Le constructeur automobile français utilise Simcenter Amesim pour optimiser le bloc batteries et réduire les coûts

Avancer sur la voie de l'électrification

L'année 2020 est cruciale pour l'industrie automobile. Les nouvelles réglementations et les normes d'émission de dioxyde de carbone (CO2) pour les voitures éliminent les alternatives à l'électrification. Tous les facteurs externes convergent, notamment les incitations gouvernementales, le renforcement de la réglementation et la baisse du prix des batteries. Les dernières prévisions du Boston Consulting Group (BCG) concernant les groupes motopropulseurs automobiles dans le monde montrent que les ventes de véhicules électriques augmentent encore plus vite que prévu. Selon le BCG, ces voitures occuperont un tiers du marché d'ici 2025 et 51 % d'ici 2030, dépassant ainsi les ventes de véhicules propulsés uniquement par des moteurs à combustion interne (MCI).

Tous les équipementiers accélèrent leurs projets d'électrification des voitures, et le Groupe PSA ne fait pas exception. Le groupe s'est engagé depuis longtemps en faveur d'une mobilité propre et durable. Les choix qu'il a faits par le passé le rendent prêt à jouer son rôle dans la transition énergétique. L'objectif de PSA Peugeot Citroën est de disposer d'une gamme de véhicules entièrement électrifiés d'ici 2025.

La batterie au cœur de l'électrification

La batterie est un élément clé pour permettre aux véhicules électriques de répondre aux attentes des clients. L'inquiétude concernant l'autonomie reste un obstacle important à surmonter. La plupart des batteries de véhicules électriques ont une garantie de 8 ans ou une limite de 160 000 kilomètres. Les équipementiers doivent donc élaborer des stratégies pour ralentir le vieillissement des batteries. L'un des critères les plus importants du vieillissement d'une batterie est la variation de température qu'elle subit. Bien que la capacité de la batterie soit plus importante à des températures élevées, la durée de vie de la batterie s'en trouve considérablement réduite. La gestion thermique des batteries est essentielle pour obtenir des températures optimales dans toutes les conditions de conduite. Cela permet à l'utilisateur de déterminer l'équilibre parfait entre la capacité et l'autonomie de la batterie.

Dans ce contexte, il est essentiel que le système de refroidissement de la batterie soit conçu de manière à équilibrer les autres caractéristiques de performance du véhicule et à optimiser la capacité de la batterie par rapport à sa durée de vie. D'une part, il ne peut pas être surdimensionné, car il aurait un impact sur les performances globales du véhicule parce qu'il serait trop lourd, nécessiterait des fonds supplémentaires pour construire un système plus complexe et dégraderait l'aérodynamique du véhicule. En revanche, il ne peut être sous-dimensionné, car cela risquerait de compromettre la sécurité du véhicule, du conducteur et des passagers. En outre, il est essentiel de concevoir des voitures qui trouvent un équilibre optimal entre des attributs contradictoires tels que le confort, le plaisir de conduire, les performances et la durabilité.

Pour faire face à ces exigences de conception, les équipementiers doivent s'adapter aux nouvelles priorités de développement et mettre en place une organisation d'ingénierie axée sur ces domaines clés. PSA Peugeot Citroën a dû s'orienter stratégiquement dans cette direction. Angelo Greco, chef d'équipe de la modélisation et de la conception des systèmes de batteries, se concentre sur l'analyse de la conception fonctionnelle et la modélisation multi-physique. La conception et l'intégration des batteries sont à la croisée des chemins de l'innovation et doivent répondre à des demandes exigeantes, non seulement en termes de marketing, mais aussi en termes de sécurité et de confort des passagers, afin de définir les bons composants pour le véhicule.

Définir la bonne batterie pour des objectifs spécifiques

"La principale difficulté réside dans le fait qu'il est impossible d'analyser et d'évaluer correctement la conception de la batterie sans l'intégrer dans l'architecture complète du véhicule", explique M. Greco. "Elle est très complexe, car il faut tenir compte de sa nature multi-physique. Elle comprend des éléments électriques, thermiques, de refroidissement et de contrôle dans le même modèle. Ce n'est pas une tâche facile et c'est pourquoi nous avons choisi Simcenter Amesim pour relever ce défi d'ingénierie."

La conception et l'architecture du système optimal de gestion thermique de la batterie, tout en équilibrant les coûts, l'autonomie, le confort thermique et la durabilité, sont des tâches essentielles. Les décisions doivent être prises en tenant compte non seulement de la sécurité thermique et de son impact sur la durabilité, mais également de l'autonomie et des performances, du confort de l'habitacle et de la température des batteries. La modélisation multi-niveau et les simulations multi-physiques sont cruciales pour évaluer l'impact de la conception sur les principaux attributs de performance et anticiper la validation des stratégies de contrôle.

"En plus de ces contraintes techniques, nous avons des exigences strictes en matière de temps de développement afin de maintenir un délai de mise sur le marché compétitif", explique M. Greco. "Nous devons être très agiles. Parfois, nous devons modifier un composant ou un modèle en l'espace d'une semaine ou d'une journée et nous adapter aux nouvelles exigences ou données du fournisseur. La polyvalence des modèles multi-physiques est essentielle pour pouvoir évaluer de manière réaliste l'impact des modifications sur les niveaux de performances attendus. C'est l'une des raisons pour lesquelles nous avons décidé d'utiliser Simcenter Amesim pour nos analyses multi-physiques. Il nous aide à rester agiles."

Développer un modèle de système de batterie à partir d'une conception 3D

Pour analyser la gestion thermique de la batterie, M. Greco doit comprendre comment la batterie est conçue par les fournisseurs de PSA Peugeot Citroën. Les fournisseurs de premier rang dimensionnent et développent généralement le module de batterie en tenant compte des pires conditions d'utilisation afin de s'assurer que le véhicule électrique fonctionne dans toutes les conditions et que la durée de vie de la batterie s'aligne sur la garantie de 8 ans et répond aux exigences de la réglementation.

Néanmoins, la batterie est souvent surdimensionnée, de même que le système de refroidissement. Par conséquent, le temps de développement est plus long et les performances globales du véhicule sont réduites. Selon M. Greco, "le surdimensionnement du bloc batteries est un pari sûr, mais il entraîne une augmentation des coûts. Et cela peut certainement être optimisé. L'accès à la simulation permet à PSA Peugeot Citroën d'analyser rapidement les performances de la batterie et sa gestion thermique. En outre, il permet à l'entreprise d'étudier d'autres conceptions de batteries, de les valider virtuellement et de s'assurer qu'elles répondent aux niveaux de performance requis sans compromettre la sécurité. Nous pouvons également transmettre les améliorations requises aux fournisseurs de batteries." La seule façon d'atteindre les meilleurs niveaux d'optimisation est d'utiliser des modèles multi-physiques et dynamiques avec la précision du calcul 3D et la flexibilité de la simulation 1D.

"Nous avions l'habitude d'évaluer la gestion thermique des batteries en utilisant la modélisation 3D des batteries pour l'évaluation statique et la modélisation du flux thermique des cellules", déclare M. Greco. "Cela avait lieu trop tard dans le cycle de développement et ne permettait pas d'anticiper un quelconque changement dans la conception de la batterie. Il a donc été fondamental de trouver un moyen de transcrire un modèle thermique et hydraulique 3D en un modèle 1D avec l'ajout de la partie électrique afin d'évaluer la gestion thermique de la batterie de manière fiable dès le début du cycle de développement."

Pour y parvenir, M. Greco a mis au point une méthodologie permettant de développer un modèle 1D de la batterie à partir d'un modèle thermique 3D, à l'aide d'un réseau de nœuds. Il a obtenu des résultats similaires à ceux de la modélisation thermohydraulique 3D, mais avec des temps d'exécution plus courts. "Nous avons utilisé Simcenter Amesim pour développer cette approche qui nous a permis non seulement de réduire les temps d'exécution des simulations, mais aussi d'évaluer la gestion thermique dynamique de la batterie par rapport à une évaluation statique que nous réalisons habituellement à l'aide d'un modèle thermique 3D pour la batterie, couplé à un modèle de CFD 3D (plaque de refroidissement)."

Défier le fournisseur pour obtenir une meilleure conception des cellules

M. Greco a principalement travaillé sur la conception de batteries pour des véhicules hybrides légers et électriques. "En utilisant les modèles construits avec Simcenter Amesim, nous avons pu réaliser nos études deux fois plus rapidement en moyenne par rapport à notre procédure classique, pour le développement du modèle et la validation des composants du pack avec l'ajout de ses caractéristiques multi-physiques. En effet, à partir du modèle de batterie du fournisseur, et en utilisant l'approche de simulation 3D à 1D, j'ai pu démontrer que la batterie pourrait avoir une résistance thermique globale de 0,9 K/W (dans le pire des cas) au lieu des 1,8 K/W proposés par le fournisseur. La nouvelle conception (0,9 K/W) a permis de rejeter deux fois plus de chaleur que la proposition du fournisseur pour les mêmes conditions de refroidissement, fournissant ainsi les performances attendues dans la spécification technique."

M. Greco a établi cette méthodologie dès le début du cycle de développement d'un nouveau véhicule électrique, ce qui lui a permis d'opter également pour une conception "intrusive". Par conséquent, explique M. Greco, "la simulation multi-physique et les résultats nous aident à prévoir les performances, mais aussi à mettre le fournisseur de batteries au défi de concevoir un bloc batteries aussi efficace que celui que nous proposons, mais nécessitant un système de gestion thermique plus optimal".

Gagner du temps grâce à une meilleure méthodologie d'ingénierie de simulation

"Le fait d'avoir développé cette méthodologie de réseau de nœuds pour modéliser la gestion thermique de la batterie a été un grand pas en avant pour proposer des exigences de conception de batterie très détaillées et spécifiques et pour défier le fournisseur", explique M. Greco.

Cette méthodologie améliorée permet à l'équipe chargée de la modélisation de la batterie de prendre des décisions plus tôt dans le cycle de développement et de définir une architecture de batterie qui lui permet d'atteindre les critères de fiabilité et de sécurité pour une performance globale optimale du véhicule. "Avec Simcenter Amesim, dans certains projets, nous avons réduit le temps de développement des produits de plusieurs mois à quelques semaines grâce à la modélisation multi-physique. L'assemblage est simple. Parfois, un après-midi suffit. En effet, le cadre et la philosophie de Simcenter Amesim sont compatibles avec notre approche multi-physique. C'est donc très facile."