Un fabricante de autobuses escolares eléctricos utiliza Simcenter Amesim para la simulación de sistemas con el fin de optimizar el diseño de la batería y la gestión térmica

Buscando una urbanización más sostenible

Según Naciones Unidas, la urbanización está creciendo rápidamente. Para 2030, se prevé que el mundo tenga 41 megaciudades con 10 millones o más de habitantes. Más personas significa más coches en la carretera y más contaminación del aire, teniendo en cuenta que el transporte representa un tercio de las emisiones contaminantes. También implica que hay un límite de número de coches que la infraestructura será capaz de soportar, y es por esto por lo que es tan importante desarrollar soluciones sostenibles de transporte en masa.

Esta es una de las razones por las que los líderes de las ciudades más grandes del mundo, de unos 650 millones de personas, han decidido crear el Grupo de Liderazgo Climático C40 para tratar el cambio climático e impulsar la acción urbana que reduzca las emisiones de efecto invernadero y el tráfico. Han prometido proporcionar solo autobuses de emisiones cero para el 2025, lo que creen que llevará a «calles ecológicas y sanas, libres de combustible fósil».

Simcenter Amesim vehicle model.

Mejorar la calidad general de la vida

Desde su fundación en el 2011, el objetivo de Lion Electric Co. ha sido el de ofrecer transporte público sostenible. La empresa, con sede en Saint-Jérôme, Quebec, Canadá, diseña, crea y fabrica autobuses escolares, midi/minibuses de necesidades especiales y tránsito urbano eléctricos, así como camiones urbanos. Desde su punto de vista, la transición hacia vehículos totalmente eléctricos llevará a grandes mejoras en nuestra sociedad, entorno y calidad general de vida.

Simcenter Amesim battery model.

Enfrentarse a nuevos retos de ingeniería en el desarrollo de productos

Desarrollar un bus eléctrico presenta nuevas y exigentes consideraciones de ingeniería, como la gestión térmica de la batería así como su integración en el vehículo.

Raphael Ouellet, el ingeniero de producto de motopropulsión en el equipo de ingeniería de Lion Electric, explica las expectativas a dos niveles: «En primer lugar, en el caso de vehículos eléctricos, se requiere un análisis de subsistema para tener una visión precisa sobre cómo los ciclos de conducción y los escenarios de carga pueden afectar a la funcionalidad de la batería para desarrollar las soluciones de gestión térmica apropiadas e identificar el equilibrio del líquido refrigerante en los ciclos de refrigeración/calentamiento para optimizar la gestión térmica general. En segundo lugar, desde las primeras fases del desarrollo a nivel de vehículo, esperamos poder valorar el rendimiento total del vehículo en ciclos reales de conducción con el fin de calcular un alcance realista.»

All-electric Urban Class 8 truck.

Desarrollar rápidamente una motopropulsión eléctrica

Estas consideraciones se tienen que tener en cuenta al principio del proceso de desarrollo de producto. Esto permite a Lion Electric evitar retiradas al inicio de la producción debido a errores de diseño, que podrían afectar a la seguridad del vehículo, lo que también implica costes adicionales y un plazo de comercialización más largo. A continuación, para desarrollar una batería y valorar su rendimiento una vez que esté integrada en el vehículo completo en las primeras fases del ciclo de desarrollo, el equipo de ingeniería de Lion Electric escogió el software de simulación de sistemas Simcenter™ Amesim™ de Siemens Digital Industries Software, parte del portfolio de Simcenter.

Lion Electric empezó de cero modelando su diseño de batería y gestión térmica. En principio, recibieron el apoyo de Maya HTT, una empresa de servicios de ingeniería, que ofrecía soporte y experiencia para modelar la batería y ayudarles en el proceso de iteración hasta que encontraron una arquitectura optimizada. Empezaron diseñando celdas y todos los intercambios térmicos de las celdas primero con cajas de aluminio, y después dentro del entorno de la batería.

«Utilizar Simcenter Amesim para reproducir los intercambios térmicos dentro de la batería y la refrigeración nos permitió definir la mejor arquitectura para todos los elementos de la batería», explica Ouellet. «Maya HTT proporcionó la orientación que necesitábamos para encontrar la arquitectura adecuada».

El voltaje del circuito abierto y las curvas internas de resistencia de la batería se identificaron con un par de clics de la ficha técnica usando la aplicación de importación de fichas técnicas de las tres baterías.

Una vez que la batería se había diseñado, Lion Electric probó el rendimiento de su gemelo físico en una sala de clima controlado para ajustar el modelo digital con respecto a los resultados. Gracias a la fase de pruebas, se mejoró la precisión del modelo en cuanto al rendimiento eléctrico y el rechazo de calor.

«Utilizar Simcenter Amesim nos permitió tomar las decisiones correctas desde el principio y optimizar los plazos de comercialización», indica Ouellet. «También podíamos ejecutar simulaciones para los clientes y ofrecerles detalles sobre el alcance y la carga esperados para cada caso de uso concreto.»

Battery cycle profile in Simcenter Amesim.

Un software intuitivo que facilita la generación de informes eficientes

La satisfacción de Lion Electric con Simcenter Amesim se refuerza gracias a la facilitad de uso y creación de informes. Ouellet explica «Simcenter Amesim nos ayuda a producir gráficos e informes rápidamente, creando presentaciones en muy poco tiempo. Además, se pueden considerar más variables con respecto a las hojas de cálculos, lo que nos permite generar resultados más definidos. Las repeticiones son más fáciles, por lo que cuando mi equipo de administración solicita modificaciones, las puedo implementar fácilmente».

«Simcenter Amesim tiene muchas ventajas: La interfaz intuitiva, los algoritmos optimizados y potentes, la gestión de datos de fácil uso (visualización, posprocesamiento, parámetros globales, etc.) y las herramientas implementadas (optimización, visualización en 3D, etc.) nos permiten ahorrar tiempo para ofrecer a los clientes y a la administración resultados fáciles de entender».

Electric mini school bus.

Costes de producción más bajos

«Tenemos el mismo tiempo para desarrollar nuestro modelo, y al reemplazar el software de hoja de cálculo con Simcenter Amesim, podemos mejorar la valoración del rendimiento de nuestra batería y profundizar en detalles en nuestro análisis», comenta Ouellet. «Ese mismo tiempo se emplea ahora en desarrollar, optimizar y crear la arquitectura más apropiada para la batería y la gestión térmica relacionada. Esto nos permite tener un producto más maduro y fiable al inicio de la producción».

«En general, creemos que este enfoque nos lleva a costes de desarrollo de producto más bajos. De hecho, si tenemos que modificar un producto cuando la producción ha comenzado, puede ser muy costoso. Las retiradas por errores de diseño que afectan a la seguridad del vehículo son la pesadilla de los OEM, y todos trabajamos muy duro para evitarlo.»

El tiempo y el coste que se ahorran gracias al uso de la simulación permiten a Lion Electric empezar a buscar nuevas tecnologías. Ouellet explica: «Cuando la producción de vehículos empieza, ya estamos buscando maneras de mejorar los sistemas para generaciones futuras. La eficiencia es algo que siempre se puede optimizar. Además, controlamos cada aspecto de nuestros diseños, haciendo productos mucho mejores que las compañías que electrifican los chasis y vehículos de otras empresas».