Un produttore di scuolabus elettrici si avvale di Simcenter Amesim per la simulazione dei sistemi, al fine di ottimizzare la progettazione e la gestione termica della batteria

Alla ricerca di un'urbanizzazione più sostenibile

Secondo le Nazioni Unite l'urbanizzazione sta aumentando rapidamente. Si prevede che entro il 2030 nel mondo ci saranno 41 megalopoli con 10 milioni di abitanti o più. Ma l'aumento del numero di persone si traduce in un aumento delle auto in circolazione e, di conseguenza, dell'inquinamento dell'aria, in quanto i trasporti producono un terzo delle emissioni inquinanti. Questo significa inoltre che c'è un limite al numero di automobili supportato dalle infrastrutture e, proprio per questo, è fondamentale sviluppare soluzioni di trasporto pubblico sostenibili.

I leader delle città più grandi al mondo, per un totale di 650 milioni di persone, hanno deciso di formare il C40 Cities Climate Leadership Group proprio per affrontare il problema dei cambiamenti climatici e promuovere un’azione urbana che riduca le congestioni e le emissioni di gas serra. Il gruppo si è impegnato a utilizzare esclusivamente bus a emissioni zero entro il 2025, nella speranza di liberare le strade dai carburanti fossili, rendendole più ecologiche e meno inquinanti.

Simcenter Amesim vehicle model.

Migliorare la qualità di vita

Fin dalla sua fondazione, nel 2011, Lion Electric Co. ha sempre puntato a offrire un trasporto pubblico sostenibile. L'azienda, che ha sede a Saint-Jérôme, nel Quebec (Canada), progetta, ingegnerizza e produce bus e mini/midibus completamente elettrici per esigenze speciali e trasporto urbano, oltre a veicoli commerciali per i trasporti all'interno delle città. L'azienda sostiene che la transizione a veicoli completamente elettrici produrrà miglioramenti sostanziali a livello sociale, ambientale e della qualità di vita in generale.

Simcenter Amesim battery model.

Nuove sfide ingegneristiche nello sviluppo dei prodotti

Lo sviluppo di autobus ad alimentazione elettrica implica nuove considerazioni di ingegneria, come la gestione termica della batteria e la sua integrazione all'interno del veicolo.

Raphael Ouellet, Powertrain Product Engineer di Lion Electric, spiega che le aspettative sono definite a due livelli: "Innanzitutto, per i veicoli a batteria è necessario eseguire un'analisi dei sottosistemi, al fine di ottenere un quadro preciso di come i cicli di guida e gli scenari di ricarica influiscono sulla capacità della batteria di sviluppare le soluzioni di gestione termica appropriate e di erogare un flusso di refrigerante equilibrato nei cicli di raffreddamento-riscaldamento, allo scopo di ottimizzare la gestione termica complessiva. In secondo luogo, fin dalle prime fasi di sviluppo del veicolo dobbiamo essere in grado di valutarne le prestazioni generali con cicli di guida reali, al fine di stimare un’autonomia di percorrenza realistica".

All-electric Urban Class 8 truck.

Sviluppo rapido di gruppi motopropulsori elettrici affidabili

È necessario che questi aspetti siano compresi fin dall'inizio del processo di sviluppo prodotto, per evitare richiami all'inizio della produzione dovuti a errori di progettazione, che potrebbero influire negativamente sulla sicurezza del veicolo, nonché implicare costi aggiuntivi e un incremento del time-to-market. Proprio per questo, per sviluppare una batteria e valutarne le prestazioni dopo la sua integrazione nel veicolo completo, il team di ingegneria di Lion Electric ha scelto di utilizzare, fin dalle fasi iniziali dello sviluppo, il software di simulazione dei sistemi Simcenter™ Amesim™ di Siemens Digital Industries Software, che fa parte del portfolio Simcenter.

Lion Electric ha iniziato la modellazione di un progetto di batteria completamente nuovo, con la relativa gestione termica. All’inizio, l'azienda aveva richiesto il supporto di Maya HTT, una società di servizi ingegneristici, che le ha fornito l'assistenza e le competenze necessarie per modellare la batteria e l'ha aiutata durante il processo di iterazione, finché non ha ottenuto un'architettura ottimizzata. Lion Electric è partita dalla progettazione delle celle e degli scambi di calore all'interno di esse, prima con l'alloggiamento in alluminio e poi con l'ambiente completo della batteria.

"Utilizzando Simcenter Amesim per riprodurre gli scambi di calore all'interno della batteria e il raffreddamento ad aria forzata, siamo riusciti a definire l'architettura ottimale per tutti gli elementi della batteria", spiega Ouellet. "Maya HTT ci ha fornito tutte le indicazioni di cui avevamo bisogno per trovare l'architettura ottimale".

La tensione di circuito aperto della batteria e le curve di resistenza interna sono state recuperate in pochi clic dalla scheda tecnica del fornitore, utilizzando l'app per l'importazione delle schede tecniche di tre batterie.

Dopo aver progettato la batteria, Lion Electric ha verificato le prestazioni del relativo Twin fisico in un ambiente a clima controllato, per poi adattare il modello digitale in base ai risultati. La fase di test ha permesso di migliorare la precisione del modello, dal punto di vista delle prestazioni elettriche e dello smaltimento del calore.

"Simcenter Amesim ci ha permesso di prendere le decisioni giuste fin dall'inizio e di ottimizzare il time-to-market", spiega Ouellet. "Siamo in grado di eseguire anche simulazioni per conto dei clienti e di offrire informazioni dettagliate sull’autonomia o sul carico utile previsto per un caso di utilizzo specifico".

Battery cycle profile in Simcenter Amesim.

Un software intuitivo che semplifica la generazione efficiente dei report

La soddisfazione di Lion Electric per Simcenter Amesim è ulteriormente accentuata dalla semplicità di utilizzo e creazione dei report. Ouellet afferma, infatti, che "Simcenter Amesim ci permette di generare velocemente grafici e report, e di realizzare presentazioni all'istante. Inoltre, è possibile considerare molte più variabili, rispetto ai calcoli in un foglio di lavoro, e questo ci consente di ottenere risultati molto più precisi. Ripetere le simulazioni è facilissimo, in questo modo, quando la direzione mi chiede una modifica, posso implementarla velocemente.”

"Simcenter Amesim offre numerosi vantaggi: L'interfaccia intuitiva, gli algoritmi avanzati e ottimizzati, la semplicità di utilizzo della gestione dati (visualizzazione, post-processing, parametri globali, ecc.) e gli strumenti implementati (ottimizzazione, visualizzazione 3D, ecc.) ci permettono di risparmiare tempo nel fornire risultati di facile comprensione alla direzione e ai clienti.”

Electric mini school bus.

Tagliare i costi di produzione

"Dedichiamo la stessa quantità di tempo allo sviluppo del modello e, sostituendo il foglio di calcolo con Simcenter Amesim, ora possiamo migliorare la valutazione delle prestazioni della batteria e ottenere dettagli più approfonditi per la nostra analisi", afferma Ouellet. "La stessa quantità di tempo viene quindi dedicata allo sviluppo, all'ottimizzazione e alla creazione dell'architettura più appropriata per la batteria e della relativa gestione termica. Questo ci permette di presentare un prodotto più affidabile e maturo all'inizio della produzione.

"Complessivamente, riteniamo che questo approccio ci consenta di ridurre i costi di sviluppo del prodotto. L’aggiunta di modifiche al prodotto dopo l'inizio della fabbricazione sarebbe invece molto costosa. I richiami dovuti a errori di progettazione, che influiscono negativamente sulla sicurezza del veicolo, sono un incubo per gli OEM, pertanto facciamo il possibile per evitarli".

Il risparmio di tempo e denaro garantito dalla simulazione consente a Lion Electric di iniziare a considerare le tecnologie future. Ouellet spiega che "Quando iniziamo la produzione dei veicoli, cerchiamo già il modo di migliorare i sistemi per le generazioni future. L'efficienza è un fattore che può essere sempre ottimizzato. Inoltre, controlliamo ogni singolo aspetto dei nostri progetti, realizzando prodotti migliori rispetto alle aziende che elettrificano i telai e i veicoli di altri produttori”.