Amélioration de la précision et la rapidité des simulations pour les batteries de véhicules électriques

Développer des batteries de véhicules électriques plus sûres et plus fiables

Prédire avec précision les performances thermiques des batteries des véhicules électriques constitue peut-être le défi le plus important auquel sont confrontés les fabricants d'équipements d'origine (OEM) automobiles. Les batteries disposent d'une zone de température dans laquelle elles peuvent fonctionner pour éviter les pannes. Si la batterie sort de cette zone, cela peut réduire sa durée de vie ou même compromettre la sécurité des occupants.

Il n'est donc pas surprenant qu'Audi, une marque mondialement connue pour ses véhicules haut de gamme, ait formé une équipe hautement spécialisée dédiée au développement de concepts de systèmes de batteries haute tension. Située en Allemagne, cette équipe contribue de manière cruciale à la vision d'Audi de concevoir la mobilité de demain et d'assurer une expérience de conduite exceptionnelle, à la fois numérique, électrique et durable.

Augmentation de la précision du modèle thermique

Joohwa Sarah Lee, ingénieure en développement de concepts, fait partie de cette équipe et se spécialise dans les performances thermiques des batteries.

"La construction de modèles de simulation thermique précis est un aspect essentiel du travail de mon équipe", explique-t-elle. "Les modèles eux-mêmes sont très importants, car ils contribuent directement à notre objectif d'optimiser les performances thermiques des batteries. "

En 2021, Joohwa Sarah Lee et son équipe ont découvert que, dans certains cas et conditions, le résultat de la simulation ne correspondait pas aux mesures des tests. En conséquence, elle a entrepris d'améliorer la qualité de ces modèles de simulation. Elle et son équipe ont choisi les services d'ingénierie et de conseil Simcenter™ de Siemens Digital Industries Software comme partenaire de développement.

"Nous avons choisi Simcenter parce que leurs outils permettaient une connexion transparente non seulement entre les modèles 1D et 3D, mais aussi la connectivité avec des outils tiers", explique Joohwa Sarah Lee. "Les services d'ingénierie Simcenter ont fourni les connaissances techniques et l'assistance nécessaires pour nous aider à mettre en place ces intégrations et à garantir la plus grande précision possible."

Combiner des simulations 1D et 3D

Traditionnellement, la géométrie des modules et des packs a été modélisée à l'aide d'une simulation thermique 3D de mécanique des fluides numériques (CFD). Cette méthode a des coûts de calcul importants et peut prendre des jours ou des semaines. De plus, une connaissance approfondie des paramètres et une expérience de la simulation 3D sont nécessaires pour produire un modèle 3D précis. La simulation
système 1D est beaucoup plus rapide, mais il est souvent difficile de générer des modèles 1D à partir d'un modèle 3D sans compromettre la précision.

Les services d'ingénierie Simcenter ont entrepris de créer un modèle thermique de pile de batterie plus rapide et plus précis pour soutenir les systèmes de gestion de batterie d'Audi, depuis l'élaboration de la stratégie initiale jusqu'à la validation avec le reste des sous-systèmes du véhicule. Ces modèles devaient prendre en compte plusieurs paramètres, notamment le courant, les variations de température du liquide de refroidissement, la connectivité avec les modèles électriques 1D et l'intégration avec MATLAB/Simulink. Joohwa Sarah Lee et son équipe ont fourni à l'équipe Simcenter des cas de test et des conditions limites pour une variété de scénarios.

Un flux de travail personnalisé

En combinant les logiciels Simcenter STAR-CCM+™ et Simcenter Amesim™, qui font partie de la plate-forme commerciale Siemens Xcelerator de logiciels, de matériel et de services, les experts des services d'ingénierie Simcenter ont développé un flux de travail semi-automatisé pour générer un modèle 1D au niveau du système dans Simcenter Amesim à partir d'un modèle 3D Simcenter STAR-CCM+. L'objectif de ce flux de travail était de s'assurer que les utilisateurs de simulation 1D d'Audi pouvaient bénéficier du haut niveau de détail fourni par les modèles 3D tout en maintenant la vitesse de la simulation 1D.

À l'aide d'entrées spécifiées, Simcenter STAR-CCM+ a été utilisé pour calculer plusieurs conditions d'état stationnaire couvrant l'espace de conception choisi, telles que la température du liquide de refroidissement à l'entrée, le débit et le courant. Les données peuvent ensuite être utilisées pour dériver un modèle électrothermique 1D permettant d'étudier des scénarios transitoires pour l'ensemble de la pile.

Réduire le temps, augmenter la précision

Le flux de travail développé par les experts des services d'ingénierie Simcenter a réduit le temps de calcul des simulations thermiques de batterie à quelques minutes seulement. L'un des exemples les plus frappants est la simulation d'un scénario de charge d'une batterie de véhicule électrique allant de 10 % à 80 % de la capacité de la batterie.

"Grâce à notre projet avec les services d'ingénierie Simcenter, nous avons pu réduire le temps de simulation du scénario de charge de presque une journée entière à moins d'une minute", explique Joohwa Sarah Lee. "Il s'agit d'une énorme différence de temps de calcul. Nous avons également constaté une amélioration significative des résultats de simulation, en particulier pour les études de comportement thermique.

"Nous avons exploré d'autres solutions à ce problème, mais aucune autre entreprise n'offrait le même niveau de connectivité entre les outils que Siemens. La combinaison d'un modèle 3D détaillé dans Simcenter STAR-CCM+ avec la vitesse et l'efficacité de Simcenter Amesim et des outils tiers pris en charge par l'équipe des services d'ingénierie Simcenter a fourni un avantage crucial. Nous sommes également ravis d'explorer d'autres aspects du portefeuille Simcenter, notamment Simcenter Battery Design Studio."

Joohwa Sarah Lee et son équipe sont optimistes quant à l'avenir de leur partenariat avec les services d'ingénierie Simcenter.

"Nous continuerons d'appliquer nos nouveaux outils et méthodologies aux défis à venir", déclare-t-elle. "Nous sommes reconnaissants du soutien fourni par l'équipe des services d'ingénierie Simcenter et de leur volonté et de leur capacité à nous aider à résoudre des problèmes difficiles."