Une société d'ingénierie automobile utilise Simcenter STAR-CCM+ pour fournir une autonomie de 400 km pour un SUV compact électrique

L'anxiété liée à l'autonomie fait parler d'elle

L'"anxiété liée à l'autonomie" est la peur de manquer de batterie et d'être bloqué à des kilomètres d'une station de recharge pour véhicules électriques (VE). Bien qu'il s'agisse d'un nouveau terme, il ne s'agit pas d'un concept nouveau.

L'anxiété liée à l'autonomie existait depuis l'aube de l'automobile au début des années 1900, alors qu'il n'y avait pas de réseau de stations-service et que les automobilistes se déplaçaient avec des bidons d'essence attachés à leur voiture. Aujourd'hui, la personne moyenne ne parcourt que 60 kilomètres par jour, mais une étude récente de Forbes a révélé qu'en raison de la conduite sur autoroute, les deux tiers des consommateurs potentiels de VE veulent une autonomie d'au moins 480 kilomètres par charge.

Au fur et à mesure que les véhicules électriques se généraliseront, l'augmentation de l'autonomie sera un facteur décisif pour les consommateurs. Une étude récente de Tesla note qu'une amélioration de 10 % des performances aérodynamiques donne une augmentation de 5 à 8 % de l'autonomie des véhicules électriques. Les performances aérodynamiques deviennent encore plus critiques pour la conduite sur autoroute. À des vitesses supérieures à 130 kilomètres (km)/heure (h), environ 80 % de la puissance est utilisée pour surmonter les pertes aérodynamiques. De toute évidence, un meilleur aérodynamisme permet d'augmenter l'autonomie.

Un groupe motopropulseur électrique et le petit nombre de composants mobiles permettent déjà aux véhicules électriques d'avoir un soubassement plat et une face avant fermée sans calandre, offrant des avantages aérodynamiques. La plupart des pertes du moteur à combustion interne (MCI) proviennent du moteur/groupe motopropulseur, tandis que la résistance au vent est le principal contributeur aux pertes de performance des VE, ce qui signifie que l'amélioration aérodynamique est deux fois plus importante pour les VE que pour les MCI.

Par conséquent, une innovation aérodynamique continue est nécessaire pour réduire le coefficient de traînée (Cx) des véhicules électriques, qui représente la force motrice des performances et de l'efficacité aérodynamiques. Les voitures les plus aérodynamiques actuellement sur le marché, notamment la Tesla Model S, la Mercedes CLA, la BMW Série 5 et l'Audi A4, présentent toutes un Cx oscillant entre 0,22 et 0,24, selon les types de moteurs et les caractéristiques.

La conception d'un véhicule électrique peut-elle présenter un Cx inférieur à 0,2 sans sacrifier la forme et la fonctionnalité ? Applus IDIADA, un leader mondial des services de conception, d'essais, d'ingénierie et d'homologation pour l'industrie automobile, a utilisé le logiciel Simcenter STAR-CCM+™ de Siemens pour l'aider à atteindre cet objectif.

"À notre connaissance, il s'agit du premier concept de SUV électrique sur le marché présentant un Cx inférieur à 0,2", déclare Enric Aramburu, chef de produit d'ingénierie des fluides chez Applus IDIADA.

Briser la barrière des 0,2 Cx avec Simcenter STAR-CCM+

Applus IDIADA a dévoilé le projet CRONUZ, un concept-car de véhicule utilitaire sport (SUV) compact électrique doté d'un Cx de 0,19, au Salon international de l'automobile de Genève (GIMS) 2018.

La conception est le résultat d'une coopération sans faille entre les concepteurs et les aérodynamiciens d'Applus IDIADA. Les concepteurs ont produit une surface initiale attrayante en phase avec les sensibilités du design des véhicules électriques, un style esthétique, un design aérodynamique minimaliste et une carrosserie profilée de type SUV.

Les aérodynamiciens ont ensuite utilisé une soufflerie virtuelle créée avec Simcenter STAR-CCM+ pour analyser les performances aérodynamiques du véhicule à l'aide d'une simulation numérique. Simcenter STAR-CCM+ est un outil de mécanique des fluides numérique (MFN) de premier plan et fait partie de la gamme Simcenter™.

"Simcenter STAR-CCM+ est facile à utiliser", explique Enric Aramburu, qui travaille chez Applus IDIADA depuis 15 ans et utilise le logiciel depuis le début. "Il est robuste et utile pour l'automatisation. C'est pourquoi nous sommes des utilisateurs actifs depuis la sortie de la toute première version de Simcenter STAR-CCM+ il y a 12 ans."

Applus IDIADA a simulé plus de 600 propositions de conception sur une période de six mois, en intégrant progressivement des concepts de réduction de la traînée dans chaque conception. Cela a permis une conception rationalisée et optimisée du haut du corps tout en conservant les concepts de conception de base. Avec les simulations Simcenter STAR-CCM+, la conception finale optimisée a permis d'obtenir un coefficient de traînée de 0,17 à l'air libre sans tenter de modéliser la soufflerie et dans des conditions de régime permanent. L'évaluation finale des essais en soufflerie a donné un Cx de 0,19, confirmant l'approche simuler-innover-tester et la place du CRONUZ en tant que SUV compact électrique le plus aérodynamique.

À titre de comparaison, sur la base de simulations, le premier modèle CONUZ présentait un Cx de 0,27, ce qui a permis de mettre en évidence les domaines nécessitant des améliorations.

Enric Aramburu ajoute : "Grâce à Simcenter STAR-CCM+, nous savions que nous pouvions atteindre une valeur de traînée record avant même de construire un prototype."

La simulation ouvre la voie à des innovations aérodynamiques

Deux caractéristiques innovantes du CRONUZ sont essentielles pour réduire la traînée : des systèmes actifs et une conception optimisée de la timonerie et du soubassement.

La performance aérodynamique des voitures est toujours un combat classique entre les aérodynamiciens et les concepteurs, entre la performance et l'esthétique. Les systèmes aérodynamiques actifs font référence aux pièces d'une voiture qui se déplacent en fonctionnement pour affecter positivement le flux d'air autour de la voiture. Introduite, rapidement interdite et maintenant réapparue sous forme de systèmes de réduction de la traînée (DRS) dans les courses de Formule 1™, l'aérodynamique active est la prochaine percée dans l'amélioration de l'efficacité énergétique, de la réduction de la traînée et de l'augmentation de l'appui aérodynamique dans l'industrie automobile. Ces systèmes assurent un aérodynamisme optimal pour chaque situation de conduite, qu'il s'agisse d'une faible traînée en mode économique ou d'une force d'appui puissante en mode sport, tout en conservant les sensibilités de conception et les exigences de style des concepteurs.

CRONUZ dispose de systèmes actifs pour le carénage avant et d'un bas de caisse actif, qui sont dissimulés à basse vitesse et pendant le stationnement. À grande vitesse ou à la demande, les systèmes actifs sont déployés, modifiant le flux d'air autour de la voiture (et la forme de la voiture, en fait) pour qu'ils restent attachés de l'avant vers l'arrière tout en minimisant les turbulences autour du passage de roue, l'un des principaux contributeurs à la traînée.

Quarante pour cent des pertes aérodynamiques proviennent des zones de la timonerie et du soubassement, ce qui offre une marge d'optimisation importante. Une conception optimisée de la jante, un train de roulement bas (déployé après 130 km/h) et une timonerie presque complètement fermée par le dessous minimisent les turbulences de la timonerie et assurent un écoulement de l'avant vers l'arrière - un facteur majeur de réduction de la traînée.

Des simulations en régime permanent dans Simcenter STAR-CCM+ ont montré que les systèmes actifs réduisaient la traînée de 20 (un compte de traînée équivaut à un Cx de 0,001). Même en tenant compte des montures en soufflerie et de l'instabilité, qui n'ont pas été incluses dans les simulations, cela a confirmé l'énorme réduction de la traînée des systèmes actifs. Les tests en soufflerie ont finalement montré une réduction de 14 points.

Ces innovations ont été rendues possibles grâce à l'itération de diverses conceptions pour les systèmes actifs, les jantes et les enjoliveurs de soubassement dans Simcenter STAR-CCM+ afin de trouver la combinaison la plus performante. Ces améliorations de conception ont permis de réduire la traînée de 55 fois avant la construction de l'unique prototype.

Le concept EV le plus aérodynamique

Les SUV électriques ont un look distinctif : une forme à hayon et une plus grande hauteur par rapport aux berlines et aux coupés. Ces caractéristiques augmentent la traînée, ce qui complique l'optimisation de l'aérodynamisme. Avec pas moins de neuf SUV électriques qui devraient être introduits sur le marché, 2019 pourrait bien être l'année du SUV électrique. Les innovations aérodynamiques dans ce domaine sont essentielles et CRONUZ apporte une solution au besoin croissant de solutions aérodynamiques révolutionnaires qui offrent une réduction de la traînée sur ce marché.

La voiture a été développée à partir de zéro pour atteindre les meilleures valeurs aérodynamiques de sa catégorie en 18 mois grâce à la collaboration entre les équipes de l'entreprise basées en Chine et en Espagne. Le concept-car offre également à Applus IDIADA une plateforme pour donner une leçon de maître en matière de conception aérodynamique record. Conçu avec une batterie de 200 litres et pesant 1 500 kilogrammes, le SUV de classe C à quatre places fonctionne sur deux moteurs électriques et est conçu pour une autonomie de 400 km.

Pour un concept-car, le CRONUZ ressemble beaucoup à un véhicule de série. Il y a une raison à cela. Applus IDIADA a entrepris d'offrir des caractéristiques aérodynamiques innovantes de réduction de la traînée qui seraient réalisables sur un SUV électrique de série. Un design épuré et attrayant ainsi que la fonctionnalité du véhicule étaient des exigences essentielles pour le CRONUZ.

L'utilisation de la simulation pour optimiser la conception est la clé pour obtenir une harmonie parfaite entre le design et l'aérodynamisme.

Avec seulement des simulations en régime permanent qui s'alignaient bien avec les résultats de la soufflerie, les ingénieurs ont rapidement identifié une conception qui permettrait de briser la barrière de 0,2 Cx.

"Je ne peux pas imaginer mener un projet comme celui-ci sans Simcenter STAR-CCM+", déclare Enric Aramburu. "En construisant un jumeau numérique, nous avons pu tester diverses possibilités de conception à l'aide de la simulation dès le début du processus. La simulation est la clé de l'innovation en matière de conception."

Les innovations aérodynamiques du CRONUZ sont destinées à aider à la fois les principaux équipementiers (OEM) et les start-ups de véhicules électriques à réduire la traînée et à augmenter l'autonomie. Ces voitures à changement de forme composés de systèmes actifs, qui ont pris de l'importance au cours de la dernière décennie, semblent être l'avenir de l'aérodynamique automobile.