⚡ Experimental Beta Version

Battery Simulator Web - SPMe & Pack Thermal Studio

A high-performance, interactive multi-physics web simulator coupling SPMe electrochemistry, 3D finite volume thermal networks (FVM), and CFD pack cooling fluidics.

🚀 Launch Web Studio

⚠️ Important Notice: Beta Release & Simulation Recalculation

This application is an experimental Beta Release. While multi-physics validations and energy balance checks have been performed, latent bugs or numerical edge cases may still exist. Whenever you modify any input parameters (discharge current, cell geometry, array dimensions, or cooling flow rate), you must click the prominent "Run Simulation (Recalculate NOW)" button to recalculate results and refresh the charts.

1. Technical Architecture & Physics Engines

⚡ SPMe Electrochemical Core

Calculates solid-state lithium diffusion and Butler-Volmer reaction kinetics across positive (NMC 811) and negative (Graphite) electrodes.

Chen et al. (2020) Benchmark: Accurately represents the commercial LG M50 21700 cylindrical cell (5.0 Ah).
Electrolyte Dynamics: Captures liquid-phase salt concentration profiles ($c_e$) and overpotentials ($\phi_e$).
Temperature-Coupled Arrhenius Kinetics: Internal resistance $R_{\text{int}}(T)$ scales dynamically with local cell temperatures.

🔥 3D Finite Volume Thermal Network (FVM)

Discretizes cells, busbars, potting material, and enclosure into a 3D thermal conduction network with anisotropic properties ($k_r$, $k_z$).

Core vs Surface Hotspots: Accurately resolves temperature gradients between internal jelly-roll cores and outer surfaces.
Transient Joule & Entropic Heat: Dynamically couples current density $I^2 R$, busbar Joule heat, and reversible entropy $\Delta S$.
High-Speed Web Workers: Multi-threaded background workers execute 4th-Order Runge-Kutta (RK4) integration with 60 FPS UI rendering.

🧊 CFD Hydraulics & 5 Verified Cooling Architectures

Simulates fluid mechanics, convective heat transfer coefficients ($h$), pressure drop ($\Delta P$), and pumping power across 5 thermal boundary modes:

1. Bottom Cold Plate: Mini-channel liquid cooling (Water-Glycol 50:50) beneath cells with aluminum plate and TIM sheet thermal resistance.

2. Immersion Cooling: Dielectric fluid circulating in direct contact with all cells and busbars.

3. Forced Fan Air: Forced convective airflow driven by fan velocity scaling through module ducts.

4. Natural Air Convection: Passive ambient air cooling ($h = 10\text{ W/m}^2\text{K}$) on case surfaces.

5. Adiabatic Condition: Zero external heat rejection ($h = 0\text{ W/m}^2\text{K}$) for worst-case thermal safety assessment.

2. 3D Visualizer Interactive Guide

🎮 Camera Navigation & Mouse Controls

Rotate / Orbit: Click and drag with Left Mouse Button.
Pan / Move: Drag with Right Mouse Button or hold Shift + Left Drag.
Zoom In / Out: Scroll with Mouse Wheel or pinch on trackpad.
Reset Camera: Click the Reset View icon button to restore standard isometric view.

🛠️ Cut-Plane Slicing & Visibility Controls

Cut-Plane Slicing Modes: Select between Full View, Z-Cut (Horizontal), X-Cut (Vertical), and Y-Cut (Cross) to inspect inner core cell temperatures.
Busbars Toggle: Click Busbars: ON / OFF to hide/show electrical connector links.
Case Enclosure Toggle & Opacity: Click Case: ON / OFF or select opacity (25%, 55%, 85%, 100%).
Thermal Scale (Auto / Manual): Toggle between Auto span and Manual scale to fix custom Min/Max °C range.

3. Waveform Chart & Legend Interpretation

📈 Line Style Designations (3-Way Comparison)

Solid Line Active Cooling (ON): Pack transient response with configured active cooling engaged.
Dashed Line Cooling OFF: Natural air baseline, revealing heat accumulation without active cooling.
Dotted Line Isothermal Baseline: Ideal zero-heating reference curve (constant ambient temperature).

🎨 Temperature & Voltage Metrics

● Red: Pack Maximum Core Temperature ($T_{\text{max}}$).
● Cyan: Pack Average Cell Temperature ($T_{\text{avg}}$).
● Blue: Pack Minimum Temperature ($T_{\text{min}}$).
● Green: Coolant Outlet Temperature ($T_{\text{outlet}}$).
Dual Chart Panels: Shows both (1) Transient Temperature vs Time ($T$ vs $t$) and (2) Pack Discharge Voltage vs Capacity ($V$ vs $Q$).
Playback Animation: Use Play / Pause or the scrubber to observe transient thermal buildup.

4. References & Open-Source Acknowledgements

This simulator is inspired by and built with reference to the PyBaMM (Python Battery Mathematical Modelling) project. We express our deepest gratitude to the PyBaMM open-source community for publishing verified electrochemical parameters and numerical methods.

PyBaMM Framework: Sulzer et al. "Python Battery Mathematical Modelling (PyBaMM)." J. Open Source Softw. 6 (2021): 2980. pybamm.org
LG M50 Parameterization: Chen et al. "Development of Experimental Techniques for Parameterization of Multi-scale Lithium-ion Battery Models." J. Electrochem. Soc. 167 (2020): 080534.

⚠️ 重要なお知らせ：ベータ版リリースと再計算の必要性について

本アプリケーションは実験的ベータ版（Beta Version）です。 物理モデルおよび数値計算の検証を重ねておりますが、依然として未知のエラーや数値発散、エッジケースにおける不整合が残存している可能性があります。
電流値スライダー、セル寸法、パック配列、冷却流量などの数値を変更した際は、必ず画面に表示される特大ボタン「Run Simulation (Recalculate NOW)」を押して再計算を実行してください。

1. 技術解説：4階層マルチフィジックス・エンジン

⚡ SPMe 電気化学コアモデル

正極（NMC 811）と負極（Graphite）の粒子内リチウム固相拡散および Butler-Volmer 界面反応動力学を連立解析します。

Chen et al. (2020) 実測パラメータ: LG M50 21700 高容量円筒セル（5.0 Ah）の文献値を完全実装。
電解液ダイナミクス: 液相内の塩濃度勾配（$c_e$）および過電圧降下（$\phi_e$）を過渡計算。
アレニウス温度依存性: 内部抵抗 $R_{\text{int}}(T)$ がセル局所温度に応じて指数関数的に変化。

🔥 3D 有限体積熱伝導ネットワーク (FVM)

単セルおよびパック全体を3次元メッシュに離散化し、異方性熱伝導（径方向 $k_r$・軸方向 $k_z$）を計算します。

コア・表面温度差の可視化: セル中心部の蓄熱ホットスポットと表面放熱を厳密に分離。
ジュール発熱・エントロピー熱: 通電電流密度 $I^2 R$、バスバー発熱、および可逆的エントロピー変化 $\Delta S$ を過渡連成。
Web Worker 並列高速計算: 4次ルンゲ＝クッタ（RK4）数値解法をバックグラウンドスレッドで実行し、滑らかな 60 FPS 描画を維持。

🧊 CFD 流体力学・5種冷却アーキテクチャ

流体力学、熱伝達率（$h$）、圧力損失（$\Delta P$）、およびポンプ動力を連成した 5 種類の冷却境界条件を網羅：

1. 底面冷却プレート: 水/グリコール50:50冷媒を用い、アルミプレートとTIMシート（熱伝導シート）を介してセル底面から抜熱。

2. 浸漬冷却 (Immersion): 誘電性絶縁冷媒をセル群およびバスバーへ直接接触循環させて冷却。

3. 強制空冷 (Forced Air): ファン送風による空気ダクト内の強制対流冷却（流速スケーリング対応）。

4. 自然空冷 (Natural Air): パッシブな外気対流（$h = 10\text{ W/m}^2\text{K}$）による放熱。

5. 断熱条件 (Adiabatic): 外部放熱ゼロ（$h = 0\text{ W/m}^2\text{K}$）における熱暴走マージンの検証。

2. 3D ビューアの操作方法（CAD・熱分布）

🎮 カメラ操作と視点変更

回転 (Orbit): マウス左ボタンドラッグ
移動・パン (Pan): マウス右ボタンドラッグまたは Shift + 左ドラッグ
拡大・縮小 (Zoom): マウスホイール回転
視点リセット: 画面右上の Reset View アイコンをクリック

🛠️ 部品表示切替・断面表示機能

断面カットプレーン (Cut-Plane Mode): Full View、Z-Cut (水平断面)、X-Cut (幅方向断面)、Y-Cut (奥行断面) を切り替えて内部コア温度を直接観察。
バスバー表示切替: Busbars: ON / OFF ボタンで配線金属の表示/非表示を切替。
ケース外装切替 & 透過度: Case: ON / OFF ボタンや透過度（25%, 55%, 85%, 100%）で筐体を透視。
カラーバー設定 (Auto / Manual): 自動スパンと手動スパン（Min/Max温度直接入力）を切り替えて固定レンジ比較が可能。

3. チャート（温度・電圧波形）の見方と凡例

📈 3系統比較の線種（Line Style）の意味

実線 (Solid) 冷却ON（Active Cooling）: 設定した冷却プレートや流体が作動している実稼働時の過渡特性。
破線 (Dashed) 冷却OFF（Natural Air）: 冷却ポンプ停止・自然空冷時の温度上昇（無冷却ベースライン）。
点線 (Dotted) 等温ベースライン (Isothermal): 自己発熱のない理想的基準電圧放電曲線。

🎨 温度系列のカラーコード & 2段グラフ

● 赤線: パック内最高中心温度（$T_{\text{max}}$）
● 水色線: パック平均温度（$T_{\text{avg}}$）
● 青線: パック最低表面温度（$T_{\text{min}}$）
● 緑線: 冷却液出口温度（$T_{\text{outlet}}$）
2段グラフ構成: (1) 時間推移に伴う過渡温度グラフ（$T$ vs $t$）と (2) 放電容量に伴うパック電圧降下グラフ（$V$ vs $Q$）を同時表示。
再生コントロール: Play / Pause ボタンやスライダーで過渡現象をリアルタイム再生。

4. 引用・オープンソースコミュニティへの謝辞

本シミュレータは、世界的なオープンソース電池モデリングプロジェクトである PyBaMM (Python Battery Mathematical Modelling) の設計思想から大きな影響を受けて構築されました。堅牢な電気化学パラメータと基礎モデルを広く共有・推進されている PyBaMM コミュニティの先駆的な貢献に、心より深く感謝申し上げます。

PyBaMM Framework: Sulzer et al. "Python Battery Mathematical Modelling (PyBaMM)." J. Open Source Softw. 6 (2021): 2980. pybamm.org
LG M50 電極物性値引用: Chen et al. "Development of Experimental Techniques for Parameterization of Multi-scale Lithium-ion Battery Models." J. Electrochem. Soc. 167 (2020): 080534.

Cite This Simulator (BibTeX)

@misc{kusachi2025thermalstudio,
  author = {Yuki Kusachi},
  title = {Battery Simulator Web - SPMe \& Pack Thermal Studio (3D Multiphysics)},
  year = {2025},
  url = {https://www.edandc.com/BattSimWeb-Module/},
  note = {YK Energy Device \& Consulting}
}