック電圧、VBUS電圧、充放電電流、単セル電圧（V_C1〜V_C4）をリアルタイムプロット。
  • 厚み方向 SPMe 4セルプロファイル: 集電体からセパレータまでの負極・正極局所SOCおよび電解液塩濃度 ce(x) の過渡変化を4セル独立チャートで描画。
  • 電力・損失モニタ: 昇降圧コンバータの瞬時効率、スイッチング損失、USB-C端子部ジュール熱を常時トラッキング。