Optimisation de la gestion thermique des batteries dans les voitures de course

Construction d'une voiture de course aux normes industrielles en un an

Ecurie Aix a été fondée en 1999 lorsque des étudiants de l'université RWTH d'Aix-la-Chapelle, en Allemagne, ont eu l'idée de créer une équipe de Formula Student. Le Formula Student est une compétition mondiale dans laquelle plus de 500 équipes universitaires construisent leur propre voiture selon les règles de la SAE ou de la Formula Student Germany (FSG). Dans le cadre de la compétition, les étudiants ont pour objectif de concevoir, fabriquer et tester une voiture de course en un an. L'équipe Ecurie Aix a commencé en développant une voiture à moteur à cylindres (MCI) en 1999 et, au cours de l'été 2022, elle courra avec sa dixième voiture entièrement électrique.

Chaque épreuve de Formula Student se compose de disciplines statiques et dynamiques. Les disciplines statiques comprennent une épreuve de conception technique, une épreuve de coût et une présentation de business plan. Les épreuves dynamiques sont des tests d'endurance, d'efficacité, d'autocross, d'accélération, de skidpad et de conduite sur piste. L'épreuve la plus importante de chaque compétition est la course d'endurance, qui s'étend sur 22 kilomètres (km) divisés en deux parties (chacune de 11 km).

Ecurie Aix recherchait une approche efficace et fiable pour la caractérisation thermique et électrique des blocs de batteries et a compris qu'elle devait combiner et intégrer plusieurs disciplines en raison de la complexité du problème. En partenariat avec Siemens Digital Industries Software, l'équipe a exécuté le projet Batterie Aix, où elle a combiné efficacement des expériences, des simulations de systèmes (SYS) et la mécanique des fluides numérique (CFD) pour optimiser la gestion thermique de la batterie, en tenant compte de l'évolutivité, de la réutilisation et des améliorations futures.

Utilisation de solutions de Siemens pour mieux comprendre l'utilisation des batteries

La mobilité électrique est l'un des défis les plus importants de l'industrie automobile et l'un des aspects les plus importants est la gestion thermique des batteries, discipline qui intègre plusieurs systèmes (refroidissement, batteries, etc.). Elle permet une utilisation optimale et sûre du bloc batteries, ce qui est impératif pour les voitures de course et les voitures particulières. Les équipementiers automobiles doivent tester et caractériser ces blocs de batteries pour les intégrer en toute sécurité dans le système de refroidissement de la voiture. Ils doivent leur faire confiance. Les expériences de simulation jouent un rôle essentiel dans la couverture d'un large éventail de conditions de fonctionnement, en tenant notamment compte de la durée de vie et du vieillissement.

Dans le cadre du projet Batterie Aix, les étudiants devaient déterminer comment caractériser les cellules de la batterie, intégrer de manière optimale les batteries dans le véhicule pour répondre aux attentes en matière de performances et d'autonomie, et parvenir à une conception et à un dimensionnement corrects du système de refroidissement. L'idée fondamentale de ce projet est de co-simuler SYS et CFD à l'aide d'expériences. "Nous avions besoin des solutions de Siemens pour les simulations thermiques et de batterie. La modélisation de la batterie et de son comportement était nouvelle pour nous", déclare Thomas Nyhues, élève ingénieur d'Ecurie Aix.

Exécution de l'approche Batterie Aix

Au lieu d'utiliser un modèle de batterie complexe pour générer des données, l'équipe a mené des expériences en conditions réelles à l'Institute for Power Electronics and Electrical Drives (ISEA) de la RWTH d'Aix-la-Chapelle. En utilisant une approche multidisciplinaire pour la simulation électrique et thermique des batteries, l'équipe a combiné des expériences, SYS et CFD, pour fournir des informations précieuses sur l'utilisation des batteries. Elle a d'abord réalisé le test de batterie avec différents profils de courant qui ont été générés à l'aide du logiciel Simcenter™ Amesim™. En utilisant les résultats des tests comme données d'entrée pour la boîte à outils d'identification de la batterie, l'équipe a pu identifier tous les paramètres du modèle de circuit équivalent dans Simcenter Amesim. En outre, ce modèle entièrement paramétré peut maintenant être utilisé pour réaliser d'autres étapes et améliorations dans le cadre du projet. Simcenter fait partie du portefeuille Xcelerator de Siemens, un portefeuille complet et intégré de logiciels, de matériel et de services.

Ensuite, lors de l'étape de l'interface de maquette fonctionnelle (FMI), l'équipe a exporté le bloc batteries entièrement caractérisé sous la forme d'une unité de maquette fonctionnelle (FMU) conforme à la norme FMI. Cette étape a permis l'échange des données de température et de flux de chaleur entre les logiciels. Enfin, l'équipe a effectué des simulations CFD, dans lesquelles elle a importé la FMU et la caractérisation du bloc. À partir de là, elle a résolu la simulation du transfert de chaleur conjugué en fonction du temps dans le logiciel Simcenter STAR-CCM+™, en utilisant un profil de courant qui a été enregistré au cours d'une course d'endurance. Les normes FMI et FMU sont prises en charge par les deux solutions et permettent aux logiciels de communiquer entre eux sans aucune complication. Cette fonctionnalité a été mise en œuvre dans les logiciels au cours du projet. L'équipe a donc été parmi les premières à utiliser ces fonctions.

En outre, le support technique fourni par Siemens a été un facteur de réussite clé dans ce projet. Claudio Santarelli, responsable du développement universitaire chez Siemens et Christopher Helbig, consultant en solutions avant-vente pour la simulation de systèmes chez Siemens, ont guidé Ecurie Aix tout au long du projet. Dans le cadre de l'engagement de Siemens auprès des équipes de compétition étudiantes du monde entier, l'équipe a également reçu des ressources d'apprentissage et de la documentation en ligne. M. Nyhues poursuit : "Nous avons rencontré quelques problèmes lors du couplage du logiciel et de sa première utilisation, mais l'équipe de support de Siemens a toujours été là pour nous proposer une solution". L'équipe avait également accès au Centre d'assistance de Siemens, qui proposait des FAQ et des tutoriels auxquels les étudiants pouvaient accéder à tout moment au cours du projet. Elle a également pu utiliser la plateforme d'apprentissage de Siemens, Siemens Xcelerator Academy.

Obtention de modèles de simulation réalistes et fiables

Cette configuration de simulation peut maintenant être améliorée par des modifications de conception afin d'optimiser la gestion thermique de la batterie. En utilisant les solutions de Siemens, l'équipe a obtenu des modèles de simulation plus réalistes et plus fiables, ce qui lui a permis de réduire le temps et les ressources investis dans les essais sur piste et de réduire les coûts. "Simcenter STAR-CCM+ de Siemens est un outil de pointe pour les simulations CFD, en particulier pour les simulations aérodynamiques", explique M. Nyhues. En outre, les simulations permettent à l'équipe d'accéder à des données et à des informations qui ne sont pas accessibles lors des essais sur piste. Cela ouvre de nouvelles portes dans le processus de développement de la voiture. "Il est difficile de concevoir de bons protocoles de test entièrement caractérisés. En utilisant le logiciel de Siemens, l'opération a été entièrement automatisée. Il nous a suffi d'obtenir les documents et nous avons pu commencer", déclare Fabian Böhm, élève ingénieur d'Ecurie Aix.

Une fois le système de refroidissement de la batterie correctement simulé, l'équipe a pu en tirer parti pendant le processus de développement de la voiture. Par exemple, la réduction de la taille et du poids du système de refroidissement a donné à Ecurie Aix un avantage sur les autres équipes. "L'outil d'identification de la batterie dans Simcenter Amesim nous a fait gagner beaucoup de temps", poursuit M. Nyhues. "Il suffit de mettre les données dans une boîte à outils pour obtenir un modèle de batterie précis."

"La collaboration avec l'équipe de Siemens a été le principal facteur de réussite", déclare M. Nyhues. "Elle nous a permis de nous familiariser avec le logiciel et de résoudre tous les problèmes qui se sont posés au cours du projet. Je suis toujours impressionné par la motivation de l'équipe de Siemens. Nous avons eu l'impression qu'elle faisait partie de notre équipe et qu'elle avait le même objectif." Luca Leogrande, élève ingénieur d'Ecurie Aix, poursuit : "En tant qu'équipe, il est nécessaire que les nouveaux membres soient rapidement mis à niveau pour être plus efficaces, et la documentation que nous avons élaborée avec Siemens nous permet de répondre à cet objectif". M. Böhm conclut : "La collaboration avec l'équipe de support de Siemens a été le moteur du projet".

Mise en œuvre du modèle de batterie dans le cadre d'une approche de test en conditions réelles

L'équipe est impatiente d'utiliser le logiciel Teamcenter® pour plusieurs aspects, notamment la documentation et la gestion des modifications. "Ce sont ces deux éléments qui font de Teamcenter un outil intéressant pour nous", explique M. Leogrande. L'équipe mettra également en œuvre le modèle de batterie dans l'approche de test en conditions réelles, et combinera Software-In-The-Loop (SiL) et Hardware-In-The-Loop (HiL). Lors des travaux futurs, le modèle de batterie devrait être utilisé pour simuler le temps au tour et agir comme contrôleur en temps réel.