Repensez dès maintenant la conception des cellules de batteries lithium-ion grâce à la simulation 3D haute fidélité
Batteries rétro
Californie, États-Unis. 1999. Dans la patrie d'Apple, les téléphones portables sont encore des briques noires avec beaucoup de batterie pour un petit écran, les scooters électriques et les vélos sont à propulsion humaine et la batterie d'une voiture contient du plomb - et non du Li - et sert uniquement à démarrer le véhicule et à faire fonctionner quelques auxiliaires. Un secteur des transports électrifié ? La science-fiction, même dans la patrie de Tesla. Conception de cellule de batterie ? Un sujet pour l'industrie de l'électronique grand public.
Pourtant, c'est aussi en Californie, en 1999, qu'une entreprise du nom de Battery Design LLC décide de créer un logiciel permettant aux ingénieurs de concevoir des batteries plus performantes et plus durables. Les premières lignes de code de ce qui deviendra plus tard Simcenter Battery Design Studio (BDS) viennent de naître. À l'époque, BDS était le tout premier logiciel de conception de cellules doté d'une interface dédiée pour aider les concepteurs de cellules à définir géométriquement une cellule lithium-ion et à la coupler à un modèle pseudo-2D (P2D) basé sur la physique. Les toutes premières versions avaient même été distribuées sous forme de logiciel gratuit. Au fur et à mesure de son développement, cette solution innovante a fourni aux concepteurs de cellules le premier laboratoire d'essai virtuel, prédisant le comportement des cellules tout en accélérant le temps de développement et en réduisant le coût du prototypage.
À l'époque, le lithium-ion était une technologie destinée au marché de l'électronique grand public et, au cours des dernières décennies, des outils virtuels comme le BDS ont transformé les briques noires encombrantes avec peu d'affichage de 1999 en gadgets révolutionnaires incroyablement puissants qui se trouvent dans votre poche.
Les batteries : voir grand sinon rien
Mais 24 ans plus tard, et bien d'autres appareils électroniques grand public révolutionnaires, le monde des batteries est toujours confronté aux conséquences d'une autre révolution, bien plus importante : soudain, les batteries d'une voiture ne peuvent plus se contenter de la faire démarrer. Elles vont la déplacer. L'ère de l'électrification des véhicules est arrivée : les scooters, les bicyclettes, les voitures, les trains, les avions, les bateaux... tous ont besoin de batteries.
Ainsi, depuis 1999, les ingénieurs ne sont plus contraints de s'occuper uniquement des petites batteries pour votre appareil de poche. Aujourd'hui, les ingénieurs doivent concevoir des batteries fiables, durables, puissantes et sûres à une échelle de plusieurs ordres de grandeur, à tous les égards. L'éventail de choix est la nouvelle monnaie et les investisseurs veulent beaucoup d'éventails et zéro risque. Un défi technique de taille.
Mais il semble qu'il n'y ait pas beaucoup de choix. Suite à la prise de conscience mondiale du changement climatique, différentes mesures, bonnes ou mauvaises, ont été prises pour lutter contre les émissions nettes de CO2 dues à l'activité humaine. L'électrification des véhicules, qui n'est certainement pas la solution miracle, est l'une d'entre elles pour tenter de réduire l'empreinte CO2 des transports terrestres, qui représentent environ 20 % des émissions mondiales de CO2.
Les batteries, le nouveau cœur des véhicules
Pour soutenir la révolution de l'électrification des véhicules, la conception de cellules est devenue un marché en pleine expansion, afin de produire des cellules moins chères, plus sûres, avec une durée de vie plus longue et des batteries lithium-ion de plus grande autonomie. La batterie est devenue le cœur du véhicule électrifié, concentrant la plupart des innovations technologiques et de valeur. Si l'on considère l'évolution de la densité énergétique des cellules lithium-ion depuis les années 90, le graphique ci-dessous montre les efforts déployés pour accélérer cette performance clé à partir de 2015.
Les fabricants de cellules et les constructeurs automobiles ont investi des milliards de dollars dans la recherche, le développement et la production pour répondre à cette nouvelle demande. De nouvelles start-ups sont apparues pour tenter de conquérir ce vaste marché à croissance rapide et elles proposent des produits innovants, qu'il s'agisse de cellules ou de voitures. Les constructeurs automobiles "traditionnels" s'adaptent à ce nouveau marché et se réinventent même pour conserver leur compétitivité et leur rentabilité. Cela conduit tous ces acteurs à rechercher de nouvelles approches pour accélérer et améliorer leurs nouveaux produits, tout en assurant une bonne rentabilité en cette période d'inflation mondiale.
La simulation, et la confiance qu'elle suscite, a notamment permis de remplacer certaines activités de laboratoire, mais pas toutes, car elles exigent du temps et de l'argent, et cette confiance se développe rapidement. Mais comme l'électrification des véhicules perturbe massivement le secteur des batteries, les outils de conception de ces dernières doivent suivre leur propre transformation.
Conception de cellules de batterie : un défi tridimensionnel
Certes, des outils tels que Simcenter Battery Design Studio font partie de cette numérisation du processus de conception depuis des années, contribuant à améliorer les conceptions, mais la recherche croissante de meilleures performances conduit les concepteurs de cellules à vouloir et à avoir besoin de plus d'informations sur leurs produits. Leur demande s'est traduite par l'exigence d'une solution de simulation de conception cellulaire haute-fidélité, au-delà de l'offre traditionnelle, prenant désormais en compte les géométries 3D et offrant un comportement détaillé et local de la réponse d'une cellule à un cycle de travail.
Des connaissances approfondies grâce à une nouvelle capacité de conception de cellules de batterie en 3D
Ainsi, en octobre 2023, 24 ans après la naissance de BDS, les solutions de simulation Simcenter renforceront leur portefeuille avec une nouvelle capacité de conception de cellules de batterie en 3D, intégrée à Simcenter STAR-CCM+, qui prendra en charge les simulations de conception de cellules de batterie en 3D de haute fidélité.
La solution est basée sur un modèle de fichier de simulation, qui se traduit par un fichier de simulation élaboré mais finement préparé et personnalisé, que l'utilisateur peut immédiatement utiliser et exécuter. Par ailleurs, comme pour les modèles de simulation, il s'agit d'exemples de simulation et l'utilisateur est libre de modifier le modèle pour l'adapter à ses besoins.
La première caractéristique unique de cette capacité est la possibilité de concevoir des cellules lithium-ion en 3D, ce qui signifie des couches d'électrodes, des séparateurs et des languettes à résolution géométrique. Elles sont entièrement paramétriques, ce qui facilite le contrôle des études d'exploration de la conception.
Un modèle de haute précision est également fourni, avec une solution 3D du comportement électrochimique de la cellule, grâce à un modèle basé sur la physique amélioré de la formulation initiale de Newman-Doyle-Fuller. L'infrastructure logicielle utilise notre approche unique des milieux poreux phasiques pour résoudre la diffusion et la migration 3D des espèces chargées, ainsi que le transfert de charge de la phase solide à la phase liquide et vice-versa.
Le flux de travail au sein du modèle exploite les modèles d'automatisation existants et nouveaux, pour un flux de travail personnalisé, automatisé et adapté aux concepteurs de cellules. C'est la première fois que nous construisons une solution sur la nouvelle fonction d'automatisation puissante appelée "Stages" (étapes), qui arrive dans Simcenter STAR-CCM+ 2310. Les toutes nouvelles étapes vous permettent de gérer plusieurs configurations physiques dans une seule simulation. Dans le contexte des simulations de conception de cellules, elles permettent une configuration transparente pour la simulation de courant constant à tension constante, en remplaçant automatiquement la condition limite de courant par une condition limite de potentiel. Pour plus de détails, consultez notre blog consacré aux nouvelles capacités d'automatisation.
Le modèle de conception de cellule 3D fournit également une terminologie et des unités normalisées pour l'industrie, ainsi qu'un rapport utile sur les spécifications de la cellule qui permet de les comparer rapidement aux exigences de l'utilisateur. Actuellement, trois formes de cellules peuvent être observées comme normes industrielles standard : empilée, cylindrique ou prismatique. Avec la version 2310 de Simcenter STAR-CCM+ 2310, le modèle de simulation de forme de cellule de pile sera disponible et les deux autres sont en préparation.
La capacité de conception de cellules en 3D a une configuration de maillage simplifiée avec quelques entrées et clics, ce qui rend son utilisation très accessible même pour les concepteurs de cellules qui ne sont pas familiers avec les solutions IAO et les tâches de maillage.
Il prend également en charge le post-traitement dédié aux normes industrielles afin de faciliter son accès et de permettre à l'utilisateur de se concentrer sur l'analyse des résultats et de consacrer peu de temps à sa configuration.
Vers une meilleure compréhension
Grâce à cela, vous avez accès à des informations détaillées sur les performances de la cellule, telles que les distributions de concentration 3D dans le plan et à travers l'épaisseur pour les phases solide et liquide. Mais ce n'est pas tout, de nombreuses autres distributions 3D de quantités électriques et électrochimiques peuvent être examinées sur un modèle cellulaire. Vous avez alors l'avantage unique de comprendre les effets locaux et de bord, ce qui peut être essentiel dans des situations de vieillissement, de charge rapide et d'autres cycles d'utilisation contraignants.
Dans l'ensemble, il s'agit véritablement d'un outil moderne de validation et de vérification en 3D pour les concepteurs de cellules qui cherchent à améliorer et à optimiser au maximum leurs produits à base de cellules lithium-ion afin de poursuivre l'innovation.
Il va sans dire que, puisqu'il s'agit d'une fonctionnalité entièrement intégrée à Simcenter STAR-CCM+, elle bénéficie de tous ses outils et solutions auxiliaires, tels que la capacité HPC, l'automatisation, l'exploration de la conception, l'importation/exportation de CAO et bien d'autres encore.
Montez dans le train de la conception cellulaire en 3D
À titre d'exemple, nous présentons ici un modèle de cellule de poche, détaillé dans cet article, qui présente un modèle de cellule empilée pour les trains électriques alimentés par batterie. Ces cellules de batterie sont généralement utilisées dans les trains électrifiés comme le Siemens Miero présenté ci-dessus.
La cellule est une cellule de poche de 50Ah avec une cathode NMC (4,4,2) et une anode graphitique.
Grâce à l'approche géométrique basée sur des modèles, la cellule est rapidement entièrement repensée dans notre capacité de conception de cellules 3D, et avec l'automatisation et les entrées de conception de cellules dédiées en place, rapidement exécutée sur le cycle de service du même article pour simuler son comportement.
Pour le maillage, environ 1 million d'éléments de volumes finis ont été générés, ce qui est suffisant pour capturer les gradients dans le plan et à travers l'épaisseur.
La cellule est testée sous une décharge de courant constant de 2C sur une courte période afin d'obtenir une réponse initiale de la cellule en termes d'évolution de la température et de la concentration.
Les gradients de température à travers la cellule s'accumulent lentement et nous pouvons apprécier l'évolution du gradient à travers toutes les couches dans le sens de l'épaisseur. La capacité de conception de cellules en 3D permet véritablement d'étudier le refroidissement des surfaces ou des onglets et de capturer le comportement réel.
Nous avons également étudié l'évolution de la concentration dans l'électrolyte. Vous pouvez tracer la concentration pour chaque épaisseur d'électrode grâce à notre outil de traçage dédié.
Il est également possible d'examiner des couches individuelles pour les distinguer et de tracer la distribution de la concentration de solides en 3D. Bien que les valeurs minimales et maximales soient proches, on peut voir les gradients s'accumuler.
Enfin, grâce à la capacité de conception des cellules de batterie intégrées, il est possible d'évaluer facilement le courant électrique dans la cellule.
Dans l'ensemble, la cellule réagit bien au cycle d'utilisation initial et nous reviendrons sur les résultats de la validation dans un prochain blog.
Un ensemble complet de solutions pour la conception des cellules
Grâce à la licence complémentaire Batteries, la nouvelle capacité de conception de cellules en 3D ajoutera un actif supplémentaire à vos solutions de conception de batteries et de performance des cellules. Simcenter Battery Design Studio, l'outil puissant utilisé pour une analyse de sélection rapide, est maintenant complété par une capacité de vérification et de validation dans Simcenter STAR-CCM+, comme présenté ci-dessus. If offre un ensemble d'outils puissants aux concepteurs de cellules pour les aider à innover avec de nouveaux produits. La vue centrée sur la cellule complète également l'analyse thermique de l'ensemble de la batterie afin d'évaluer le refroidissement de la batterie et l'emballement thermique et complète nos capacités de modèles de performance pour l'intégration des systèmes de batterie offerts par notre solution Simcenter Amesim et les capacités de dynamique moléculaire de Simcenter Culgi.
Si vous souhaitez concevoir plus rapidement de meilleures cellules empilées, rendez-vous dans la section de téléchargement du centre d'assistance le 25 octobre et récupérez votre fichier de modèle de cellule.
